劉蘭華,王瑞林,洪慧
塔式太陽能輔助燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)鈣基碳捕集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
劉蘭華1,王瑞林1,洪慧2*
(1.南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院,江蘇省 南京市 210042;2.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所,北京市 海淀區(qū) 100080)
化石能源電站是最大的CO2集中排放源,開展燃煤、燃?xì)獾然茉措娬咎紲p排是實(shí)現(xiàn)碳中和的必經(jīng)之路。相較于其他碳捕集技術(shù),堿金屬基固體碳捕集具有捕集效率高、反應(yīng)能耗低等優(yōu)勢(shì),但其過高的再生能耗仍會(huì)大幅影響燃煤電站性能。對(duì)此,提出了利用塔式太陽能聚光集熱輔助燃?xì)庹羝?lián)合發(fā)電煙氣碳捕集的系統(tǒng)。以某467MW燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)電站為原型開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)并完成性能分析。與原始系統(tǒng)相比,設(shè)計(jì)系統(tǒng)發(fā)電功率提升42.43MW,發(fā)電效率達(dá)到63%。相較于依靠化石能源自身捕集CO2的參比系統(tǒng),設(shè)計(jì)系統(tǒng)發(fā)電功率提升148.5MW,發(fā)電效率提升約18個(gè)百分點(diǎn)。選取春分日作為典型日進(jìn)行系統(tǒng)變工況分析,結(jié)果表明:系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全天6h以上的額定工況運(yùn)行,累計(jì)碳捕集量達(dá)到1452t,累積增發(fā)電量381MW·h。所提出的系統(tǒng)在避免降低電站自身發(fā)電效率條件下,借助太陽能完成CO2捕集,實(shí)現(xiàn)化石能源的零碳排放利用。此外,還將鈣基碳捕集碳酸化過程釋放的高溫?zé)嶂匦聭?yīng)用于燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電,進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。研究結(jié)果可為可再生能源與化石能源的多能互補(bǔ)綜合利用提供新的思路及方法。
碳中和;太陽能熱發(fā)電;鈣基碳捕集;多能互補(bǔ);碳減排
CO2等溫室氣體排放導(dǎo)致海平面上升、氣候變化等一系列問題[1-2]。各類CO2排放源中,燃煤、燃?xì)獾然茉措娬炯信欧耪糃O2總排放量的30%以上[3],開展化石能源電站的CO2捕集已勢(shì)在必行。CO2捕集方式眾多,可分為燃燒前捕集、富氧燃燒捕集及燃燒后捕集3種[4]。3種技術(shù)之中,燃燒后CO2捕集具有技術(shù)原理相對(duì)簡(jiǎn)單、易于與已有化石能源電站相結(jié)合等特點(diǎn),因而受到廣泛關(guān)注。
燃燒后碳捕集主要包括吸收、吸附和膜分離法3種[5]。其中,以MEA為代表的溶劑吸收法目前發(fā)展最成熟,具有吸收容量大、選擇性高等優(yōu)勢(shì)[6],并且已開始了初步的示范應(yīng)用[7]。但MEA碳捕集再生過程能耗極高,為3.2~3.8GJ/t,僅依靠電站自身能量捕集CO2會(huì)造成性能大幅下降(發(fā)電效率降低6~14個(gè)百分點(diǎn)[8])。對(duì)此,學(xué)者們嘗試從碳捕集材料及工藝優(yōu)化入手,提出了堿金屬基固體吸收的碳捕集技術(shù),即利用K2CO3/ KHCO3、Mg(OH)2/MgCO3、CaCO3/Ca(OH)2等堿基金屬化合物在不同溫度條件下與CO2的可逆的碳酸化/再生反應(yīng)實(shí)現(xiàn)CO2的煙氣捕集[9]。與MEA捕集技術(shù)相比,該技術(shù)具有再生能耗低、對(duì)設(shè)備腐蝕性小等優(yōu)點(diǎn)[10]。與MEA等溶劑吸收碳捕集技術(shù)相比,堿金屬基碳捕集過程再生能耗明顯降低,達(dá)到2.7GJ/t左右。但是該能耗需求對(duì)于化石能源電站仍較高,仍會(huì)導(dǎo)致電站發(fā)電性能大幅下降。
對(duì)此,有學(xué)者嘗試從系統(tǒng)集成角度入手,將太陽能等可再生能源與傳統(tǒng)的化石能源電站相結(jié)合[11],借助太陽能為碳捕集過程供能,進(jìn)而避免碳捕集過程對(duì)化石能源電站綜合性能的影響。Zhao等[12]提出了一種中溫太陽能熱與燃煤電站CO2捕集的耦合系統(tǒng),利用約300℃的太陽能熱替代電廠的高壓抽汽加熱給水,再通過低壓抽汽為胺基吸收劑再生提供能量。Khalilpour等[13]提出,通過新型反應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)太陽能直接加熱胺基溶劑,不必借助其他傳熱流體,從而取消昂貴的解析單元,有效降低傳熱損失。Zhai等[14]通過Aspne Plus對(duì)太陽能塔式集熱直接輔助鈣循環(huán)脫碳進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對(duì)碳酸化環(huán)節(jié)的放熱進(jìn)行熱回收利用。Zhang等[15]研究了煤–太陽能聯(lián)合驅(qū)動(dòng)鈣循環(huán)碳捕集系統(tǒng)的性能,集成到超超臨界 1019MW電站時(shí)的熱效率為35.37%,整體效率損失9.63%,效率損失的主要原因是熱回收效率低以及聚光集熱的高溫?zé)釗p失。
