韓中合，　白亞開

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北保定 071003)

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基于技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)的氨水脫碳工藝參數(shù)影響分析

韓中合，白亞開

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北保定 071003)

摘要：為了合理評價(jià)氨水脫碳工藝與燃煤電廠集成后的運(yùn)行性能，基于脫碳系統(tǒng)仿真模型和燃煤電廠變工況模型，利用技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)方法建立了脫碳機(jī)組評價(jià)體系.考察了CO2捕集系統(tǒng)主要參數(shù)(氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)、貧液CO2負(fù)荷、吸收塔入口溫度、再生塔壓力、氨氣逃逸率和CO2捕集率)對機(jī)組運(yùn)行性能的影響，選取了氨水脫碳系統(tǒng)可行運(yùn)行參數(shù).結(jié)果表明：氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%、貧液負(fù)荷為0.36以及吸收塔入口溫度為15 ℃為該系統(tǒng)可行運(yùn)行參數(shù)，此時(shí)脫碳機(jī)組相對于優(yōu)化前發(fā)電效率提升了0.712 7%，發(fā)電煤耗降低了6.959 4 g/(kW·h)，發(fā)電成本降低了0.011元/(kW·h)，脫碳成本降低了16.756 3元/t.

關(guān)鍵詞：冷凍氨法； 二氧化碳； 發(fā)電成本； 脫碳成本

符號(hào)說明：

G——CO2捕集系統(tǒng)或氨氣捕集系統(tǒng)再沸器所需蒸汽量，t/h

hext——從熱力系統(tǒng)中所抽蒸汽的焓，kJ/kg

hout——從再沸器中流出的疏水的焓，kJ/kg

Gg——煙氣量，t/h

wCO2——煙氣中CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

qre——CO2捕集系統(tǒng)再生能耗，GJ/t

ηcap——CO2的捕集率，%

CF——年燃料費(fèi)用，萬元

CAI——設(shè)備折舊費(fèi)用，萬元

COM——年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，萬元

Wnet——凈輸出功，MW

t——機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間，h

COE——系統(tǒng)的等額年度化分期償還成本，元

φ——系統(tǒng)維護(hù)因子

f——年度化償還因子

Z——子系統(tǒng)的基建投資，元

j——利率，%

r——通貨膨脹率，%

k——投資回收期，a

COA——集成系統(tǒng)的捕碳成本，元/t；

COE,cap——脫碳機(jī)組的發(fā)電成本，元/(kW·h)

COE,ref——參考電站的發(fā)電成本，元/(kW·h)

QCO2,cap——脫碳機(jī)組的CO2排放量，t/(kW·h)

QCO2,ref——參考電站的CO2排放量，t/(kW·h)

wNH3——氨水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

mNH3——氨水溶液中所含氨氣的質(zhì)量，kg

mH2O——氨水溶液中水的質(zhì)量，kg

αCO2——貧液CO2負(fù)荷

單乙醇胺(MEA)常被用于燃燒后脫碳吸收工質(zhì)的參考溶液，但是采用MEA作為吸收工質(zhì)存在很嚴(yán)重的缺點(diǎn)和不足：首先，MEA溶液試劑價(jià)格昂貴，且在氧氣和CO2的作用下易發(fā)生降解；其次，MEA溶液有腐蝕性，只可以在稀釋到一定程度后使用；再次，MEA的再生過程對熱量要求較高，會(huì)使電廠出力大幅度降低[1].這些缺點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了濕法脫碳技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，尋找再生能耗小、腐蝕性弱且不易降解的吸收工質(zhì)是目前研究的一個(gè)重點(diǎn).由于氨水吸收法具有可以降低CO2捕集過程再生能耗、氨水與CO2混合物穩(wěn)定、氨水成本較低且降解不會(huì)產(chǎn)生有機(jī)產(chǎn)物的優(yōu)點(diǎn)，因此該工藝具有很好的應(yīng)用前景.

