謝瑋祎，陳曉平，馬吉亮，劉道銀，梁財，吳燁，蔡天意

（1東南大學能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇南京210096；2南京理工大學電子設備熱控制工業(yè)和信息化部重點實驗室，江蘇南京210094）

工業(yè)革命以來，人類的生產(chǎn)活動排放了大量的溫室氣體，引發(fā)了一系列生態(tài)問題。據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）估計，目前全球平均氣溫比工業(yè)革命前升高了約1.0℃[1]?；剂先紵a(chǎn)生的CO2是溫室氣體最主要的排放源。1970—2010 年，化石燃料燃燒和工業(yè)過程排放的CO2約占溫室氣體總排放增量的78%[2]。對我國而言，“多煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)導致國家能源消耗更依賴煤炭，燃煤電廠排放的CO2在短期內(nèi)難以大規(guī)模減少。因此，發(fā)展能夠有效降低燃煤電廠CO2排放量的二氧化碳捕集與封存技術（carbon capture and storage，CCS）意義重大。

碳捕集與封存技術是指通過捕集工業(yè)過程中排放的二氧化碳并實現(xiàn)封存來減少碳排放的技術，根據(jù)捕集方式和路線的不同具體可分為燃燒前捕集技術、燃燒中捕集技術、燃燒后捕集技術。鈉基固體吸附劑捕集CO2的技術是燃燒后捕集技術的一種，通過Na2CO3和CO2反應生成NaHCO3實現(xiàn)二氧化碳捕集，因反應溫度低且吸附劑來源廣泛、價格低廉、不易失活、無二次污染等優(yōu)勢，擁有廣泛的應用前景[3]。

鈉基固體吸附劑應用于燃煤電廠后的脫碳流程如圖1所示。利用固體吸附劑中的Na2CO3與脫硫脫硝處理后煙氣中的CO2在水蒸氣充足的條件下于碳酸化反應器中發(fā)生反應，生成NaHCO3，完成二氧化碳捕集，如式(1)所示。生成的NaHCO3在再生反應器中發(fā)生分解反應，分解成Na2CO3、CO2和水蒸氣，如式(2)所示。產(chǎn)生的CO2和水蒸氣的混合氣體經(jīng)過冷凝分離出水后即可以得到純度較高的CO2氣體，壓縮處理后實現(xiàn)儲存或利用，分解得到的Na2CO3經(jīng)過冷卻可以繼續(xù)回到碳酸化反應器中吸附二氧化碳，實現(xiàn)吸附劑的循環(huán)利用。其主要的脫碳原理可用如式(1)和式(2)所示的化學反應式表示。

圖1 鈉基固體吸附劑脫碳原理

為實現(xiàn)吸附劑的循環(huán)利用，需要從汽輪機中抽取大量蒸汽，用于提供鈉基吸附劑再生所需的能量，但這樣會造成系統(tǒng)發(fā)電效率的降低。與濕法脫碳技術相比，以氣固反應為主的鈉基固體吸附劑脫碳系統(tǒng)在工藝流程上可優(yōu)化的空間較小，因此通過合適的余熱利用方式降低脫碳系統(tǒng)的能耗對該技術的應用推廣有重要意義。

本文采用Aspen Plus 軟件，以某300MW 燃煤電廠為參考對象，對應用鈉基固體吸附劑的脫碳系統(tǒng)進行模擬。根據(jù)系統(tǒng)余熱的品質(zhì)，引入供熱機組，提出了兩種新型的碳捕集/供熱雙機組系統(tǒng)，以期實現(xiàn)對余熱的有效利用。

1 碳捕集機組系統(tǒng)模型

1.1 參考電廠汽水系統(tǒng)模型

本文參考的汽輪機組是由上海汽輪機廠制造的300MW 亞臨界、中間再熱式、高中壓合缸、雙缸雙排汽、單軸、凝汽式汽輪機。該汽輪機的給水泵采用專門的汽機驅(qū)動，機組的型號為N300-16.7/537/537。其主蒸汽參數(shù)為16.7MPa、537℃，流量910.921t/h，再熱溫度537℃，額定排汽壓力為4.9kPa。

1.2 脫碳系統(tǒng)模型

圖2為整個鈉基吸附劑脫碳系統(tǒng)模型，脫碳流程中碳酸化反應器、再生反應器以及吸附劑再生后的冷卻均用流化床實現(xiàn)，流化介質(zhì)分別為煙氣、再生過程產(chǎn)生的混合氣體和空氣，其他相關假設和規(guī)定如下。

