許德操,李顯桃,李 楠,王義函,陳 衡,潘佩媛

(1.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司,青海 西寧 810000;2 國(guó)網(wǎng)青海省電力公司清潔能源發(fā)展研究院,青海 西寧 810008;3.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,北京 102206)

0 引 言

溫室氣體的排放導(dǎo)致全球變暖,政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)指出,截至2050年,需將CO2排放量減少一半,并將全球氣溫上升控制在2 ℃以內(nèi)[1]。中國(guó)政府也宣布力爭(zhēng)到2030年CO2排放達(dá)到峰值,到2060年實(shí)現(xiàn)CO2零排放。在碳達(dá)峰和碳中和背景下,節(jié)能減排作為能源最重要的目標(biāo)之一,已引起廣泛關(guān)注[2-3]。水泥生產(chǎn)是最耗能的行業(yè)之一,輸入的能源中有40%被浪費(fèi),余熱回收是重要的技術(shù)手段[4-5]。水泥行業(yè)的CO2排放量也很高,占全球溫室氣體排放量的5%[6],是僅次于發(fā)電和鋼鐵行業(yè)的第三大碳排放源,且其CO2捕集研究很少。碳捕集成本高昂,水泥窯無(wú)法提供碳捕集所需的全部熱量和電力。通常,水泥廠碳捕集的能量從燃煤電廠或增加余熱鍋爐后燃燒天然氣獲取[7]。然而,與這些方法相關(guān)的電耗和熱耗成本相對(duì)較高(如水泥窯生產(chǎn)蒸汽的成本為74.56元/MW,但天然氣生產(chǎn)的蒸汽成本為187.70元/MW[8])。因此,充分利用水泥窯自身的熱量,減少對(duì)昂貴的外部能源的需求格外重要。此外,碳捕集過(guò)程會(huì)浪費(fèi)大量的能源(>40%)[9-10],許多研究人員已開(kāi)始通過(guò)設(shè)計(jì)新方案來(lái)回收利用這部分可觀的余熱[11-12]。

目前,碳捕集在水泥行業(yè)應(yīng)用較少,處于初步發(fā)展階段,許多學(xué)者對(duì)碳捕集在水泥行業(yè)的應(yīng)用提出了可供參考的研究[13-18]。譚雨亭[19]提出水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)輔助MEA法化學(xué)吸收式碳捕集,梯級(jí)利用水泥窯廢熱,利用雙壓余熱發(fā)電系統(tǒng)對(duì)碳捕集過(guò)程提供熱和電。吳鐵軍等[20]以降低水泥窯碳捕集系統(tǒng)的能耗為目標(biāo),提出采用富氧燃燒技術(shù),可增大煙氣中CO2的濃度,降低能耗。任勇[21]分析了水泥生產(chǎn)過(guò)程中CO2的主要排放源和處理措施。研究表明,CO2的排放主要來(lái)自生料的分解和煅燒過(guò)程,并提出應(yīng)當(dāng)從提高能源利用率、采用可替代清潔能源、可替代生料和碳捕集方面加大技術(shù)突破。吳濤等[22]指出應(yīng)注意碳捕集系統(tǒng)在水泥行業(yè)應(yīng)用,從吸收劑的選擇、分離方法的選取和新型煅燒技術(shù)的開(kāi)發(fā)上為水泥行業(yè)的碳捕集提供理論指導(dǎo)。SIMON等[7]基于化學(xué)吸收式碳捕集,經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,探究了用于水泥窯碳捕集的供熱蒸汽不同來(lái)源對(duì)碳捕集成本的影響。研究表明,蒸汽成本在碳捕集成本中占一半左右,通過(guò)對(duì)比6種蒸汽方案,選取合適的蒸汽來(lái)源可大幅減少碳捕集成本。OLUMAYEGUN等[23]對(duì)MEA吸收技術(shù)、富氧燃燒技術(shù)、冷凍氨技術(shù)的碳捕集工藝進(jìn)行了全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,以每噸熟料的成本作為指標(biāo),探究不同技術(shù)路線的成本,最后參數(shù)分析也表明蒸汽成本影響最大。LARIBI等[24]利用Aspen軟件,對(duì)不同CO2濃度煙氣的碳捕集過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)分析。研究表明,高濃度的CO2含量的煙氣在碳捕集過(guò)程中能耗更低,投資成本和運(yùn)行成本也更低。