國內(nèi)外學(xué)者對氨水脫碳過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真研究.孫龍[2]對氨法捕碳過程中氨氣逃逸規(guī)律進(jìn)行了研究，提出了有效控制氨逃逸的系統(tǒng)和方法.張民楷等[3-6]利用Radfrac方法和Ratefrac方法對常溫法氨水脫碳工藝進(jìn)行了系統(tǒng)流程仿真和建模，優(yōu)化了吸收塔和再生塔的尺寸和CO2捕集過程的運(yùn)行參數(shù).馬雙忱等[7-8]通過實(shí)驗(yàn)方法研究了氨法捕集過程的逃逸控制方法和吸收液再生規(guī)律，并對氨水捕集煙氣中的CO2進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究，對比了MEA與氨水脫碳工藝的異同點(diǎn).齊國杰等[9]總結(jié)了氨水脫碳工藝的研究進(jìn)展，搭建了氨水脫碳的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，基于Aspen Plus提出了氨水吸收CO2的吸收熱預(yù)測模型，對氨水脫碳的再生能耗進(jìn)行了研究，證明氨水脫碳過程能耗無法達(dá)到理論上的最低值26.88 kJ/mol.

Versteeg等[10]對燃煤機(jī)組氨水脫碳工藝進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)分析，結(jié)果表明：脫除率在90%的情況下，脫碳成本為73 美元/t；脫除率在95%的情況下，脫碳成本為88 美元/t.Linnenberg等[11-12]對氨水脫碳過程進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：脫碳能耗為2.05 GJ/t，明顯低于MEA脫碳的能耗.Jilvero等[13-14]的仿真結(jié)果則顯示氨水脫碳再生能耗為2.5 GJ/t.Hanak等[15]基于Ratefrac模型建立了氨水脫碳工藝的仿真模型，對CO2捕集系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并分析了主要參數(shù)對燃煤電廠運(yùn)行性能的影響.

國內(nèi)關(guān)于CO2捕集系統(tǒng)參數(shù)變動(dòng)影響的分析多以MEA脫碳為背景[16]，而分析參數(shù)變動(dòng)對冷凍氨法脫碳工藝的影響，實(shí)現(xiàn)該工藝在生產(chǎn)中的應(yīng)用具有重要意義.

1冷凍氨法脫碳工藝仿真模型

根據(jù)脫碳所處溫度的不同，氨水脫碳分為低溫法和常溫法，低溫法的典型代表為ALSTOM公司的冷凍氨(CAP)法脫碳工藝[15].低溫下吸收CO2增強(qiáng)了碳酸銨鹽和碳酸氫銨鹽之間的反應(yīng)，降低了CO2吸收塔頂部氨蒸氣的分壓，降低氨氣的逃逸率[17-18]，但同時(shí)增加了冷卻氨水和煙氣的制冷能耗，且在循環(huán)過程中會(huì)產(chǎn)生不溶于水的鹽類阻塞管道.

參考ALSTOM公司提出的冷凍氨法脫碳工藝，提出了可行脫碳流程.冷凍氨法脫碳工藝可以分為CO2捕集系統(tǒng)和氨氣捕集系統(tǒng)2部分，其中CO2捕集系統(tǒng)如圖1所示，60 ℃的煙氣通過壓縮機(jī)和冷卻器進(jìn)入CO2吸收塔，與同樣被冷卻的氨水溶液混合，吸收煙氣中的CO2；凈化后的煙氣從塔頂排出進(jìn)入氨氣捕集系統(tǒng)，氨水富液從塔底流出經(jīng)富液泵和貧富液熱交換器進(jìn)入再生塔，通過再沸器的加熱釋放吸收的CO2，高濃度的CO2從塔頂排出，氨水貧液從再生塔排出，通過貧富液熱交換器和冷卻器并補(bǔ)充溶液后返回吸收塔.

圖1　CO2捕集系統(tǒng)基本流程圖

冷凍氨法脫碳工藝采用低溫吸收工藝,雖然大大降低了吸收塔塔頂氨氣的逃逸率，但是再生塔塔頂排煙中仍含有大量的氨氣，為了進(jìn)一步降低排煙中氨氣的濃度，防止因氨氣逃逸造成對環(huán)境的二次污染，在塔頂增加了氨氣捕集裝置.

從CO2吸收塔塔頂排出的煙氣進(jìn)入氨氣捕集系統(tǒng)，在氨氣吸收塔內(nèi)與濃度較低的氨水溶液接觸以吸收煙氣中的氨氣，使排煙中氨氣的濃度低于0.01‰，吸收了氨氣的氨水富液從氨氣吸收塔塔底流出，經(jīng)貧富液熱交換器進(jìn)入再生塔，經(jīng)過再沸器中氨蒸氣的加熱，從塔頂氨蒸氣中回收濃度較大的氨氣，返回CO2捕集系統(tǒng).釋放了氨氣的氨水貧液從再生塔塔底流出，經(jīng)貧富液熱交換器換熱，補(bǔ)充流失的水分并冷卻后，進(jìn)入吸收塔完成一個(gè)循環(huán).具體流程如圖2所示.