（1）系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，各模塊的散熱損失忽略不計；

圖2 基于鈉基固體吸附技術的脫碳系統(tǒng)模型

（2）煙氣進入脫碳系統(tǒng)前先采用濕法脫硫技術進行脫硫，脫硫后煙氣中水蒸氣含量滿足吸附反應需要[5]；忽略脫硫后煙氣中微量SO2、HCl等對吸附劑性能的影響；

（3） 鈉基吸附劑的組分為70%Al2O3+30%，連續(xù)運行時，吸附床中吸附劑的利用率為20%，煙氣中CO2脫除率為90%，吸附劑循環(huán)量為9280t/h；

（4）設計碳酸化反應溫度為60℃，再生反應溫度為150℃[4]；

（5）吸附劑再生效率為90%，分離器能對氣固兩相完全分離。

系統(tǒng)模擬所用的脫硫煙氣成分如表1所示。

表1 模擬煙氣組成成分

1.3 碳捕集機組流程模擬

再生床所需的熱量由汽輪機中低壓缸間抽汽提供[9]，抽取的蒸汽參數(shù)為0.7335MPa、325.1℃。模擬時考慮到再生床所需的熱耗很高，通過冷卻水將再生吸附劑冷卻放出的熱量回收后用于預熱碳酸化反應器出口的吸附劑，可以提高進入再生床的吸附劑的溫度來減少再生床所需的熱耗。同時，吸附劑再生過程產(chǎn)生的混合氣體溫度較高，且含有大量水蒸氣，將其冷卻熱（包括部分水蒸氣汽化潛熱）用于加熱凝結(jié)水，可以取代四級低壓加熱器，適當提高機組的發(fā)電量。整合后的碳捕集電廠如圖3所示。

圖3 基于鈉基固體吸附技術的燃煤電廠脫碳流程

本文利用Aspen Plus 平臺依據(jù)圖3 中展示的系統(tǒng)流程進行模擬。設置冷卻床和預熱器與換熱介質(zhì)的端差為10℃。為滿足再生床的再生熱耗，需要抽取369.8t/h的蒸汽，使得系統(tǒng)發(fā)電效率降低8.56%。此時，捕集CO2所需的再生熱耗為3.90GJ/t CO2，考慮輔機功耗和余熱回收后的綜合能耗達4.05GJ/t CO2，而先進的脫碳工藝流程再生熱耗僅2.19GJ/t CO2[10]，因此本文的脫碳系統(tǒng)仍存在較大的優(yōu)化空間。

2 碳捕集/供熱雙機組系統(tǒng)流程

此前也有研究者提出將CO2捕集過程余熱用于供熱，如將余熱回收后為冬季地暖供熱系統(tǒng)提供60～70℃的熱水[11-12]。本文基于吸收式換熱技術的成熟應用，針對吸附反應放出的大規(guī)模低品位余熱，引入供熱機組，提出一種結(jié)合熱網(wǎng)的碳捕集/供熱雙機組系統(tǒng)，以期通過余熱的有效利用降低整個脫碳系統(tǒng)的綜合能耗，提高系統(tǒng)經(jīng)濟性。

2.1 吸收式換熱技術介紹

在我國，熱電聯(lián)產(chǎn)中一次網(wǎng)供水溫度一般在110～130℃，回水溫度一般為50～70℃[14]。清華大學的研究團隊提出將吸收式熱泵與水水換熱器相組合，用于改造熱電聯(lián)產(chǎn)領域一二次網(wǎng)間熱力站，其原理如圖4所示。改造后，一次網(wǎng)的熱網(wǎng)回水溫度降至接近25℃的水平，在實際應用中可以顯著提高管網(wǎng)輸送能力[15-17]。同時，低溫熱網(wǎng)回水也為有效回收碳酸化反應釋放的低品位余熱提供了可能。

