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        增壓富氧燃燒與捕集CO2電站的經(jīng)濟(jì)性分析

        2012-07-10 07:58:08閻維平董靜蘭任海鋒
        動(dòng)力工程學(xué)報(bào) 2012年9期
        關(guān)鍵詞:富氧常壓輸出功率

        閻維平, 董靜蘭, 任海鋒

        (華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,教育部電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,保定071003)

        全球變暖是由于以CO2為代表的溫室氣體大量排放導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇而造成的.礦物燃料燃燒持續(xù)大量排放CO2是導(dǎo)致全球溫室效應(yīng)加劇的最主要原因.根據(jù)國(guó)際能源署的統(tǒng)計(jì),全球80%的能量來(lái)源于化石燃料的燃燒,美國(guó)電力生產(chǎn)的燃料50%來(lái)源于煤.2005年全球CO2的排放量為2.81×1010t,預(yù)計(jì)到2030年全球CO2的排放量會(huì)增加51%,達(dá)到4.23×1010t[1-2].在火力發(fā)電領(lǐng)域,CO2的捕集與封存(CCS)技術(shù)的研究與工程示范在減排CO2領(lǐng)域起著非常重要的作用.富氧燃燒技術(shù)也稱(chēng)為CO2/O2煙氣再循環(huán)煤燃燒技術(shù),送入爐膛的氧氣純度一般在95%以上,為維持一定的理論燃燒溫度和鍋爐流通煙氣的換熱量,一部分煙氣再循環(huán)回鍋爐以調(diào)節(jié)爐膛燃燒溫度并彌補(bǔ)富氧燃燒方式下煙氣量減小帶來(lái)的影響[3-4].

        富氧燃燒技術(shù)中,燃燒過(guò)程在CO2(或再循環(huán)煙氣)氛圍中進(jìn)行,實(shí)際煙氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到85%以上.與其他減排CO2的技術(shù)(燃燒前捕集或燃燒后胺類(lèi)吸收捕集)相比,煙氣中高濃度的CO2和很少量的N2使得富氧燃燒捕集CO2的能量及經(jīng)濟(jì)成本下降[5-6].閻維平等[7]對(duì)燃煤電廠采用富氧燃燒脫除CO2和常規(guī)空氣燃燒下采用單乙醇胺(MEA)法從煙氣中捕集CO2的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比,采用MEA捕集CO2時(shí),電廠凈效率下降15%~16%,而富氧燃燒方式下電廠凈效率下降12%,在考慮富氧燃燒捕集CO2全過(guò)程能耗后,300MW級(jí)電站的發(fā)電凈效率會(huì)降低至21%~22%.雖然與空氣燃燒的燃燒后捕集相比,富氧燃燒技術(shù)具有明顯的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),但是由于發(fā)電凈效率大幅度降低,基本不具備商業(yè)化應(yīng)用的可能性,因此,提高富氧燃燒的發(fā)電凈效率成為該技術(shù)能否應(yīng)用的關(guān)鍵.

        針對(duì)目前常壓富氧燃燒存在高壓制氧和煙氣高壓壓縮導(dǎo)致的能量損失,近年來(lái)提出了增壓富氧燃燒與CO2捕集的整體化發(fā)電方案[8].研究表明,高壓下的富氧燃燒比常壓下的富氧燃燒更具優(yōu)勢(shì).意大利電力公司(ENEL)與美國(guó)麻省理工大學(xué)(MIT)合作開(kāi)展了高壓下5MW級(jí)增壓富氧燃燒發(fā)電系統(tǒng)的試驗(yàn)研究,加拿大礦產(chǎn)與能源技術(shù)中心也在進(jìn)行增壓富氧燃燒的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性研究[9-10].當(dāng)鍋爐燃燒煙氣側(cè)的壓力提高到6~8MPa后,煙氣水分的凝結(jié)溫度提高到200℃以上,大量高品位凝結(jié)熱得以在汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)中利用,從而使汽輪機(jī)發(fā)電量增加,高壓下煙氣中的CO2可以在常溫下直接液化,壓縮耗能大大降低,同時(shí)高壓下燃燒與傳熱設(shè)備的體積大幅度減?。?1].提高富氧燃燒的運(yùn)行壓力具有提高電廠凈效率和降低發(fā)電成本的巨大潛力.

