王忠平，陳海平，石志云，童家麟

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

隨著社會經濟的發(fā)展，人類對礦物燃料的需求量越來越大，造成了越來越嚴重的全球環(huán)境問題，其中尤以全球氣候變暖問題影響范圍最大、問題最嚴重，而且最不容易解決。全球變暖是由于以CO2為主的溫室氣體大量排放導致溫室效應的加劇而造成的。CO2主要產生于礦物燃料的燃燒過程。在以礦物燃料為主要能源的電力生產中排放出的CO2量超過其總排放總量的30%，控制和減緩電力生產中CO2排放對于解決全球變暖和溫室效應問題具有重要意義[1～2]。

火電廠CO2捕捉迫在眉睫，目前，國內的華能北京熱電和上海石洞口二電廠進行了示范性質、實驗性質的部分CO2捕捉。他們均采用現(xiàn)在技術比較成熟的甲基乙醇胺(MEA)法進行捕捉，由于煤燃燒的煙氣排放量大，其中所含CO2的分壓低，所以該技術仍舊是高耗能、高成本的分離技術，而且煙氣中所含的SO2、NOx也會與MEA形成熱穩(wěn)定性的鹽類，對吸收劑造成一定的損害，從而每分離1 t CO2需33～73美元，另外吸收劑的再生也需要耗能[3]。

近年來，CaO以其高的CO2吸附容量和低廉的成本、較長的使用壽命并具有良好的抗磨特性而成為優(yōu)選的高溫CO2脫除劑，CCRs技術也因此得到了國內外專家學者的重視。但是，CCRs技術中的碳酸化反應的反應控制溫度是600～700℃，鍛燒反應的反應控制溫度850～900℃，而主要的能源消耗在鍛燒反應這一過程，如果這個過程在電廠中采用抽氣或者電加熱，無形中又會增加CO2的排放。因此，基于以上的考慮提出一種基于太陽能供能的CCRs捕捉火電廠CO2的回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)將太陽能集熱技術和鈣基吸收劑循環(huán)煅燒/碳酸化法(CCRs)進行耦合，采用太陽能作為CCRs的能量來源，如圖1。

圖1 基于太陽能供能的CCRs捕捉CO2流程簡圖Fig.1 multiple cyclic CCRs process for CO2separation based on solar energy supply

1 高溫太陽能集熱技術

近年來隨著傳統(tǒng)能源危機以及環(huán)境、氣候變暖等問題日益突出，各國專家學者十分重視太陽能的研究，促進了太陽能集熱技術的發(fā)展。目前，按集熱器類型的不同，聚光式太陽能集熱系統(tǒng)可分為3大類:槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)[4～5]。三種太陽能集熱系統(tǒng)的數據參數，如表1所示。

表1 三種太陽能集熱系統(tǒng)的性能比較Tab.1 The performance compares of three solar energy systems

通過表1可知塔式和碟式集熱系統(tǒng)的溫度范圍符合煅燒反應的要求，但槽式集熱系統(tǒng)發(fā)展較成熟且技術開發(fā)風險低，目前已實現(xiàn)商業(yè)化運行。綜合以上考慮，文中選用槽式和塔式兩種太陽能集熱系統(tǒng)串聯(lián)的方式進行耦合。

2 CCRs反應機理

鈣基吸收劑循環(huán)煅燒/碳酸化法的主要過程如圖1所示。煙氣中的CO2與CaO在吸收反應器中進行氣固反應，生成CaCO3。

由化學方程式(1)可知，碳酸化反應的標準摩爾反應焓變ΔrHθm=－178 kJ/mol，說明這是一個強放熱反應，在進行吸收反應時需要將這部分熱量及時導出，以維持吸收反應器一直處于最佳反應溫度(600～700℃)。吸收劑CaO在整個過程中是循環(huán)使用的，因此需要將生成的CaCO3送至再生反應器進行煅燒，分解生成CaO和高濃度的CO2。由化學方程式(2)可知，再生反應是一個耗能過程，這部分能量在實驗狀態(tài)下由電加熱或燃料燃燒提供。再生的CaO再次進入到吸收反應器循環(huán)吸收CO2。由于CaO的活性隨著循環(huán)次數的增加而遞減，因此在整個循環(huán)過程中為了保持較高的CO2脫除率，需要補充新鮮的吸收劑并排出失活的吸收劑[6～7]。