圖4 吸收式換熱技術原理［13］

2.2 供熱機組假設

系統(tǒng)中引入的供熱機組假設與上述參考機組同等規(guī)模，其他假設規(guī)定如下。

（1）熱網(wǎng)采用間接供熱方式，汽輪機抽汽流量穩(wěn)定在400t/h，熱網(wǎng)供回水溫度為120℃/25℃；

（2）熱網(wǎng)加熱器冷凝側(cè)與熱網(wǎng)水熱端出口換熱端差為10℃[18]，增設小汽機對所抽取蒸汽降溫降壓；

（3）熱網(wǎng)回水壓力為0.25MPa，經(jīng)水泵加壓后的壓力為0.9MPa[19]。

2.3 優(yōu)化系統(tǒng)描述

2.3.1 雙機組系統(tǒng)A流程描述

雙機組系統(tǒng)A的方案流程如圖5所示，熱網(wǎng)回水流經(jīng)碳酸化反應器后一分為二，一部分作為換熱介質(zhì)流經(jīng)冷卻床、預熱器、氣液換熱器完成中溫段加熱，自氣液換熱器流出后與另一部分混合，由尖峰加熱器加熱到供熱溫度。作為碳酸化反應器的冷卻介質(zhì)，低溫熱網(wǎng)回水可大量回收系統(tǒng)的低品位余熱實現(xiàn)低溫段的加熱。假設換熱端差為10℃，離開碳酸化反應器時其溫度為50℃。

雙機組系統(tǒng)B的方案流程如圖6所示。鑒于兩個機組均需要提取蒸汽來加熱其他設備或介質(zhì)，提出將兩股蒸汽先混合后重新分配的整合方案?；旌虾蟮恼羝徊糠钟糜诩訜嵩偕磻鳎硪徊糠謩t流經(jīng)尖峰加熱器加熱熱網(wǎng)水。放熱后兩部分疏水再經(jīng)混合重新分配回到各自的除氧器。熱網(wǎng)提供的低溫回水同樣作為碳捕集系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)，其低中高溫段加熱則分別由碳酸化反應器、冷卻床、尖峰加熱器各自實現(xiàn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 系統(tǒng)性能分析

3.1.1 碳捕集綜合能耗

為體現(xiàn)脫碳系統(tǒng)余熱利用的程度，定義碳捕集系統(tǒng)綜合能耗為捕集單位質(zhì)量的CO2所對應的總輸入能量與輸出的有效熱量之差，記為Ecec，單位為GJ/t CO2，計算式如式(3)。

圖5 碳捕集供熱雙機組系統(tǒng)方案A的流程

圖6 碳捕集供熱雙機組系統(tǒng)方案B的流程

式中，Qreg為輸入再生反應器的熱量，MW；Wae為子系統(tǒng)中輔助風機的耗功，MW；Qav為子系統(tǒng)被回收利用的有效熱量，MW；mCO2為捕集的CO2質(zhì)量流量，kg/h。

表2為不同方案下碳捕集綜合能耗結(jié)果，方案A和方案B都能實現(xiàn)對余熱的大規(guī)模利用，綜合能耗從4.05GJ/t CO2分別降至1.26GJ/t CO2和1.13GJ/t CO2，節(jié)能效果顯著。對方案A 來說，由于冷卻床和預熱器的設置，為保證換熱端差導致熱量無法被全部利用。方案B 中，冷卻床的熱量能夠全部回收，熱網(wǎng)供水流量也略有增加，提高了對碳酸化反應余熱的利用程度，使得方案B的綜合能耗較方案A更低。

3.1.2 燃料利用系數(shù)

由于提出的兩個方案是將供熱機組與碳捕集機組整合的形式，因此除了系統(tǒng)發(fā)電效率這一性能參數(shù)外，引入燃料利用系數(shù)來評估雙機組的性能。燃料利用系數(shù)ηtp為輸出電、熱兩種產(chǎn)品的總能量與輸入能量之比，是一種常用的熱電聯(lián)產(chǎn)機組性能評價指標[20]，用式(4)表示。

式中，W為系統(tǒng)發(fā)電量，MW；Qh為用戶用熱量，MW；B是實際燃料消耗量，t/h；QLHV是燃料的收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg。

教師還應該明白，美術課不僅僅是教學生學習繪畫技巧的，而是讓學生在學習美術的過程中形成正確的審美觀念。教師應該教會學生善于發(fā)現(xiàn)生活的美麗，無論是自然美還是人工美。教師可以通過教學生如何欣賞繪畫來增強學生的審美觀念。教師還可以指定一幅繪畫，以便讓學生探索和交流，促進學習。學生應充分發(fā)揮主觀能動性，定期進行討論。通過各種渠道收集相關的美術知識，豐富自己的文化知識，通過討論，讓學生加深對美術作品的思想和情感體驗，從而幫助學生形成正確的審美觀念。