        筆者以300MW級(jí)燃燒煙煤的煤粉鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象,全面、詳細(xì)地考察和計(jì)算了各項(xiàng)廠用電,對(duì)6~8MPa增壓富氧燃燒技術(shù)捕集CO2的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了計(jì)算,并與常壓富氧燃燒的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比分析.

        1 增壓富氧燃燒系統(tǒng)

        增壓富氧燃燒與CO2捕集的整體化發(fā)電方案中,空氣壓縮分離制氧、燃燒及煙氣直接液化的整體系統(tǒng)均在高壓下(約6~8MPa)進(jìn)行.圖1為增壓富氧燃燒的系統(tǒng)圖.

        圖1 增壓富氧燃燒的系統(tǒng)圖Fig.1 Systematic diagram of the pressurized oxy-fuel combustion

        煤在增壓鼓泡流化床燃燒室中(6~8MPa,850~900℃)完成富氧燃燒、爐內(nèi)脫硫與換熱,燃燒室出口高壓煙氣經(jīng)過(guò)省煤器、氣-氣換熱器后,再到排煙冷凝器進(jìn)行冷凝,釋放的煙氣顯熱與水分的潛熱用于加熱汽輪機(jī)凝汽器出來(lái)的低溫鍋爐給水,冷凝后的煙氣一部分作為再循環(huán)煙氣送回鍋爐燃燒室,其余煙氣被常溫循環(huán)冷卻水冷卻即得到液態(tài)CO2,再經(jīng)過(guò)CO2凈化處理,將其他不凝結(jié)氣體(Ar、O2和N2)和污染物(SOx,NOx)等分離脫除或利用,實(shí)現(xiàn)了CO2減排與污染物一體化脫除[12].

        計(jì)算采用的O2與CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為27%∶73%,煙氣中的過(guò)量氧氣的體積分?jǐn)?shù)為4.8%,假設(shè)SO2在爐內(nèi)近似全部脫除.某煙煤的元素分析與工業(yè)分析數(shù)據(jù)如表1所示,鍋爐主要額定參數(shù)如表2所示.

        表1 煤的元素分析與工業(yè)分析Tab.1 Ultimate and proximate analysis of coal

        表2 鍋爐主要額定參數(shù)Tab.2 Main rated parameters of boiler

        2 經(jīng)濟(jì)性計(jì)算與分析

        2.1 不同壓力下增壓富氧燃燒鍋爐的熱效率

        增壓富氧燃燒系統(tǒng)的壓力維持在6MPa、7 MPa和8MPa時(shí),燃用同一煤種燃燒產(chǎn)生的煙氣組分的摩爾分?jǐn)?shù)見(jiàn)表3,系統(tǒng)的主要熱力參數(shù)見(jiàn)表4,計(jì)算得到的不同壓力下增壓富氧燃燒鍋爐的熱效率見(jiàn)表5.

        2.2 不同壓力下制氧和CO2壓縮液化的功耗

        現(xiàn)有的制氧技術(shù)中,空氣深冷分離裝置(ASU)是唯一可用的大規(guī)模生產(chǎn)高純度氧氣以滿(mǎn)足富氧燃燒需要的技術(shù).根據(jù)計(jì)算,300MW富氧燃燒發(fā)電系統(tǒng)中,氧氣消耗量為1.64×105m3/h,按目前的商業(yè)制氧單耗(0.247~0.244kW·h/kg)[13],ASU的電耗可達(dá)到輸出毛功率的20%左右.在增壓富氧燃燒的情況下,需要將供氧壓力直接提高到6~8 MPa,然后制取液態(tài)氧,并提升液氧的壓力,但是,相對(duì)于常壓富氧燃燒,其制氧單耗增加.