圖2　氨氣捕集系統(tǒng)基本流程圖

在化工流程仿真軟件Aspen Plus中搭建冷凍氨法脫碳工藝流程，采用Aspen Plus自帶的物性包，物性包通過RK方程計(jì)算工質(zhì)的氣相成分性質(zhì)，通過活度系數(shù)模型NTRL計(jì)算溶液的性質(zhì)，NH3、CO2、N2和O2均被設(shè)置為亨利組分，關(guān)于該模型準(zhǔn)確性的討論可以參考文獻(xiàn)[19].實(shí)際反應(yīng)涉及到三元體系NH3-H2O-CO2，吸收和再生過程涉及到的反應(yīng)主要有6個(gè),如表1所示.

仿真時(shí)采用某國產(chǎn)600 MW超臨界機(jī)組的煙氣作為研究對象，其參數(shù)如表2所示.

表1吸收和再生過程涉及到的化學(xué)反應(yīng)

Tab.1Chemical reactions in the absorption and regeneration process

編號(hào)化學(xué)反應(yīng)12H2O?H3O++OH-2CO2+2H2O?H3O++HCO-33HCO-3+H2O?H3O++CO2-34NH3+H2O?NH+4+OH-5NH3+HCO-3?H2NCOO-+H2O6NH+4+HCO-3?NH4HCO3(s)

表2　煙氣參數(shù)

根據(jù)上文提出的氨水脫除CO2的流程，在Aspen Plus中搭建了冷凍氨法脫碳工藝流程仿真模型，模型中各設(shè)備采用的模塊及其基線設(shè)置如表3和表4所示.

2脫碳工藝與熱電廠耦合模型

2.1耦合方案

由于冷凍氨法脫碳系統(tǒng)由CO2捕集系統(tǒng)和氨氣捕集系統(tǒng)2部分構(gòu)成，因此需從燃煤電廠抽取2股不同參數(shù)的抽汽分別為2個(gè)系統(tǒng)提供熱量.根據(jù)仿真結(jié)果，CO2捕集系統(tǒng)再沸器內(nèi)工質(zhì)的溫度在144 ℃左右，設(shè)置再沸器內(nèi)換熱溫差為10 K，則所需飽和蒸汽的壓力為0.53 MPa.圖3為某國產(chǎn)600 MW超臨界機(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中標(biāo)出了系統(tǒng)中各段抽汽的抽汽參數(shù).由圖3可知，僅有機(jī)組的4段及4段以前的抽汽滿足要求.根據(jù)能量的梯級利用原則，使用機(jī)組的4段抽汽是最理想的抽汽方式，參照抽汽供熱機(jī)組和MEA作為吸收劑的CO2捕集機(jī)組，采用中、低壓缸連通管作為CO2捕集系統(tǒng)抽汽的引出位置，選取回?zé)嵯到y(tǒng)5號(hào)加熱器入口作為疏水的返回位置，脫碳機(jī)組耦合方式如圖4所示.

表3CO2捕集系統(tǒng)采用的模塊及其基線設(shè)置

Tab.3Baseline case and modules used in the carbon capture system

編號(hào)設(shè)備模塊操作條件①煙氣壓縮機(jī)Compr出口壓力0.13MPa,等熵效率0.72②煙氣冷卻器Heater忽略壓降,出口溫度25℃③接觸式冷卻器Radfrac5層塔板,出口壓力0.12MPa,出口溫度10℃④吸收塔Radfrac20層塔板,壓力0.12MPa⑤富液泵Pump出口壓力1MPa,等熵效率0.8⑥⑦貧富液熱交換器熱段貧富液熱交換器冷段HeaterHeater冷端溫差5K,忽略壓降⑧再生塔Radfrac壓力2MPa,忽略壓降⑨混合器Mixer絕熱混合⑩貧液冷卻器1Heater出口溫度25℃,忽略壓降貧液冷卻器2Heater出口溫度10℃,忽略壓降再生氣分離器Flash2溫度40℃,忽略壓降