表3為不同方案中系統(tǒng)性能分析結(jié)果，可以看出，兩個方案下系統(tǒng)的供熱量均得到了顯著提高，與單供熱機組相比，分別增加了67.5%和72.8%。方案B中，由于再生床所需的抽汽溫度偏高，流經(jīng)小汽機減溫減壓的蒸汽流量從400t/h 減少至123.1 t/h，相應地小汽機發(fā)電量從20.57MW 降至6.33MW，使得方案B 中系統(tǒng)的發(fā)電效率低于方案A。雖然方案B系統(tǒng)的燃料利用系數(shù)為64.59%，略低于方案A的64.62%，但是方案B中系統(tǒng)供熱量較方案A增幅更大。

表2 不同方案中碳捕集綜合能耗結(jié)果

表3 不同方案中系統(tǒng)性能分析結(jié)果

3.2 運行參數(shù)影響分析

分析混合抽汽方案中的系統(tǒng)，研究主要運行參數(shù)對系統(tǒng)綜合能耗的影響規(guī)律。

3.2.1 碳酸化反應溫度對系統(tǒng)能耗的影響

圖7 系統(tǒng)能耗隨碳酸化反應溫度變化的規(guī)律

圖7 為系統(tǒng)能耗隨碳酸化反應的溫度變化規(guī)律，隨著碳酸化反應溫度的升高，再生能耗和綜合能耗大幅下降。與再生能耗相比，綜合能耗下降的幅度更為明顯，受碳酸化反應溫度的影響更大。當碳酸化反應溫度從50℃升至70℃時，對應綜合能耗從2.02GJ/t CO2降至-0.05GJ/t CO2。分析認為，一方面是由于碳酸化反應溫度的升高導致從碳酸化反應器出口的熱網(wǎng)水溫度隨之升高，造成了對吸附反應熱的利用率的提高。在此條件下，尖峰加熱器同樣的蒸汽量能夠加熱更多的熱網(wǎng)水，熱網(wǎng)水流量的增加也進一步提高了對吸附熱的利用率，導致綜合能耗顯著降低；另一方面，由于脫硫煙氣進入碳捕集系統(tǒng)時H2O的分壓較低，H2O以水蒸汽的形式存在，存在汽化潛熱。而在回收再生氣體余熱用于加熱電廠凝結(jié)水時，由于再生氣體中僅有CO2和H2O，水蒸氣的分壓和進入脫碳系統(tǒng)的脫硫煙氣中的分壓相比顯著提高，冷卻過程中會釋放出大量的水蒸氣汽化潛熱。

3.2.2 再生反應溫度對系統(tǒng)能耗的影響

圖8 為系統(tǒng)能耗隨再生反應溫度變化的規(guī)律，再生反應溫度的變化對再生能耗有直接且顯著的影響，但對綜合能耗則影響不大。當再生反應溫度從130℃升高到150℃的過程中，再生能耗從376.85MW 升高至437.54MW，而綜合能耗則從1.20GJ/t CO2降至1.13GJ/t CO2，降幅很小。鑒于混合抽汽系統(tǒng)的特點，再生吸附劑的冷卻熱能夠得到高效利用，故由于再生溫度提高而增加的用于吸附劑升溫的物理顯熱以另一種形式實現(xiàn)了對熱網(wǎng)水的加熱。而熱網(wǎng)水流量受再生反應溫度的變化不大，回收的吸附熱相應地從123.87MW 降低至119.53MW。對再生床出口的再生氣體而言，再生反應溫度的提高使得再生氣體的?值提高，電廠凝結(jié)水能夠被再生氣體加熱到更高的溫度，這部分回收的熱量從32.25MW 增加至42.53MW。最終導致碳捕集系統(tǒng)的綜合能耗輕微下降。

圖8 系統(tǒng)能耗隨再生反應溫度變化的規(guī)律

3.2.3 CO2脫除率對系統(tǒng)能耗的影響

圖9 系統(tǒng)能耗隨CO2脫除率變化的規(guī)律

圖9 為再生熱耗和綜合能耗隨CO2脫除率的變化規(guī)律。當CO2脫除率從70%升高至90%時，碳捕集綜合能耗從0.23GJ/t CO2升高至1.13GJ/t CO2。CO2脫除率的提高意味著更多吸附了二氧化碳的吸附劑需要再生，因此再生熱耗隨之線性提高。在系統(tǒng)抽汽量保持不變的前提下，能夠用于尖峰加熱器加熱的抽汽量降低，導致整個系統(tǒng)熱網(wǎng)水流量的減少，對應的吸附反應余熱利用率減少，因而綜合能耗增加。