現(xiàn)有文獻(xiàn)在研究上存在一些問(wèn)題和不足。目前排放大量CO2的水泥廠很少考慮碳捕集;很少有研究提到水泥廠碳捕集需要昂貴的外部能源;水泥窯余熱利用目前處于發(fā)電階段,未進(jìn)一步深入研究;碳捕集過(guò)程產(chǎn)生的余熱主要用于加熱冷凝水,但不適用于水泥廠。

新型碳捕集系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于水泥窯的碳捕集系統(tǒng),利用旋風(fēng)預(yù)熱器廢氣和熟料冷卻器排氣的余熱驅(qū)動(dòng)碳捕集工藝回收旋風(fēng)預(yù)熱器廢氣中的部分CO2,同時(shí)回收碳捕集過(guò)程中的廢熱用于供熱和制冷。通過(guò)熱力學(xué)分析、經(jīng)濟(jì)分析和敏感性分析驗(yàn)證了新集成系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。本研究的主要工作是:

1)充分利用水泥窯的余熱進(jìn)行碳捕集,減少對(duì)外部昂貴能源的購(gòu)買。

2)考慮以水泥窯余熱為能源的CO2捕集過(guò)程中的汽水流程、溫度匹配優(yōu)化。

3)確定水泥窯余熱可達(dá)到的最大碳捕集率。

4)優(yōu)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì),降低了熱耗,減少了汽輪機(jī)抽汽,提高發(fā)電量。

5)回收CO2壓縮過(guò)程的廢熱、再生塔頂部的流體廢熱、再沸器出口蒸汽的廢熱,并用于直接供熱或驅(qū)動(dòng)NH3-H2O制冷系統(tǒng)制冷。

6)用財(cái)政收入(通過(guò)出售水泥窯廢熱增加的冷、熱、電力)來(lái)補(bǔ)償新增碳捕集過(guò)程的高投資,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)自平衡,同時(shí)也由此確定合適的碳捕集率。

1 案例機(jī)組

1.1 案例水泥窯常規(guī)余熱利用系統(tǒng)

案例水泥廠為中國(guó)北方的一家干法水泥廠,該廠每天可生產(chǎn)5 000 t水泥。案例水泥窯常規(guī)余熱利用系統(tǒng)示意如圖1所示。生料進(jìn)入窯爐頂部,在旋風(fēng)預(yù)熱器中被燃燒后的廢氣預(yù)熱,隨后送進(jìn)回轉(zhuǎn)窯體,最終排出的旋風(fēng)預(yù)熱器廢氣溫度很高。此外,在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)產(chǎn)生的熟料送入熟料冷卻器,熟料冷卻器吸入大量空氣來(lái)冷卻高溫熟料,大量的高溫熟料冷卻器排氣到環(huán)境中。案例水泥廠2種廢氣的主要成分見(jiàn)表1。

表1 案例水泥廠廢氣成分主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the waste gas composition of the reference cement plant

水泥窯常規(guī)余熱利用系統(tǒng)如圖1所示,案例水泥廠已采用常規(guī)雙壓蒸汽朗肯循環(huán)的余熱發(fā)電系統(tǒng)。窯尾鍋爐和窯頭鍋爐分別用于回收旋風(fēng)預(yù)熱器廢氣和熟料冷卻器排氣的廢熱。窯尾鍋爐由省煤器、蒸發(fā)器和過(guò)熱器組成。窯頭鍋爐包括2組省煤器、蒸發(fā)器和過(guò)熱器,這是由于需要梯級(jí)利用熟料冷卻器的排氣,以產(chǎn)生不同參數(shù)的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)不同位置。

案例水泥窯常規(guī)余熱利用系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)見(jiàn)表2,選取了中國(guó)北方某穩(wěn)定運(yùn)行的水泥廠的設(shè)計(jì)參數(shù)作為模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在除氧器后,凝結(jié)水分為2股,一股被高壓泵增壓,分別送入窯頭鍋爐或窯尾鍋爐,被加熱并過(guò)熱成為高壓蒸汽。因此,窯尾鍋爐和窯頭鍋爐分別產(chǎn)生7.78和4.61 kg/s的高壓蒸汽(330.0 ℃和1.60 MPa)。同時(shí),旋風(fēng)預(yù)熱器廢氣和熟料冷卻器排氣由360.0 ℃冷卻至206.9 ℃或204.6 ℃。剩余的凝結(jié)水通過(guò)低壓泵后進(jìn)入窯頭鍋爐底部,然后被熟料冷卻器排氣加熱成低壓蒸汽(192.8 ℃,0.42 MPa)。2臺(tái)鍋爐的高壓蒸汽輸送至汽輪機(jī)的高壓缸,然后高壓缸排汽與窯頭鍋爐的低壓蒸汽混合后送入汽輪機(jī)的低壓缸。產(chǎn)生的新蒸汽可在汽輪機(jī)中膨脹做功發(fā)電,余熱利用系統(tǒng)產(chǎn)生的電能可以抵消一部分電廠內(nèi)部的電耗。