表4氨氣捕集系統(tǒng)采用的模塊及其基線設(shè)置

Tab.4Baseline case and modules used in the NH3capture system

編號(hào)設(shè)備模塊操作條件①吸收塔Radfrac5層塔板,壓力0.12MPa②富液泵Pump出口壓力0.14MPa,等熵效率0.8③④貧富液熱交換器冷段貧富液熱交換器熱段HeaterHeater冷端溫差5K,忽略壓降⑤貧液泵Pump出口壓力0.14MPa,等熵效率0.8⑥再生塔Radfrac5層塔板,壓力0.12MPa⑦混合器Mixer絕熱混合⑧貧液冷卻器Heater出口溫度40℃,忽略壓降

由仿真結(jié)果可知，氨氣捕集系統(tǒng)再沸器內(nèi)工質(zhì)的溫度為104 ℃，同樣設(shè)置換熱溫差為10 K，則所需飽和蒸汽的壓力為0.168 MPa，機(jī)組的6段及6段以前的抽汽滿足蒸汽參數(shù)的要求，按照能量的梯級利用原則，使用6段抽汽是最理想的抽汽方式，選取7號(hào)加熱器入口作為疏水的返回位置.

2.2熱力學(xué)模型

CO2捕集系統(tǒng)需要從熱力系統(tǒng)抽取蒸汽，根據(jù)本文中所述的2個(gè)再沸器對熱量的需求，均有：

圖3　600 MW超臨界機(jī)組熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4　冷凍氨法脫碳工藝與熱力系統(tǒng)集成方案

(1)

根據(jù)所需抽汽量，利用弗留格爾公式和熱力系統(tǒng)矩陣模型便可實(shí)現(xiàn)脫碳機(jī)組的變工況計(jì)算，求解流程如圖5所示.

圖5　熱力系統(tǒng)變工況求解流程圖

Fig.5Calculation flow chart of the thermal system under variable conditions

3技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)評價(jià)指標(biāo)

基于CO2捕集系統(tǒng)仿真結(jié)果和熱力系統(tǒng)變工況結(jié)果，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)分析方法，分析影響CO2捕集系統(tǒng)運(yùn)行的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)，以達(dá)到優(yōu)化碳捕集電廠的目的.技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)中的發(fā)電成本能反映機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，本研究中不考慮出售CO2的收益Cs，其表達(dá)式如下[20]：

(2)

設(shè)備折舊費(fèi)用采用等額年度化分期償還成本來計(jì)算，其表達(dá)式如下：

(3)

(4)

(5)

式中：p為建造周期，參考國內(nèi)已有的脫碳項(xiàng)目，設(shè)置為1.

文中涉及到的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表5.

表5　經(jīng)濟(jì)性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用主要包括設(shè)備檢修費(fèi)用和工人工資等，可通過年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用COM占其初始投資的比例rOM來確定各個(gè)設(shè)備的年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用,即：

(6)

本文中取rOM=4%.

在發(fā)電成本的基礎(chǔ)上，提出了集成系統(tǒng)的捕碳成本的概念，其定義式如下：

(7)

碳捕集電廠主要設(shè)備的初始投資參考文獻(xiàn)[20].Versteeg等[10]的研究結(jié)果表明冷凍氨法脫碳系統(tǒng)的初始投資成本為普通燃煤電廠初始投資費(fèi)用的55%，基于冷凍氨法的脫碳機(jī)組主要設(shè)備的初始投資費(fèi)用見表6.

4參數(shù)影響分析

影響CO2捕集系統(tǒng)運(yùn)行性能的參數(shù)主要有氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)、貧液CO2負(fù)荷、吸收塔入口溫度、氨氣逃逸率、再生塔壓力以及CO2捕集率.其中，氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)指的是氨水中氨氣所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，定義式如下：

表6碳捕集電廠主要設(shè)備初始投資費(fèi)用

Tab.6Initial investment of main facilities in the carbon capture power plant萬元

(8)

貧液CO2負(fù)荷是指進(jìn)入吸收塔的氨水貧液中CO2與NH3的物質(zhì)的量的比值，其定義式如下：

(9)

