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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