表2 案例水泥窯常規(guī)余熱利用系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)Table 2 Basic parameters of the reference waste heat recovery cement power plant

1.2 新型集成碳捕集的水泥窯余熱利用多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

為了盡可能多地利用水泥窯自身廉價(jià)的余熱進(jìn)行碳捕集,提出新型集成碳捕集的水泥窯余熱利用多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),設(shè)計(jì)碳捕集過(guò)程的余熱利用,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

新型集成碳捕集的水泥窯余熱利用多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的示意如圖2所示。該系統(tǒng)回收了水泥窯的煙氣熱量,捕集了部分旋風(fēng)預(yù)熱器廢氣中的CO2,并提高碳捕集過(guò)程余熱的利用率。集成系統(tǒng)中的主要集成模塊可分為5個(gè):水泥廠單元、余熱利用系統(tǒng)發(fā)電單元、CO2捕集單元、供熱單元和制冷單元。

由于熟料冷卻器排氣主要成分是空氣和灰分,因此現(xiàn)有水泥窯碳捕集的研究主要是對(duì)其旋風(fēng)預(yù)熱器廢氣進(jìn)行碳捕集。經(jīng)過(guò)生料磨、脫硝、除塵和脫硫后,旋風(fēng)預(yù)熱器廢氣被冷卻至合適的溫度進(jìn)入CO2捕集單元。分離出一部分煙氣進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī),其組分為4.0% O2、20.0% CO2、70.3% N2和5.7% H2O。煙氣經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)增壓后進(jìn)入吸收塔,CO2被CO2貧液吸收。剩余的煙氣成分從吸收器頂部排出,然后送往煙囪。在送入再生塔之前,CO2富液在熱交換器1(貧-富液熱交換器)中回收了高溫CO2貧液的部分熱量。汽輪機(jī)抽汽經(jīng)冷凝水降溫降壓后注入再沸器,并從冷凝水中回收了部分冷凝水余熱。在再生塔中,蒸汽釋放熱量用于MEA溶液再生,并對(duì)CO2進(jìn)行分離。此后,分離出的CO2流股中的大部分水蒸汽在分離器中冷凝并泵回再生塔。最終,CO2通過(guò)三級(jí)壓縮中間冷卻過(guò)程,被增壓至最終要求的儲(chǔ)存壓力。

另外,CO2捕集過(guò)程通常伴隨著大量的熱量損失。從再生塔頂部分離出的CO2和少量蒸汽流股的熱量被冷卻水帶走。同樣,CO2壓縮過(guò)程的熱量也完全損失。另一方面,高溫蒸汽在再沸器中會(huì)受到污染,無(wú)法返回汽輪機(jī)再次發(fā)電。為了更好利用碳捕集過(guò)程中的余熱,新系統(tǒng)在寒冷季節(jié)(10月15日至次年4月15日)集成了供熱單元,在炎熱季節(jié)(一年中的其他季節(jié))集成了NH3-H2O吸收式制冷單元。在供熱模式下,閥門1打開(kāi),循環(huán)水(45 ℃)依次流經(jīng)熱交換器2、熱交換器3、熱交換器4、熱交換器5、熱交換器6回收余熱,最終被加熱到95 ℃。在制冷模式下,閥門2打開(kāi)。循環(huán)水被加熱到更高溫度后送至發(fā)生器中并驅(qū)動(dòng)吸收式制冷系統(tǒng)。NH3氣體流出發(fā)生器,稀NH3-H2O溶液從發(fā)生器底部流出。NH3在冷凝器中冷卻后,流入蒸發(fā)器,吸收居民用戶流出的冷卻水的熱量進(jìn)行制冷。隨后,NH3被稀NH3-H2O溶液吸收后泵回發(fā)生器,進(jìn)行下個(gè)循環(huán)。碳捕集工藝的設(shè)備通常造成較高投資,本研究確定了適當(dāng)?shù)奶疾都?回收并進(jìn)一步利用碳捕集過(guò)程中的廢熱而供熱或制冷,以售電、熱和冷的收入來(lái)彌補(bǔ)碳捕集的成本。