        表3 不同壓力下增壓富氧燃燒煙氣組分的摩爾分?jǐn)?shù)Tab.3 Flue gas composition of the pressurized oxy-fuel combustion at different pressures %

        表4 不同壓力下系統(tǒng)的主要熱力參數(shù)Tab.4 Main thermal parameters of the system at different pressures

        表5 不同壓力下增壓富氧燃燒鍋爐的熱效率Tab.5 Boiler efficiency of the pressurized oxy-fuel combustion at different pressures %

        在常壓300MW富氧燃燒捕集CO2系統(tǒng)中,需要將CO2壓縮到10MPa以上以備輸送或埋存,氣態(tài)CO2壓縮至液態(tài)功耗巨大,連同凈化與純化,約占機(jī)組發(fā)電輸出毛功率的7%~9%.增壓富氧燃燒下,由于煙氣側(cè)的壓力提高到6~8MPa,直接采用25℃左右的電廠循環(huán)冷卻水就可使CO2冷卻液化,進(jìn)一步壓縮液態(tài)CO2至10MPa以上,其功耗會(huì)呈數(shù)量級(jí)減小.

        流程模擬商業(yè)軟件Aspen Plus是一個(gè)生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬系統(tǒng),提供單元操作模型到裝置流程模擬.利用Aspen Plus對(duì)ASU和CPU的功耗進(jìn)行了模擬,得到不同系統(tǒng)壓力下ASU與CPU的功耗,結(jié)果見(jiàn)表6.

        表6 不同壓力下ASU和CPU的功耗Tab.6 ASU and CPU power consumption at different pressures

        由表6可以看出,與常壓富氧燃燒相比,增壓富氧燃燒下,ASU與CPU二者功耗之和下降.壓力提高到6~8MPa后,供氧壓力提高,ASU的功耗增加,CPU的功耗卻呈數(shù)量級(jí)下降,這是因?yàn)樵鰤焊谎跞紵?,采用電廠循環(huán)水先將CO2冷卻液化后再進(jìn)行升壓,使得CPU的功耗大大降低.

        2.3 不同壓力下煙氣再循環(huán)(FGR)的功耗

        在富氧燃燒系統(tǒng)中,約70%~80%的煙氣再循環(huán)回爐膛用于調(diào)節(jié)燃燒火焰溫度.由于煙氣流經(jīng)各受熱面后產(chǎn)生一定的壓降,因此需要通過(guò)再循環(huán)壓縮機(jī)對(duì)其升壓后再循環(huán)回燃燒系統(tǒng),再循環(huán)煙氣的功耗比較大.再循環(huán)煙氣的流量、系統(tǒng)的總壓降等直接影響再循環(huán)壓縮機(jī)的功耗.定義再循環(huán)壓縮機(jī)的出口壓力與進(jìn)口壓力的比為再循環(huán)壓縮機(jī)的壓縮因子,根據(jù)文獻(xiàn)[14]中增壓富氧燃燒再循環(huán)煙氣壓縮因子與系統(tǒng)壓力的關(guān)系曲線和再循環(huán)壓縮機(jī)的能耗公式(式(1))計(jì)算不同壓力下FGR的功耗,計(jì)算結(jié)果如表7所示.

        式中:R為煙氣的氣體常數(shù),J/(kg·K);T 為煙氣的溫度,K;p1、p2分別為煙氣壓縮前、后的壓力,Pa;ρv為煙氣的質(zhì)量流量,kg/s;ηT為再循環(huán)壓縮機(jī)的等溫效率,ηT=0.75;ηM為再循環(huán)壓縮機(jī)的機(jī)械效率,ηM=0.98.

        表7 不同壓力下FGR的功耗Tab.7 FGR power consumption at different pressures

        2.4 不同壓力下的毛發(fā)電功率

        常壓富氧燃燒時(shí),煙氣中水蒸氣的飽和溫度很低,難以利用,而在6~8MPa增壓富氧燃燒下,鍋爐排煙中的水分凝結(jié)溫度提高到200℃左右,因此,可采用鍋爐排煙冷凝器將原本無(wú)法利用的水分凝結(jié)熱量加熱給水、替代部分汽輪機(jī)抽汽,與常壓富氧燃燒相比,不僅降低了排煙損失,提高了鍋爐效率,而且使汽輪機(jī)出力增加.