由以上研究可知,目前太陽能輔助化石能源電站碳捕集多集中于燃煤電站的煙氣CO2捕集,而對(duì)于燃?xì)猕C蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站的CO2捕集則較少涉及。另外,當(dāng)前的系統(tǒng)集成多集中于太陽能為碳捕集再生過程供能。事實(shí)上,在煙氣CO2捕集的再生過程吸收大量高溫?zé)崃康耐瑫r(shí),其在碳酸化過程中亦會(huì)對(duì)外釋放大量熱量,如何將這部分釋放的熱量與化石能源系統(tǒng)相互集成仍待進(jìn)一步研究?;诖?,本研究提出了塔式太陽能輔助鈣基碳捕集與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)相互集成的系統(tǒng),其中塔式太陽能聚焦所得的高溫?zé)崃坑糜隍?qū)動(dòng)鈣基碳捕集的再生過程,鈣基碳酸化過程釋放能量與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)相互集成,進(jìn)一步提升系統(tǒng)發(fā)電性能。本文基于某467MW燃?xì)庹羝?lián)合電站,研究了關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律,對(duì)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)點(diǎn)以及典型日條件下的性能進(jìn)行了綜合分析比較。
本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。太陽光被定日鏡聚焦于塔頂吸熱器,轉(zhuǎn)化為900℃左右的高溫。所收集的高溫太陽熱能用于驅(qū)動(dòng)鈣基CO2捕集系統(tǒng)再生過程,再生后的氧化鈣用于捕集余熱鍋爐低溫?zé)煔獾腃O2(碳酸化反應(yīng))。整個(gè)碳酸化反應(yīng)溫度維持在600~700℃,所釋放出的余熱用于與燃?xì)廨啓C(jī)的高溫排煙一起驅(qū)動(dòng)蒸汽朗肯循環(huán)。相較于初始的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán),用于驅(qū)動(dòng)蒸汽朗肯循環(huán)的能量更多,因而蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電量隨之增加。
圖1 塔式太陽能驅(qū)動(dòng)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)煙氣碳捕集系統(tǒng)示意圖
燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)的布雷頓循環(huán)過程為:常壓常溫空氣在壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮至高壓狀態(tài),在燃燒室與燃料混合燃燒升溫,之后高溫高壓煙氣在渦輪內(nèi)膨脹做功,推動(dòng)渦輪高速旋轉(zhuǎn),對(duì)外輸出機(jī)械功。
布雷頓循環(huán)壓縮過程耗功計(jì)算方法[16]如下:
式中:air為空氣質(zhì)量流量;c,air為空氣的定壓比熱容;1、2為分別壓氣機(jī)入口、出口的空氣溫度;c為壓氣機(jī)壓比;c為壓氣機(jī)效率;為空氣的絕熱指數(shù)。
燃燒室內(nèi)的能量平衡關(guān)系式[16]如下:
式中:fuel為燃?xì)獾馁|(zhì)量流量;fuel為燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量;c,gas為煙氣的定壓比熱容;cc為燃燒室的保溫系數(shù);為空燃比;3為燃燒室出口的煙氣溫度。
透平膨脹過程中,其輸出的機(jī)械功表示為
式中:gas為煙氣質(zhì)量流量;4為透平排煙溫度;turb為透平相對(duì)內(nèi)效率;turb為透平膨脹比。
燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)外凈輸出的機(jī)械功為
本文的燃?xì)庹羝?lián)合發(fā)電的蒸汽朗肯循環(huán)為再熱型蒸汽朗肯循環(huán),該過程吸熱量為
汽輪機(jī)內(nèi)工質(zhì)的對(duì)外發(fā)電量表示為
汽輪機(jī)內(nèi)工質(zhì)流量會(huì)隨著負(fù)荷要求變化而波動(dòng),其相對(duì)內(nèi)效率亦會(huì)隨之發(fā)生變化,兩者之間的計(jì)算關(guān)系式[17]為
塔式太陽能聚光集熱鏡場(chǎng)參見圖1。太陽輻射被成千上萬的定日鏡聚焦于塔頂吸熱器之上,輻射能量進(jìn)一步被顆粒以及熔鹽等傳熱工質(zhì)吸收并轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崃浚诒鞠到y(tǒng)中用于驅(qū)動(dòng)鈣基碳捕集的再生過程。
塔式太陽能聚光集熱過程的光熱轉(zhuǎn)化效率計(jì)算公式[15]如下:
塔式太陽能所聚集的高溫?zé)崃坑?jì)算公式為
本文研究的碳捕集系統(tǒng)選用CaO/CaCO3工質(zhì)對(duì)來實(shí)現(xiàn)CO2捕集。具體流程如下:余熱鍋爐尾部的煙氣進(jìn)入鈣基碳捕集系統(tǒng)碳酸化反應(yīng)器,CaO與煙氣中的CO2生成CaCO3,并釋放出600~700℃的熱量,完成CO2捕集;之后的CaCO3于再生爐內(nèi)在900℃左右的高溫下吸熱分解為CaO,并釋放出高濃度CO2用于封存。再生后的CaO重新被用于捕集煙氣中的CO2。反應(yīng)方程式如下:
本研究在Aspen Plus 軟件內(nèi)采用吉布斯自由能反應(yīng)器對(duì)鈣基碳捕集再生/捕集反應(yīng)過程進(jìn)行模擬(如圖2所示),并采用氣固反應(yīng)中較多的PR-BM方法進(jìn)行計(jì)算求解。由此計(jì)算得到不同溫度下CaCO3的反應(yīng)率以及捕集/再生過程中釋放/吸收的熱量。
2.1.1 系統(tǒng)參數(shù)
基于某467MW的典型燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電廠[18],開展了相應(yīng)的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)。該燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電站的主要初始參數(shù)如表1所示?;诒?中參數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算,可得到該電站消耗的燃料量為16.5kg/s,相應(yīng)所產(chǎn)生的CO2量為45.4kg/s。
圖2 鈣基碳捕集再生/捕集反應(yīng)過程模型
表1 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)輪主要參數(shù)
2.1.2 碳捕集過程
純氧化鈣難以直接用于CO2捕集,易于高溫處發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象。一般鈣基碳捕集會(huì)選取氧化鎂作為惰性載體,以減緩高溫再生過程中的燒結(jié)。添加劑氧化鎂和氧化鈣質(zhì)量比可取3:7[19]?;诖?,于Aspen Plus中構(gòu)建鈣基碳捕集模型如圖3所示。
鈣基碳捕集包括碳酸化(煙氣CO2被捕集)以及再生(釋放高濃度CO2用于封存)2個(gè)過程。其中再生過程只要溫度較高,就可保證在較快的反應(yīng)速率下100%再生[19],此處基于Aspen Plus軟件模擬結(jié)果,設(shè)定再生溫度為900℃。碳酸化過程反應(yīng)性能受溫度影響較大,其中CO2捕集率隨溫度變化關(guān)系如圖3所示。參考典型碳捕集電站的CO2捕集率[20],此處選取碳酸化過程的反應(yīng)溫度為650℃,對(duì)應(yīng)的碳捕集率為84.52%。
圖3 鈣基碳捕集碳酸化過程碳捕集效率與溫度關(guān)系
氧化鈣及氧化鎂在碳酸化及再生2個(gè)反應(yīng)過程中循環(huán)。隨著反應(yīng)溫度的變動(dòng),隨之產(chǎn)生顯熱的釋放與吸收。此外,再生放熱后的煙氣溫度較高,而余熱鍋爐的低溫排煙溫度較低,亟需預(yù)熱以避免過多的熱量損耗。由此,在所構(gòu)建的Aspen Plus模型內(nèi)布置2處熱交換器以實(shí)現(xiàn)熱量回收,提升系統(tǒng)綜合性能。基于以上設(shè)計(jì),根據(jù)Aspen Plus計(jì)算得出單位質(zhì)量CO2所需的高溫?zé)崃繛?.477MJ。由此計(jì)算可得,該燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)電站發(fā)電煙氣碳捕集所需的太陽高溫?zé)崃繛?57.75MW。
2.1.3 塔式聚光集熱鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)
本文選用塔式太陽能聚光集熱滿足鈣基碳捕集的高溫?zé)嵝枨?,塔式太陽能聚光集熱相關(guān)參 數(shù)[15]如表2所示。依據(jù)表2數(shù)據(jù)及式(9),可計(jì)算得到設(shè)計(jì)條件下塔式聚光集熱效率為56.8%。基于計(jì)算所得需捕集的CO2總量以及單位質(zhì)量CO2的捕集能耗,可得出單位時(shí)間所需太陽輻射總能量為277.73MW。選取設(shè)計(jì)太陽直射輻射(direct normal irradiance,DNI)為600W/m2,可得到所需塔式太陽能定日鏡的總面積為0.46km2。
表2 塔式太陽能聚光集熱參數(shù)
2.1.4 系統(tǒng)綜合性能
基于塔式太陽能及碳捕集過程的設(shè)計(jì)參數(shù),最終通過計(jì)算可以得到集成系統(tǒng)的發(fā)電功率為509.68MW,其發(fā)電效率達(dá)到63%(總發(fā)電功率/化學(xué)能投入)。為了進(jìn)一步得到系統(tǒng)的綜合性能,將集成系統(tǒng)與原始的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)以及參比系統(tǒng)的性能參數(shù)進(jìn)行比較分析,結(jié)果如圖4所示。其中,參比系統(tǒng)為完全借助化石能源驅(qū)動(dòng)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)煙氣碳捕集過程的發(fā)電系統(tǒng)。相較于原始系統(tǒng),參比系統(tǒng)的總發(fā)電功率從467.25MW降低至361.10MW,效率亦因之從58%降低至45%,其核心的原因在于燃燒釋放的很大一部分能量被用于驅(qū)動(dòng)煙氣的碳捕集過程,導(dǎo)致系統(tǒng)的總發(fā)電功率及性能的下降。與原始系統(tǒng)相比,設(shè)計(jì)系統(tǒng)引入太陽能聚光集熱為碳捕集系統(tǒng)提供能量,因此燃?xì)廨啓C(jī)部分并未受到影響,碳捕集的碳酸化過程為蒸汽朗肯循環(huán)額外供能,因而蒸汽朗肯循環(huán)部分發(fā)電量反而增加??傮w而言,集成系統(tǒng)的總發(fā)電功率為509.68MW,比原始系統(tǒng)高42.43MW,設(shè)計(jì)系統(tǒng)發(fā)電效率為63%,比原始系統(tǒng)高5個(gè)百分點(diǎn)。
