李 偲,龔海艇,楊 陽,鄭旭帆

(1.國家能源集團(tuán)泰州發(fā)電有限公司,山東 泰州 253200;2.國家能源集團(tuán)新能源技術(shù)研究院有限公司,北京 102211)

0 引 言

自國務(wù)院頒布《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計(jì)劃2014—2020》以來,我國大力開展能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)改革,效果顯著。但在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)方面,我國仍以煤炭和石油為主,截至2019年,煤炭在一次能源消費(fèi)總量中占比約57.7%,石油約占18.9%,煤炭和石油消費(fèi)占整個能源結(jié)構(gòu)消費(fèi)的比例仍達(dá)76.6%[1]。

2020年11月國網(wǎng)能源研究院發(fā)布的《中國能源電力發(fā)展展望》對碳達(dá)峰、碳中和情景下的中國未來能源電力進(jìn)行深入分析。一次能源低碳化轉(zhuǎn)型明顯,2025年、2035年、2050年、2060年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重分別有望達(dá)到約22%、40%、69%、81%。2035年前后非化石能源總規(guī)模超過煤炭[2]。因此,在未來10 a中,電力部門將在節(jié)能減排方面發(fā)揮重要作用。而根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局公開的信息統(tǒng)計(jì),截至2021年6月底,以燃煤為主的火力發(fā)電量占全國發(fā)電總量仍達(dá)73%[3],未來10 a內(nèi)火力發(fā)電單位規(guī)?；瘻p排CO2才能支撐實(shí)現(xiàn)終端用能碳排放大幅降低。

占據(jù)絕對主導(dǎo)地位的燃煤發(fā)電行業(yè)中減排 CO2是當(dāng)前我國減排的關(guān)鍵,而CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage,碳捕集、利用與封存)是目前實(shí)現(xiàn)這種減排的重要技術(shù)手段。預(yù)計(jì)到2025年,煤電CCUS減排量將達(dá)到600萬t/a,2040年達(dá)到峰值,為2億～5億t/a,隨后保持不變[4]。燃煤電廠加裝CCUS可捕獲90%的碳排放量,使其變?yōu)橐环N相對低碳的發(fā)電技術(shù)。在中國目前裝機(jī)容量中,到2050年仍將有約9億kW運(yùn)行[5],CCUS技術(shù)的部署有助于充分利用現(xiàn)有煤電機(jī)組,適當(dāng)保留煤電產(chǎn)能,避免一部分煤電資產(chǎn)提前退役而導(dǎo)致資源浪費(fèi);現(xiàn)役先進(jìn)煤電機(jī)組結(jié)合CCUS技術(shù)實(shí)現(xiàn)低碳化利用改造是釋放CCUS減排潛力的重要途徑[6]。

技術(shù)適用性標(biāo)準(zhǔn)和成本是影響現(xiàn)役煤電機(jī)組加裝CCUS的主要因素[7],CO2捕集后的壓縮、液化成本占CCUS應(yīng)用成本的1/4,故適用于火電廠的CO2高效壓縮、冷卻、安全存儲成為CCUS技術(shù)推廣應(yīng)用的重要因素。筆者依據(jù)某1 000 MW等級火力發(fā)電廠的50萬t/a規(guī)模煙氣二氧化碳濕法捕集項(xiàng)目,研究適用于火力發(fā)電廠-化工聯(lián)合體的CO2氣體壓縮、液化及冷卻工藝,對所需的CO2壓縮機(jī)、冷凍液化機(jī)等設(shè)備選型進(jìn)行比型分析,探討不同等級、不同區(qū)域火力發(fā)電廠工業(yè)運(yùn)行實(shí)際對CCUS裝置CO2氣體壓縮系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

1 某1 000 MW等級火力發(fā)電廠50萬t/a規(guī)模CCUS項(xiàng)目簡介

華東某1 000 MW級燃煤火力發(fā)電廠50萬t/a規(guī)模CCUS項(xiàng)目為“二氧化碳捕集與資源化能源化利用技術(shù)研究及示范項(xiàng)目”,基于本項(xiàng)目研究形成50萬t級CCUS低能耗技術(shù)集成方案,并在此基礎(chǔ)上積極開展火電企業(yè)CCUS技術(shù)實(shí)施路徑及策略研究,為現(xiàn)役/新建燃煤電廠深度耦合百萬噸級CCUS全流程提供參考。