為了分析氨水脫碳系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)對CO2捕集系統(tǒng)能耗大小的影響，氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別取9%、10%、11%和12%，貧液CO2負(fù)荷分別取0.30、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35和0.36，吸收塔入口溫度分別取5 ℃、7 ℃、9 ℃、10 ℃、11 ℃、13 ℃和15 ℃，再生塔壓力分別取0.1 MPa、0.4 MPa、0.7 MPa、1.0 MPa、1.3 MPa、1.6 MPa和1.9 MPa，CO2捕集率分別取60%、65%、70%、75%、80%、85%和90%，對冷凍氨法脫碳工藝進(jìn)行了仿真，計(jì)算了各部分能耗的大小，分析系統(tǒng)中各參數(shù)的影響時(shí)保持其他參數(shù)不變.由于氨氣捕集系統(tǒng)不是筆者討論的重點(diǎn)，所以未對氨水吸收系統(tǒng)參數(shù)變動(dòng)的影響進(jìn)行分析.參考文獻(xiàn)[3]，氨氣吸收塔入口的貧液采用碳化度為1.2、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.002%的氨水溶液，吸收塔和再生塔均為常壓操作.

5結(jié)果分析

利用流程仿真軟件Aspen Plus搭建了CO2捕集系統(tǒng)的仿真模型，以氨水脫碳系統(tǒng)的總能耗作為評價(jià)指標(biāo)，對氨水脫碳系統(tǒng)的氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)、貧液CO2負(fù)荷和吸收塔入口溫度等參數(shù)對總能耗的影響進(jìn)行了分析.

5.1基線案例

基線設(shè)置下CO2捕集系統(tǒng)中主要參數(shù)的設(shè)置見表7，通過仿真軟件計(jì)算了氨水脫碳系統(tǒng)各部分能耗的大小，結(jié)果見表8.

由表8可知，在冷凍氨法脫碳系統(tǒng)中，CO2捕集系統(tǒng)再沸器和氨氣捕集系統(tǒng)再沸器的熱耗分別為1.256 0 GJ/t和1.417 2 GJ/t，二者的熱耗遠(yuǎn)低于MEA脫碳工藝通常所需的4 GJ/t.氨水脫碳系統(tǒng)能耗之和為2.673 2 GJ/t，這與其他學(xué)者的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致[13].但是冷凍氨法脫碳工藝增加了CO2捕集系統(tǒng)冷卻功，這些功量是相當(dāng)巨大的(如表8所示)，該工藝?yán)鋮s功為0.137 3 GJ/t，CO2捕集率在85%的情況下將消耗廠用電57.278 8 MW.

表7　基線設(shè)置

表8基線設(shè)置下脫碳機(jī)組與原機(jī)組的對比

Tab.8Comparison between carbon capture power unit in baseline case and the original power unit

參數(shù)脫碳機(jī)組原機(jī)組冷卻功/(GJ·t-1)0.1373泵功/(GJ·t-1)0.0371煙氣輸送功/(GJ·t-1)0.0539CO2捕集系統(tǒng)再沸器溫度/℃144.2904CO2捕集系統(tǒng)再沸器熱耗/(GJ·t-1)1.2560氨氣捕集系統(tǒng)再沸器溫度/℃104.7887氨氣捕集系統(tǒng)再沸器熱耗/(GJ·t-1)1.4172輸出功降低量/MW103.0481凈輸出功/MW461.7919564.8400發(fā)電效率/%35.136042.9765發(fā)電煤耗/(g·kW-1·h-1)350.0483286.1863發(fā)電成本/(元·kW-1·h-1)0.55520.3530脫碳成本/(元·t-1)284.9633

由表8可知，脫碳機(jī)組相對于原機(jī)組凈輸出功降低了103.048 1 MW，發(fā)電效率降低了7.84%，發(fā)電煤耗增加了63.862 0 g/(kW·h)，脫碳成本為284.963 3 元/t，該結(jié)果與傳統(tǒng)的MEA脫碳工藝對機(jī)組的影響十分接近.

5.2氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)影響碳捕集吸收過程的反應(yīng)速率和富液中CO2的含量，從而影響CO2捕集系統(tǒng)所需氨水的流量，影響CO2捕集系統(tǒng)再沸器的熱耗.一般來說氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，CO2捕集系統(tǒng)所需再生能耗越少，但是，塔頂氨氣的逸出量會(huì)大幅增加，氨氣捕集過程的能耗增大，因此如圖6和圖7所示，脫碳機(jī)組的發(fā)電煤耗、發(fā)電效率、發(fā)電成本和脫碳成本存在一個(gè)最佳的氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)11%.在氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%時(shí)，脫碳機(jī)組的發(fā)電煤耗為349.81 g/(kW·h)，發(fā)電效率為35.16%，發(fā)電成本為0.554 8元/(kW·h)，脫碳成本為284.39 元/t.