上述計(jì)算過程中將系統(tǒng)發(fā)電增量全部歸于燃料投入側(cè),而事實(shí)上系統(tǒng)發(fā)電量的增加是因?yàn)樘柲茌o助碳捕集過程而產(chǎn)生的。因而此處可計(jì)算太陽能的發(fā)電效率為15.27%(系統(tǒng)增發(fā)功率/單位時(shí)間接收太陽直射輻射總量)。相較于典型塔式太陽能熱發(fā)電效率(約20%)[21],太陽能發(fā)電效率相對(duì)較低。但在本系統(tǒng)內(nèi),所引入的太陽能在發(fā)電的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合循環(huán)電站的CO2捕集。若將太陽能的發(fā)電功率(本系統(tǒng)為增發(fā)功率,塔式為發(fā)電功率)折合為碳減排量,則同樣太陽能輸入條件下,本系統(tǒng)碳減排量約為塔式太陽能熱發(fā)電的9.2倍,取得了較好的環(huán)境收益。綜合考慮引入本系統(tǒng)太陽能帶來的增發(fā)電量及環(huán)境收益(碳捕集),可認(rèn)為本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了太陽能的綜合高效利用。
太陽入射角和太陽輻射強(qiáng)度都會(huì)隨時(shí)間變化,塔式太陽能系統(tǒng)最終可以提供的熱量也會(huì)隨之改變。上述研究的塔式太陽能輔助燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電碳捕集系統(tǒng)是在確定的輻照和負(fù)荷條件下完成設(shè)計(jì)的,基于前文,選取華北某地春分日作為典型日,計(jì)算其全天碳捕集量及太陽能增發(fā)功率,結(jié)果如圖5所示。
圖5 不同時(shí)刻輻照、碳捕集量、增發(fā)功率變化趨勢(shì)圖
由圖5可見,隨著時(shí)間推移,太陽輻照于正午時(shí)刻上升至最大值(892.46W/m2),并在下午時(shí)刻隨時(shí)間推移逐漸降低。與之相比,在08:00—11:00期間,碳捕集量隨時(shí)間增加逐漸升高,并在11:00—17:00期間保持在163.31t/h,此后隨時(shí)間增加迅速降低。在08:00—11:00期間,增發(fā)功率隨時(shí)間增加逐漸升高,并在11:00—17:00期間保持在42.42MW,此后隨時(shí)間增加迅速降低。換言之,太陽輻照與碳捕集量和太陽能增發(fā)功率并不同步。
其原因在于,在接近正午時(shí)刻,太陽能直射輻射會(huì)超過額定輻照,進(jìn)而導(dǎo)致塔式集熱量超過電站煙氣碳捕集所需熱能。而此時(shí)可利用固體的鈣基碳捕集以額外再生的方式將多余能量吸收,并在輻照較少、能量供應(yīng)不足時(shí)將這部分再生的CaO釋放出來用于碳捕集和增發(fā)電量,起到類似于儲(chǔ)能的削峰填谷的作用。本系統(tǒng)典型日運(yùn)行中,CaO/CaCO3工質(zhì)對(duì)能量?jī)?chǔ)釋過程如圖6所示。該結(jié)果表明,本系統(tǒng)不僅可以高效利用太陽能量,還可以起到儲(chǔ)能的作用,從而避免太陽能不穩(wěn)定、不連續(xù)的問題對(duì)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能的影響。
圖6 典型日太陽熱能儲(chǔ)釋變化圖
針對(duì)化石能源電站依靠自身能量捕集煙氣CO2面臨的效率損失問題,提出了塔式太陽能輔助燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電煙氣碳捕集系統(tǒng),以某467MW燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)電站為原型進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。相較于依靠化石能源自身捕集CO2的參比系統(tǒng),設(shè)計(jì)系統(tǒng)發(fā)電功率提升148.5MW,發(fā)電效率提升約18個(gè)百分點(diǎn)。與原始系統(tǒng)相比,設(shè)計(jì)系統(tǒng)發(fā)電功率提升42.43MW,發(fā)電效率達(dá)到63%,實(shí)現(xiàn)了84%的CO2排放捕集率。選取華北某地典型年春分日進(jìn)行設(shè)計(jì)系統(tǒng)的變工況計(jì)算,結(jié)果表明:通過在日照充足時(shí)段再生較多的固體吸收劑,實(shí)現(xiàn)碳捕集量在時(shí)段上的轉(zhuǎn)移,系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全天6h以上的額定工況運(yùn)行,累計(jì)碳捕集量達(dá)1452t,累積增發(fā)電量達(dá)381MW·h。
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Design of Calcium-based Carbon Capture System for Gas-Steam Combined Cycle Assisted by Solar Thermal Tower
LIU Lanhua1, WANG Ruilin1, HONG Hui2*