3 雙流化床反應器

3.1 雙流化床反應器的結構

由Shimizu T等人提出的雙流化床反應器可以很好的應用在CCRs技術上，它由吸收反應器和再生反應器組成，通過連接管實現(xiàn)了物料在反應器和再生器之間連續(xù)循環(huán)煅燒/碳酸化。目前，國內對基于CCRs的雙流化床反應器的研究剛剛開始，清華大學房凡等人在此基礎上提出了雙鼓泡床用于CCRs的設計思路，并對雙鼓泡床的形式與結構進行設計，進而建造冷態(tài)實驗裝置，反應器結構如圖2所示。反應器由鼓泡床、固體噴射管、提升管、分離器與下降管等組成[11]。

圖2 CaO吸收CO2/CaCO3煅燒再生過程Fig.2 CaO carbonation － calcination cycle to capture CO2

圖3 雙流化床反應器示意圖Fig.3 Schematic of dual fluidized － bed reactors

3.2 雙流化床反應器的設計理論

在雙流化床的設計中，反應器的大小和吸收劑的循環(huán)量是兩個重要參數。反應器的大小設計參見房凡等人的基于CCRs過程的雙流化床反應器設計與冷態(tài)實驗[11]。本文重點討論吸收劑循環(huán)量的確定，定義在吸收反應器內，單位時間被CaO吸收的CO2質量為

式中 FCO2，in——進口 CO2摩爾流率/kmol·s－1;

FCO2，out——出口 CO2摩爾流率/kmol·s－1;

FCO2——單位時間CaO吸收CO2的摩爾量。

定義吸收劑的轉化率為

式中 Mactual——吸收劑循環(huán)煅燒/碳酸化過程的實

際質量;

Mf，abs——CaO 完全轉化 CaCO3后的質量;

Mf，reg——CaCO3完全煅燒后的質量。

經過推導，采用公式(6)來確定雙流化床中吸收劑的循環(huán)量FR(細節(jié)可參見Li[9])

式中 FR——吸收反應器向再生反應器傳輸的固

體循環(huán)量/kmol·s－1;

F0——新鮮吸收劑的加入量/kmol·s－1;

a、b、f——常數。

3.3 案例設計與分析

現(xiàn)運用推導公式6進行算例分析，具體設計參數見表2，如果要求90%的CO2吸收率，通過計算得出固體循環(huán)量m=4.56 g/s。將計算結果與國外相關研究[10－11]進行比對，誤差在可控范圍內，誤差來源主要是因為所選參數略有不同造成的，說明推導公式(6)具有一定可靠性。

表2 設計參數表Tab.2 Design parameter

4 太陽能集熱技術與CCRs系統(tǒng)耦合分析

根據以上對太陽能集熱器與雙流化床CCRs反應器的分析與討論，結合電廠實際情況，提出一種基于太陽能供能的CCRs捕捉CO2工藝流程，如圖4。

圖中太陽能集熱系統(tǒng)采用槽式和塔式串聯(lián)的混合集熱器，通過定日鏡循環(huán)工質先在槽式集熱器內預熱之后進入汽水分離器，分離出的干飽和蒸汽進入塔式集熱器內加熱到煅燒所需溫度后，輸送至煅燒反應器進行熱交換。在一些特定情況下(陰雨天氣等)，當太陽能集熱器無法滿足煅燒條件時，采用電輔助加熱系統(tǒng)對反應器供能，以保證CO2捕捉可持續(xù)進行。CCRs碳減排系統(tǒng)部分主要以文中介紹的雙流化床反應器為基礎進行流程的設計，該套裝置實現(xiàn)了物料在反應器和再生器之間連續(xù)循環(huán)煅燒/碳酸化，CaO循環(huán)量可根據公式(6)進行確定。

圖4 太陽能與CCRs系統(tǒng)耦合簡圖Fig.4 Diagram of solar energy is cascaded with CCRs

5 結論

文中討論與分析了CCRs技術與太陽能集熱技術，并從電廠的實際情況進行系統(tǒng)耦合，將太陽能用于CCRs碳減排系統(tǒng)。在減排過程中沒有化石燃料的消耗，實現(xiàn)了真正意義上的CO2減排。

但是，這一方案的應用還有一些需要考慮的問題:

(1)太陽能集熱器:塔式集熱技術目前處于示范研究階段，集熱性能不穩(wěn)定，對于如何保證它的能量供應能符合煅燒反應，還有待進一步解決;

(2)能量合理利用:CCRs技術中的碳酸化反應是一個強放熱過程，完全可以將這部分能量合理利用，進一步實現(xiàn)節(jié)能減排這一目的;

(3)成本:新設備初投資、安裝、維修等方面都會影響成本，尤其是高溫太陽能集熱器。高溫太陽能集熱器成本較高，占地面積較大，也是目前國內外專家學者亟待解決的問題。

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