        不同壓力下煙氣中水蒸氣的飽和溫度、可回收的凝結(jié)熱與汽輪機(jī)的毛發(fā)電功率見(jiàn)表8.

        表8 不同壓力下的毛發(fā)電功率Tab.8 Gross power output at different pressures

        由表8可知,系統(tǒng)壓力提高到6MPa后,煙氣中水蒸氣的凝結(jié)熱得以回收利用,代替部分汽輪機(jī)抽汽,汽輪機(jī)毛輸出功率明顯增加,由常壓下的300 MW增加到319.01MW.隨著壓力的繼續(xù)升高,鍋爐效率略有提高,燃燒產(chǎn)生的煙氣量減少,煙氣中水蒸氣的飽和溫度提高,但是單位質(zhì)量水蒸氣的凝結(jié)熱減小,在計(jì)算過(guò)程中保持不同壓力下煙氣冷凝器的入口、出口煙氣溫度一致,溫差一定時(shí),隨著壓力的升高,煙氣的焓差增大,顯熱放熱量增加,而回收的煙氣中水蒸氣的凝結(jié)熱減少,7MPa、8MPa壓力下回收利用的煙氣顯熱與潛熱的和比6MPa壓力下略有增加,汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的毛發(fā)電功率也略有增加,但增加量很小.

        2.5 不同壓力下的電廠凈效率

        參考某300MW級(jí)的循環(huán)流化床鍋爐原煤破碎與篩分等的功耗(近似認(rèn)為6MPa、7MPa和8 MPa壓力下鍋爐燃煤量相同),對(duì)6MPa、7MPa和8MPa壓力下增壓富氧燃燒技術(shù)捕集CO2的電廠凈效率進(jìn)行了計(jì)算,并與常壓富氧燃燒的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比分析.不同壓力下的凈輸出功率及輔助設(shè)備的額外功耗見(jiàn)圖2,不同壓力下富氧燃燒的電廠凈效率見(jiàn)表9.其中,常壓富氧燃燒的風(fēng)機(jī)功耗是煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)與引風(fēng)機(jī)的功耗之和.

        圖2 不同壓力下的凈輸出功率和額外功耗Fig.2 Net power output and additional power consumption at different pressures

        表9 不同壓力下的電廠凈效率Tab.9 Net efficiency of the power unit at different pressures%

        由圖2可以看出,與常壓富氧燃燒相比,增壓富氧燃燒由于供氧壓力提高,ASU的功耗增加,ASU的功耗與毛輸出功率的比由19.4%上升到26%左右;而CO2凈化處理單元的功耗大大降低,CPU的功耗與毛輸出功率之比由10.1%下降到0.2%左右.常壓富氧燃燒中煙氣水蒸氣的凝結(jié)熱不能加以利用,而在6~8MPa富氧燃燒下,煙氣中水蒸氣的凝結(jié)熱得以回收利用,使得汽輪機(jī)出力增加,毛輸出功率提高6.4%左右,其中,8MPa下的毛輸出功率最高,達(dá)到319.33MW.

        由表9可知,綜合計(jì)算各輔助設(shè)備的功耗后,常壓富氧燃燒的電廠凈效率為25.89%,壓力提高到6~8MPa后,電廠凈效率提高4%~4.5%,其中,8 MPa下的電廠凈效率最高,為30.35%.

        3 結(jié) 論

        (1)富氧燃燒系統(tǒng)壓力提高后,煙氣中水蒸氣的凝結(jié)熱得以回收利用,毛輸出功率增加,8MPa壓力下毛輸出功率可達(dá)到319.33MW.

        (2)常壓下ASU的功耗占毛輸出功率的19.4%,壓力提高到6~8MPa后,ASU的功耗占毛輸出功率的26%左右.

        (3)常壓下CPU的功耗占毛輸出功率的10.1%,壓力提高到6~8MPa后,先將CO2液化后再進(jìn)行升壓,CPU的功耗占增壓下毛輸出功率的0.2%左右.

        (4)綜合考慮各輔助設(shè)備的功耗后,6~8MPa壓力下增壓富氧燃燒系統(tǒng)的電廠凈效率比常壓富氧燃燒時(shí)提高4%~4.5%.

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