2 系統(tǒng)模擬

2.1 模型建立

利用EBSILON Professional和Aspen平臺(tái)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

在初始設(shè)定的碳捕集率下,可得到初步的系統(tǒng)參數(shù)和性能分析。由經(jīng)濟(jì)分析中的新型系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)收入彌補(bǔ)碳捕集過(guò)程的投資,以確定新的水泥窯利用自身余熱所能達(dá)到的最高碳捕集率。最后,最大限度利用自身余熱進(jìn)行碳捕集后,確定了新型系統(tǒng)的運(yùn)行工況和參數(shù)。

2.2 模型驗(yàn)證

選取來(lái)自在中國(guó)北方地區(qū)投入使用的實(shí)際運(yùn)行的水泥廠。該工廠運(yùn)行非常良好和穩(wěn)定,運(yùn)行數(shù)據(jù)與其設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)非常接近。采用該廠所屬公司提供的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià),該設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)也得到了電力設(shè)計(jì)院的確認(rèn)。通過(guò)比較模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,這已經(jīng)在第3.1.2節(jié)中證實(shí)。

為了驗(yàn)證CO2捕集模型的準(zhǔn)確性,引入了文獻(xiàn)[24]的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)源,并將結(jié)果與該文獻(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。表3中通過(guò)對(duì)比模擬結(jié)果和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)表明CO2捕獲模型可靠。

表3 模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比檢驗(yàn)Table 3 Comparison of simulation and design results

3 分析方法

3.1 能量分析方法

(1)

(2)

式中,Pwh為凈發(fā)電量,MW;Q為供熱或制冷量,kW;Qrec為回收的廢熱能量,MW;Qeg為總輸入的能量,MW。

EXin=EXph+EXch,

(3)

EXph=min(h-h0)-T0(s-s0),

(4)

式中,min為煙氣流量,kg/s;T0為環(huán)境溫度,℃;h和h0為煙氣在計(jì)算流股中或參考條件的比焓,kJ/kg;s和s0為煙氣在計(jì)算流股中或參考條件的比熵,kJ/(kg·K)。

(5)

(6)

(7)

3.3 經(jīng)濟(jì)分析方法

新系統(tǒng)的提出導(dǎo)致需增加很多新設(shè)備,新系統(tǒng)的可行性需從經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行評(píng)估。由于碳捕集是一種高投資工藝,本研究主要計(jì)算了碳捕集成本和在合適的碳捕集率下系統(tǒng)售電、熱和冷的收入。CO2捕集成本(ηCOA)用來(lái)評(píng)估碳捕集工藝的經(jīng)濟(jì)支出,通過(guò)熟料成本計(jì)算了水泥廠采用CO2捕集裝置所帶來(lái)的對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響[8]。凈現(xiàn)值(ηNPV)被用來(lái)確定最終合適的碳捕集率。

(8)

式中,ηCOC為集成后每噸熟料的成本,元/t;ηCOC,ref為集成前熟料成本,元/t;eref為集成前每噸熟料的CO2排放量,t/t;e為集成后每噸熟料的CO2排放量,t/t。

ηCOC=Ccap+Co&m+CP,Q+Ccp,

(9)

式中,Ccap為碳捕集設(shè)備投資成本分?jǐn)偟矫繃嵤炝虾蟮膬r(jià)格,元/t;Co&m為年運(yùn)維費(fèi)分?jǐn)偟矫繃嵤炝虾蟮膬r(jià)格,元/t;CP,Q為電耗和熱耗成本分?jǐn)偟矫繃嵤炝虾蟮膬r(jià)格,元/t;Ccp為水泥廠的成本分?jǐn)偟矫繃嵤炝虾蟮膬r(jià)格,元/t。

4 結(jié)果與討論

4.1 新系統(tǒng)重要參數(shù)

旋風(fēng)預(yù)熱器廢氣的余熱在窯尾鍋爐中回收后,為處理其中的CO2。一部分旋風(fēng)預(yù)熱器廢氣被送往CO2捕集單元,該過(guò)程的能耗和電耗由水泥窯回收的余熱提供,見(jiàn)表4。新的MEA溶液(CO2貧液)在進(jìn)入吸收器之前被冷卻至40.0 ℃,以實(shí)現(xiàn)更高的吸收率。