(1. School of Energy and Mechanical Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing 210042, Jiangsu Province, China; 2. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100080, China)
Fossil energy power stations are the largest centralized source of CO2emission, and the carbon emission reduction of fossil energy power stations such as coal and gas is the essential way to achieve carbon neutralization. Compared with other technologies, carbon capture based on the alkali metal has the advantages of high capture efficiency and low reaction energy consumption, but its high regeneration energy consumption will greatly affect the performance of coal-fired power stations. In this paper, a system of gas-steam combined cycle with flue gas carbon capture assisted by solar thermal tower was proposed. Taking a 467MW gas steam combined cycle power plant as the prototype, the system design and performance analysis were carried out. Compared with the original system, the power generation of the designed system was increased by 42.43MW, and the power generation efficiency reached 63%. Compared with the reference system relying on fossil energy to capture carbon dioxide, the designed power generation capacity of the system was increased by 148.5MW, and the power generation efficiency was increased by about 18 percent points. The vernal equinox day was selected as a typical day to analyze the off-design condition of the system. The results show that the system can operate at rated condition for more than six hours a day, the cumulative carbon capture capacity is 1452t, and the cumulative additional power generation is 381MW·h. The proposed system used solar energy to capture carbon dioxide without reducing the power generation efficiency of the power station itself, and realized the zero-carbon emission utilization of fossil energy. In addition, the high-temperature heat released by the calcium-based carbon capture and carbonation process was reused to the gas-steam combined cycle system for power generation to further improve the system performance. The research results can provide new ideas and methods for the multi-energy complementary and comprehensive utilization of renewable energy and fossil energy.
carbon neutralization; solar thermal power generation; calcium-based carbon capture; multi-energy complementation; carbon emission reduction
2021-06-16。
10.12096/j.2096-4528.pgt.21081
TK 51
江蘇省青年自然科學(xué)基金(BK20200731)。
Project Supported by Youth Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20200731).
(責(zé)任編輯 尚彩娟)