圖6　氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對脫碳機(jī)組運(yùn)行熱力性能的影響

圖7　氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對脫碳機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響

5.3貧液CO2負(fù)荷的影響

氨水貧液CO2負(fù)荷的大小可以反映氨水富液的再生程度，貧液CO2負(fù)荷較低時(shí)，富液再生度較高，再沸器熱耗主要用于再生氨水溶液以使貧氨水溶液中的CO2達(dá)到較低負(fù)荷；貧液CO2負(fù)荷較高時(shí)，富液再生度較低，再沸器熱耗主要用于加熱大量的循環(huán)工質(zhì).所以氨水貧液CO2負(fù)荷從較低值向較高值變動(dòng)時(shí)，存在一個(gè)最佳值使得再生能耗最小，從而使機(jī)組的運(yùn)行性能最佳.但是受仿真軟件Aspen Plus的限制，當(dāng)貧液CO2負(fù)荷高于0.37之后將不再收斂.如圖8和圖9所示，從仿真和計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著貧液CO2負(fù)荷的增加，機(jī)組的熱力性能和經(jīng)濟(jì)性能都逐漸變好，但是趨勢變得越來越緩慢，在0.36時(shí)機(jī)組的運(yùn)行性能最佳，在0.37時(shí)機(jī)組運(yùn)行性能又開始下降.貧液CO2負(fù)荷為0.36時(shí)，脫碳機(jī)組的發(fā)電煤耗為349.57 g/(kW·h)，發(fā)電效率為35.18%，發(fā)電成本為0.554 5元/(kW·h)，脫碳成本為283.82 元/t.

圖8　貧液CO2負(fù)荷對脫碳機(jī)組運(yùn)行熱力性能的影響

Fig.8Effect of CO2load in lean ammonia on the thermal performance

圖9　貧液CO2負(fù)荷對脫碳機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響

Fig.9Effect of CO2load in lean ammonia on the economic performance

5.4吸收塔入口溫度的影響

貧液和煙氣的溫度會(huì)影響吸收塔內(nèi)吸收過程的溫度，從而影響CO2吸收塔塔頂氨氣的逃逸率，影響氨氣再生和CO2再生過程的能耗以及冷卻功的大小，最終影響脫碳機(jī)組的運(yùn)行性能.雖然再生塔入口溫度越低，制冷過程所需的能耗越大，但是吸收過程溫度的降低使吸收塔塔頂氨氣的逃逸量也減少，降低了氨氣再生過程的能耗.如圖10和圖11所示，冷卻功的影響遠(yuǎn)大于氨氣捕集造成的影響，所以隨著吸收塔入口溫度的降低，機(jī)組的發(fā)電效率呈現(xiàn)降低趨勢，溫度越高對脫碳機(jī)組越有利.Linnenberg等[11]指出，在一定的氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)及貧液CO2負(fù)荷下，吸收塔入口溫度在10～15 ℃時(shí)機(jī)組的運(yùn)行狀況最佳，所以選取吸收塔入口溫度為15 ℃.

圖10　吸收塔入口溫度對脫碳機(jī)組運(yùn)行熱力性能的影響

圖11　吸收塔入口溫度對脫碳機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響

5.5再生塔壓力的影響

再生塔壓力會(huì)影響再生塔內(nèi)吸收過程的相平衡，影響再生過程的溫度，從而影響CO2捕集系統(tǒng)的運(yùn)行性能.隨著再生塔壓力的增大，CO2捕集系統(tǒng)再沸器熱耗會(huì)相應(yīng)降低，但該變化趨勢隨著再生塔壓力增大而逐漸放緩.同時(shí)，再生塔壓力的增大往往會(huì)造成再沸器溫度的升高，增大對機(jī)組抽汽參數(shù)的影響，不能再采用前文所述的抽汽位置.如圖12和圖13所示，隨著再生塔壓力的增大，機(jī)組的熱力性能和經(jīng)濟(jì)性能均呈現(xiàn)先提升后降低的趨勢，再生塔壓力為1 MPa時(shí)機(jī)組的運(yùn)行性能達(dá)到最佳.