表4 吸收塔的運(yùn)行參數(shù)Table 4 Main operating parameters of the absorber

再生塔中,MEA溶液(CO2富液)消耗大量的熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)CO2的分離與新MEA溶液(CO2貧液)的再生。由于高額的能耗,降低熱量的消耗是提高碳捕集系統(tǒng)能源利用效率的必要條件。一方面可以回收再生的高溫CO2貧液的余熱,再生的CO2貧液在熱交換器1中傳遞了41.87 MW的熱量,見(jiàn)表5。熱交換器1的溫差較小(10 ℃),這雖然導(dǎo)致更大的換熱器換熱面積,但可以回收更多的余熱。此外,較高的再生塔的壓力(0.22 MPa)使部分熱耗減少:減少再生塔頂部出口流股中水汽化消耗的熱量,因此減少再沸器所需的能量;濃度更高的CO2流股降低了最終的壓縮機(jī)功耗。對(duì)于再生過(guò)程,再沸器的再生熱耗為2.95 GJ/t(以CO2計(jì))。

表5 再生塔運(yùn)行工況和碳捕集設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)Table 5 Parameters of the stripper and main CO2 capture equipment

由于水泥窯本身不具備處理其排放的所有煙氣(100%)的能力,僅處理了21.01%的廢氣(進(jìn)入CO2捕集單元,內(nèi)含有6.66 kg/s CO2),5.99 kg/s CO2(壓縮機(jī)3出口)被捕獲和壓縮。在CO2捕集單元中,超過(guò)89.90%的CO2在進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)的煙氣中分離出來(lái)。然而,從整個(gè)旋風(fēng)預(yù)熱器廢氣的角度來(lái)看,118.53 kg/s的廢氣中含有31.70 kg/s的CO2,碳捕集單元捕獲了5.99 kg/s的CO2。最終的總CO2捕獲率為18.89%。

碳捕集過(guò)程產(chǎn)生的部分余熱用于供熱和制冷,以最大限度節(jié)約能源實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。表6～8展示了新設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的供熱和制冷單元的運(yùn)行參數(shù)。供熱模式下,45.0 ℃的26.30 kg/s循環(huán)水先送入熱交換器2預(yù)熱,再由熱交換器3、熱交換器4、熱交換器5、熱交換器6加熱至95.0 ℃。在熱交換過(guò)程中,CO2-H2O流股轉(zhuǎn)移到循環(huán)水中2.73 MW的熱量,占比相對(duì)最大,另外熱交換器3從再沸器冷凝水中回收了1.67 MW熱量。結(jié)果顯示,在寒冷季節(jié)可以為熱用戶提供5.52 MW的熱量。制冷模式下,循環(huán)水以14.50 kg/s的較少流量升溫至118.1 ℃后進(jìn)入發(fā)生器,以驅(qū)動(dòng)吸收式制冷系統(tǒng)。結(jié)果顯示,3.66 MW的熱量被輸送至發(fā)生器中。同時(shí),40.00 kg/s的用戶冷卻水溫度由10.0 ℃降至5.1 ℃,制冷系數(shù)達(dá)0.22。

表6 熱交換器的熱力學(xué)參數(shù)Table 6 Thermodynamic parameters of the HXs

表7 加熱模式和冷卻模式下的循環(huán)水參數(shù)Table 7 Thermodynamic parameters of the HXs

表8 制冷模式下吸收式制冷系統(tǒng)(NH3/H2O)的運(yùn)行工況Table 8 Operating conditions of absorption refrigeration system in cooling mode