當然，若CO2脫除率過低，由于再生氣體冷卻后汽化潛熱的釋放，系統(tǒng)綜合能耗也會出現(xiàn)負值。但因為CO2脫除率過低時再生氣體流量減小，在保證換熱端差的條件下，不能將凝結(jié)水加熱至高捕集效率時相同的溫度，導致這部分回收的余熱明顯減少。且脫碳系統(tǒng)提供的吸附余熱也會減少，因此借助熱網(wǎng)水流量增加而提高的吸附余熱回收量將受到抑制，同時也會抑制綜合能耗隨CO2脫除率下降而降低的程度。從另一方面來說，在CO2脫除率維持在較低的水平時，由于吸附過程放出的反應熱減少而熱網(wǎng)水流量增加，導致吸附反應熱的利用率顯著提高，綜合能耗能夠維持在一個很低的水平。

3.2.4 熱網(wǎng)回水溫度對系統(tǒng)能耗的影響

圖10 系統(tǒng)能耗隨熱網(wǎng)回水溫度變化的規(guī)律

如圖10 所示，熱網(wǎng)回水溫度直接影響的是碳酸化反應過程對余熱的利用。在熱網(wǎng)回水溫度從25℃上升至45℃的過程中，再生床所需的再生能耗不變，回收利用的吸附反應熱對應地從119.53MW降至23.69MW?？梢钥闯觯S著熱網(wǎng)回水溫度升高，碳捕集綜合能耗也相應增加，從1.13GJ/t CO2增加至2.62GJ/t CO2。就雙機組系統(tǒng)的供熱量而言，隨著熱網(wǎng)回水溫度的升高，供熱量從456.8MW 降至360.97MW。因此，熱網(wǎng)回水溫度越低，系統(tǒng)經(jīng)濟性越高。

3.2.5 熱網(wǎng)供水溫度對系統(tǒng)能耗的影響

從圖11 可以看出，與熱網(wǎng)回水溫度相比，熱網(wǎng)供水溫度對綜合能耗的影響較小。當熱網(wǎng)供水溫度從110℃升高至130℃時，對應的碳捕集綜合能耗從0.82GJ/t CO2升高至1.36GJ/t CO2。因為熱網(wǎng)水的高溫段加熱由尖峰加熱器實現(xiàn)，故隨著熱網(wǎng)供水溫度的升高，同樣的蒸汽流量能夠加熱的熱網(wǎng)水流量減少，導致回收的碳酸化反應熱從139.45MW降至104.51MW。當然，供熱量也相應地從476.31MW降低至442.08MW，系統(tǒng)經(jīng)濟性略有降低。

圖11 系統(tǒng)能耗隨熱網(wǎng)供水溫度變化的規(guī)律

4 結(jié)論

基于Aspen Plus軟件，模擬了鈉基固體吸附劑脫除電廠煙氣中二氧化碳的系統(tǒng)流程。根據(jù)脫碳流程釋放出的余熱的特點，結(jié)合熱電聯(lián)產(chǎn)提出兩種新型的能夠大規(guī)模回收脫碳過程余熱的方案，并分析比較了兩種集成后方案的性能，結(jié)果如下。

（1）采用低溫熱網(wǎng)回水回收碳酸化反應余熱效果顯著，獨立抽汽方案中碳捕集綜合能耗從原來的4.05GJ/t CO2降至1.26GJ/t CO2，而混合抽汽方案對余熱的利用程度更高，碳捕集綜合能耗僅1.13GJ/t CO2。

（2）系統(tǒng)性能分析顯示，獨立抽汽方案中流經(jīng)小汽機的蒸汽流量更多，增加的系統(tǒng)發(fā)電量高于混合抽汽方案，而混合抽汽方案中系統(tǒng)供熱量高于獨立抽汽方案。兩個方案的系統(tǒng)燃料利用系數(shù)分別達64.62%和64.59%，系統(tǒng)經(jīng)濟性良好。

（3）對混合抽汽方案系統(tǒng)的靈敏度分析結(jié)果表明，CO2脫除率較低時，能夠?qū)⑻疾都C合能耗維持在較低的水平；熱網(wǎng)回水溫度和碳酸化反應溫度對碳捕集綜合能耗有重要影響，因為能夠直接影響碳酸化反應過程的余熱利用程度。