圖12　再生塔壓力對脫碳機(jī)組運(yùn)行熱力性能的影響

5.6氨氣逃逸率的影響

以上分析均在氨氣捕集系統(tǒng)的氨氣逃逸率為定值0.01‰下進(jìn)行，下面考察氨氣逃逸率的控制對機(jī)組運(yùn)行性能的影響.CO2捕集系統(tǒng)氨氣逃逸率越低，氨氣捕集系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)的流量越大，氨氣捕集系統(tǒng)再沸器的熱耗越大.但是，根據(jù)筆者對流程的設(shè)計(jì)，氨氣捕集系統(tǒng)回收的塔頂氨蒸氣直接通過升壓泵進(jìn)入CO2捕集系統(tǒng)的再生塔，這在一定程度上降低了CO2捕集系統(tǒng)再沸器的熱耗.如圖14所示，在0.32‰之前，隨著氨氣逃逸率的增加，機(jī)組發(fā)電效率逐漸降低；在0.32‰之后，隨著氨氣逃逸率的增加，機(jī)組發(fā)電效率逐漸提高.但是從圖15所示的整體趨勢看，氨氣的捕集不僅增大了氨氣捕集系統(tǒng)的能耗，也增加了設(shè)備成本，分析結(jié)果顯示，當(dāng)機(jī)組不進(jìn)行氨氣逃逸率控制時(shí)，機(jī)組的運(yùn)行性能將大幅度提升，發(fā)電效率、發(fā)電煤耗、發(fā)電成本以及脫碳成本將分別達(dá)到36%、341.68 g/(kW·h)、0.487 0 元/(kW·h)和187.785 元/t,此時(shí)氨氣脫碳工藝相對于MEA脫碳工藝的優(yōu)勢將變得十分明顯.但是為了保護(hù)環(huán)境，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)[11]，設(shè)置CO2捕集系統(tǒng)的氨氣逃逸率為0.01‰.

圖13　再生塔壓力對脫碳機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響

圖14　氨氣逃逸率對脫碳機(jī)組運(yùn)行熱力性能的影響

圖15　氨氣逃逸率對脫碳機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響

5.7CO2捕集率的影響

基于仿真結(jié)果，分析了CO2捕集率的變動(dòng)對脫碳機(jī)組運(yùn)行熱力性能和經(jīng)濟(jì)性能的影響.如圖16所示，隨著CO2捕集率的提升，發(fā)電成本逐漸升高，發(fā)電煤耗逐漸增加，發(fā)電效率逐漸降低，說明CO2捕集率越高對機(jī)組的運(yùn)行越不利.如圖17所示，脫碳成本隨CO2捕集率變化的趨勢與發(fā)電成本隨CO2捕集率變化的趨勢相反，這是由于采用相同的設(shè)備進(jìn)行脫碳，降低CO2捕集率雖然降低了發(fā)電成本，但同時(shí)也減少了捕集到的CO2的量，而發(fā)電成本的變化往往要比CO2捕集量的變化小很多.所以，實(shí)際運(yùn)行中的脫碳機(jī)組部分脫除CO2是不經(jīng)濟(jì)的.這與MEA脫碳工藝的分析結(jié)果是一致的.

圖16　CO2捕集率對脫碳機(jī)組運(yùn)行熱力性能的影響

圖17　CO2捕集率對脫碳機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響

5.8參數(shù)的選取

根據(jù)對CO2捕集系統(tǒng)參數(shù)變動(dòng)的分析，選取了CO2捕集系統(tǒng)的可行運(yùn)行參數(shù)，并且與基線案例下的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如表9所示.

由表9可知，氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%、貧液CO2負(fù)荷為0.36以及吸收塔入口溫度為15 ℃為CO2捕集系統(tǒng)的可行運(yùn)行參數(shù).在該組參數(shù)下，脫碳機(jī)組相對于優(yōu)化前發(fā)電效率提升了0.712 7%，發(fā)電煤耗降低了6.959 4 g/(kW·h)，發(fā)電成本降低了0.011元/(kW·h)，脫碳成本降低了16.756 3 元/t.