4.2 能量分析

分別計(jì)算了在供熱模式和制冷模式下所提出的新型碳捕集系統(tǒng)的熱力學(xué)性能。廢氣中83.18 MW的熱量被送入余熱鍋爐,其中42.53 MW被回收用于過(guò)熱給水以產(chǎn)生蒸汽,最終發(fā)電量可達(dá)3.03 MW。在部分蒸汽和電力被用于碳捕集后,整體系統(tǒng)的發(fā)電效率可達(dá)到7.12%。不同于制冷模式,供熱模式可以從CO2捕集過(guò)程中多回收4.70 MW的熱量。因此,供熱模式下熱效率高5.66%,可以達(dá)到10.28%。為了更好地展示細(xì)節(jié)并揭示能量的轉(zhuǎn)移和損失過(guò)程,2種模式下的能量流如圖3所示?；厥盏臒煔鈴U熱中的42.53 MW(51.13%)流入汽輪機(jī),另外煙氣中3.71 MW熱量隨著部分旋風(fēng)預(yù)熱器廢氣被送到CO2捕集單元。另外,21.70 MW的能量隨著抽汽流入再沸器中用于新MEA溶液的再生。同時(shí),通過(guò)汽輪機(jī)的蒸汽做功6.06 MW。隨后,2.48 MW的電力被用于驅(qū)動(dòng)CO2捕集單元的壓縮機(jī)和泵,導(dǎo)致只能出售3.03 MW的電力。在供熱模式下,熱用戶消耗的熱量為5.52 MW。而循環(huán)水在制冷模式下僅回收了4.45 MW的能量,其中3.66 MW被輸送到發(fā)生器以驅(qū)動(dòng)吸收式制冷系統(tǒng),因此造成了0.79 MW的能量損失。最終,冷耗用戶可獲得0.82 MW的冷量。由于驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)所需的循環(huán)水溫度高于加熱模式,因此導(dǎo)致碳捕集單元和熱交換器產(chǎn)生更多的能量損失。

表9 新型碳捕集系統(tǒng)在供熱和制冷模式下的傳統(tǒng)分析總結(jié)Table 9 Summary of conventional exergy analysis of novel carbon capture systems in heating and cooling modes

4.4 經(jīng)濟(jì)性分析

以已經(jīng)濟(jì)評(píng)估的水泥窯常規(guī)余熱利用發(fā)電系統(tǒng)為基礎(chǔ),可對(duì)新型碳捕集系統(tǒng)的設(shè)備投資成本進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析(表10、11)。采用規(guī)模因子法獲得碳捕集過(guò)程中主要設(shè)備的投資成本,采用成本函數(shù)法對(duì)制冷系統(tǒng)的設(shè)備投資費(fèi)用進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果見(jiàn)表12。CO2捕集單元設(shè)備的主要投資成本(包括吸收塔、再生塔、泵、分離器等)占比高達(dá)61.50%,是最大的支出;其次為壓縮機(jī),花費(fèi)了4 075.51萬(wàn)元。吸收式制冷系統(tǒng)的主要元器件和泵的設(shè)備投資成本僅占1.33%?？傆?jì)新增碳捕集過(guò)程和供熱制冷過(guò)程的總投資成本為11 691.46萬(wàn)元。

表10 新型碳捕集系統(tǒng)的主要設(shè)備的投資成本估算方法(規(guī)模因子法)Table 10 Investment cost estimation method for major equipment of new carbon capture system(Size factor method)

表11 新型碳捕集系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)投資成本估算方法(成本函數(shù)法)Table 11 Investment cost estimation method for refrigerating system of new carbon capture system(cost funetion method)

表12 新型碳捕集系統(tǒng)的主要設(shè)備投資成本Table 12 Major equipment investment costs for new carbon capture systems

經(jīng)濟(jì)性評(píng)估中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表13,經(jīng)濟(jì)性分析的主要結(jié)果展示在表14中。發(fā)電單元全年可發(fā)電21 210 MWh,全年銷售熱、冷、電收入可達(dá)2 049.13萬(wàn)元。在系統(tǒng)整個(gè)生命周期中,ηNPV=0,因?yàn)橄到y(tǒng)的收入用于在適當(dāng)?shù)奶疾都?18.89%)下補(bǔ)貼昂貴的碳捕集單元的投資和運(yùn)行成本。由于使用的是水泥窯自身回收廢熱產(chǎn)生的蒸汽和電力,每噸CO2減排成本僅為281.54元。經(jīng)與已有文獻(xiàn)對(duì)比,當(dāng)碳捕集的熱源由外部提供時(shí),碳捕集成本為450～650元/t,而水泥窯余熱碳捕集成本為281.54元/t。因此,最大限度地利用水泥窯余熱進(jìn)行碳捕集至關(guān)重要。

表13 經(jīng)濟(jì)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 13 Basic data for economic analysis

表14 新型碳捕集系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析Table 14 Economic analysis of novel carbon capture systems

5 對(duì)比分析

5.1 性能對(duì)比

為驗(yàn)證碳捕集模型的可行性和準(zhǔn)確性,表15列出了所提出的新型系統(tǒng)與以往研究的對(duì)比。其中不僅將本研究與以往的水泥窯碳捕集的研究進(jìn)行對(duì)比,也與其他技術(shù)相對(duì)成熟行業(yè)(燃煤電廠)的碳捕集進(jìn)行了對(duì)比。需要注意的是,與現(xiàn)有研究相比,再沸器熱耗和ηCOA這2個(gè)參數(shù)在本研究中相對(duì)較小。這是由于一方面熱交換器3較低的換熱溫差有利于提高進(jìn)入再生塔的流體溫度;再生塔中較高的壓力也降低了水汽化的熱消耗。此外,與一般情況下煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)0.10%～0.15%的研究相比,本研究中煙氣較高的CO2濃度有利于降低熱耗。

表15 新型系統(tǒng)重要參數(shù)與已有研究對(duì)比Table 15 Comparison of important parameters of the new system with existing research

一般來(lái)說(shuō),水泥窯碳捕集所需的電力和熱量需要從燃燒天然氣中獲得或從附近的燃煤電廠采購(gòu)。二者都會(huì)導(dǎo)致高額支出,特別是在蒸汽成本將占ηCOA近一半的情況下。水泥窯余熱利用目前處于發(fā)電階段。這項(xiàng)研究可能會(huì)為水泥窯余熱進(jìn)一步利用提供一些重要的見(jiàn)解,特別是當(dāng)水泥窯最大且經(jīng)濟(jì)地提供自身碳捕集所需的電力和熱量而減少購(gòu)買外部昂貴的資源時(shí)。最后,這些參數(shù)在現(xiàn)有研究范圍內(nèi),足以用于進(jìn)一步分析。

5.2 煙氣溫度的影響

在保持同等的碳捕集率下,探究了窯頭窯尾鍋爐的進(jìn)口煙氣溫度變化對(duì)系統(tǒng)的影響,如圖4所示。進(jìn)口煙氣溫度的降低會(huì)導(dǎo)致煙氣可回收熱量的減少,而碳捕集單元所需的熱和電是不變的。因此隨著煙氣溫度的降低,發(fā)電量和發(fā)電效率減少,直至煙氣溫度降至308 ℃時(shí)降至0。如果煙氣溫度再次降低,則需要從外部購(gòu)買電力或降低碳捕集率,才能維持穩(wěn)定。煙氣溫度的降低導(dǎo)致發(fā)電量減少,也使得用來(lái)彌補(bǔ)碳捕集的費(fèi)用變少,使碳捕集成本升高。

圖4 余熱鍋爐煙氣進(jìn)口溫度變化的影響Fig.4 Influence of flue gas inlet temperature change of boilers

6 結(jié) 論

1)基于常規(guī)的余熱利用系統(tǒng),從煙氣中回收利用42.53 MW熱量以過(guò)熱給水進(jìn)行發(fā)電。結(jié)果顯示,在為水泥窯提供碳捕集所需的熱和電后,發(fā)電系統(tǒng)仍可產(chǎn)生3.03 MW的電功率,在供熱模式和制冷模式下均可達(dá)7.12%的系統(tǒng)發(fā)電效率。

2)集成CO2捕集裝置后,利用水泥窯煙氣廢熱可脫除煙氣中18.89%的CO2。經(jīng)碳捕集系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),再沸器的熱耗低至2.95 GJ/t(以CO2計(jì))。

3)與供熱和制冷單元的集成后,供熱模式可比制冷模式回收更多的廢熱,可在不同季節(jié)分別為用戶提供5.52 MW的熱量和0.82 MW的冷量,同時(shí)系統(tǒng)熱效率分別達(dá)到10.28%和4.62%。

5)經(jīng)濟(jì)分析下,主要計(jì)算了在適當(dāng)?shù)奶疾都?18.89%)下,將水泥廠全生命周期內(nèi)售電、售熱、售冷的收入用于彌補(bǔ)昂貴的碳捕集過(guò)程的投資成本。因此,凈現(xiàn)值最終為0。結(jié)果顯示,新設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要11 691.46萬(wàn)元的總投資成本,其中61.50%用于CO2的主要捕集設(shè)備,每年可售電21 210.00 MWh,同時(shí)提供大量的熱/冷,年收入達(dá)2 049.13萬(wàn)元。