表9優(yōu)化前后機(jī)組運(yùn)行性能對比

Tab.9Comparison of unit operation performance before and after optimization

參數(shù)優(yōu)化前優(yōu)化后氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%1011CO2捕集率/%8585貧液CO2負(fù)荷0.330.36吸收塔入口溫度/℃1015再生塔壓力/MPa11氨氣逃逸率/‰0.010.01冷卻功/(GJ·t-1)0.13730.0937泵功/(GJ·t-1)0.03710.0346煙氣輸送功/(GJ·t-1)0.05390.0539CO2捕集系統(tǒng)再沸器溫度/℃128.2904124.4956CO2捕集系統(tǒng)再沸器熱耗/(GJ·t-1)1.25600.8481氨氣捕集系統(tǒng)再沸器溫度/℃104.7887104.7890氨氣捕集系統(tǒng)再沸器熱耗/(GJ·t-1)1.41721.8876輸出功降低量/MW103.048193.6809凈輸出功/MW461.7919564.8400發(fā)電效率/%35.136035.8487發(fā)電煤耗/(g·kW-1·h-1)350.0483343.0889發(fā)電成本/(元·kW-1·h-1)0.55520.5442脫碳成本/(元·t-1)284.9633268.2070

6結(jié)論

(1) 基線案例下，CO2捕集系統(tǒng)再沸器和氨氣捕集系統(tǒng)再沸器的熱耗分別為1.256 0和1.417 2 GJ/t，二者的熱耗遠(yuǎn)低于MEA脫碳工藝通常所需的4 GJ/t，但是冷凍氨法脫碳工藝增加了CO2捕集系統(tǒng)冷卻功，在CO2捕集率為85%的情況下，制冷將消耗廠用電57.278 8 MW，添加脫碳系統(tǒng)后，脫碳機(jī)組凈輸出功相對于原機(jī)組降低了103.048 1 MW，發(fā)電效率降低了7.84%，發(fā)電煤耗增加了63.862 0 g/(kW·h)，脫碳成本為284.963 3元/t，該結(jié)果與傳統(tǒng)的MEA脫碳工藝對機(jī)組的影響十分接近.

(2) 分析了CO2捕集系統(tǒng)主要參數(shù)對脫碳機(jī)組的影響，并選取了該系統(tǒng)運(yùn)行的可行參數(shù).氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%、貧液CO2負(fù)荷為0.36以及吸收塔入口溫度為15 ℃為該系統(tǒng)的可行運(yùn)行參數(shù).在該組參數(shù)下，脫碳機(jī)組相對于優(yōu)化前發(fā)電效率提升了0.712 7%，發(fā)電煤耗降低了6.959 4 g/(kW·h)，發(fā)電成本降低了0.011元/(kW·h)，脫碳成本降低了16.756 3元/t.

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Analysis of Carbon Capture Process by Ammonia Based on Technical Economics

HANZhonghe,BAIYakai

(MOE's Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment,North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

Abstract：To reasonably evaluate the operation performance of a coal-fired power plant adopting the ammonia-based carbon capture process, a technical economic model was set up based on the simulation model of carbon capture system and the variable condition model of power plant, so as to analyze the effects of following parameters on operation performance of the unit, such as the ammonia concentration, lean solvent loading, chilled temperature, desorber pressure, ammonia slip rate and carbon capture rate, etc., and subsequently to determine the optimal variables of the carbon capture system. Results show that the optimal values of ammonia concentration, lean solvent loading and chilled temperature are respectively 11%, 0.36 and 15 ℃, when the power generation efficiency would be increased by 0.712 7%, and the coal consumption rate, power generation cost and carbon capture cost would be reduced by 6.959 4 g/(kW·h), 0.011 CNY/(kW·h) and 16.756 3 CNY/t accordingly, compared to the original power unit.

Key words：chilled ammonia process (CAP); CO2; power generation cost; carbon capture cost

收稿日期：2015-08-18

修訂日期：2015-09-24

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51076044,51306059);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(13XS38)

作者簡介：韓中合(1964-)，男，河北武邑人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊崃υO(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、兩相流計(jì)算與測量.

文章編號(hào)：1674-7607(2016)07-0541-10中圖分類號(hào)：TQ028

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號(hào)：610.30

白亞開(通信作者)，男，碩士研究生，電話(Tel.)：13082367112；E-mail: footballses@163.com.