項(xiàng)目依托火電廠廠區(qū)條件建設(shè),CO2捕集工藝為液態(tài)醇胺化學(xué)吸收法,設(shè)計(jì)捕集率超過90%,工藝所需用電、蒸汽、冷卻水等均為電廠產(chǎn)品或自制,抽取煙囪入口前經(jīng)超低排放處理的近零煙氣,通過水洗、吸收、再生、壓縮、干燥、液化、精制等工藝,生成液態(tài)CO2通過槽罐車、船運(yùn)、管道等運(yùn)輸方式銷售,產(chǎn)品用途主要有驅(qū)油、加氫制甲醇、焊接保護(hù)及食品行業(yè)應(yīng)用等。

經(jīng)捕集裝置再生后進(jìn)壓縮系統(tǒng)前的CO2氣體具有純度高(98%以上)、溫度高(45 ℃)、濕度大(含水率5%)特點(diǎn),且含有微量N2、O2、SOx、Ox及粉塵雜質(zhì),壓縮系統(tǒng)一般指升壓、干燥、液化工序所需設(shè)備,考慮到電廠運(yùn)行工況變化,壓縮系統(tǒng)裝置按照額定生產(chǎn)能力50%～110%平穩(wěn)運(yùn)行設(shè)計(jì),裝置設(shè)計(jì)最大負(fù)荷為正常的110%,裝置連續(xù)年操作時(shí)間8 000 h。

2 CO2氣體壓縮、液化工藝

為便于運(yùn)輸和使用,產(chǎn)品CO2生產(chǎn)中一般將其制成液體或固體產(chǎn)品。理論上,CO2達(dá)到臨界溫度31.06 ℃以下,在特定壓力下即可液化,壓力越高,液化溫度越高。但不同來源CO2原料氣中的雜質(zhì)及含量不同,液化后對產(chǎn)品質(zhì)量有重大影響。依據(jù)原料氣來源不同,可分成不同生產(chǎn)工藝路線,需根據(jù)具體情況選擇不同的凈化方法和液化條件。

一般來說,CO2液化生產(chǎn)工藝主要按系統(tǒng)壓力不同分為高壓法、中壓法和低壓法[8]。

1)高壓法。將原料CO2氣體通過壓縮機(jī)提壓至7.28 MPa(臨界壓力)以上高壓,充入鋼瓶,用低于31.4 ℃(臨界溫度)冷卻水噴淋使瓶內(nèi)氣體液化。該方法工藝簡單、流程短、不需制冷機(jī)、操作方便。但加壓后直接裝瓶,產(chǎn)品不經(jīng)凈化過程,導(dǎo)致CO2產(chǎn)品純度低、雜質(zhì)多,只用于一般工業(yè)用途。如果加壓后凈化,則凈化過程設(shè)備需在8 MPa高壓下操作,設(shè)備投資成倍增加,操作危險(xiǎn)性增加。液化只能在鋼瓶中進(jìn)行,無法存儲于大型儲罐,更不能裝入槽車進(jìn)行遠(yuǎn)途運(yùn)輸,嚴(yán)重限制了大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

燃煤火電廠CO2排放總量大,CO2捕集項(xiàng)目年產(chǎn)量一般都在萬噸級以上,高壓法因產(chǎn)能限制不適用于燃煤火電廠項(xiàng)目。

2)中壓法。中壓法適合于生產(chǎn)CO2純度≥90%的原料氣。系統(tǒng)壓力為2.5～4.5 MPa,用制冷機(jī)冷卻至-20 ℃液化,得到液體CO2。由于該工藝對原料氣適應(yīng)性較廣(原料氣品質(zhì)波動對產(chǎn)品質(zhì)量影響較小),目前被國內(nèi)大多數(shù)CO2生產(chǎn)企業(yè)采用。較高壓法而言,雖然增加了一套制冷系統(tǒng),操作復(fù)雜,但中壓法可大幅減少二氧化碳壓縮機(jī)的電耗。在投資方面,高壓壓縮機(jī)價(jià)格比中壓壓縮機(jī)高2.6倍,遠(yuǎn)超中壓壓縮機(jī)和制冷機(jī)價(jià)格總和。故中壓法可降低成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。所得液體CO2產(chǎn)品可用管道輸送到儲罐中,便于大規(guī)模儲存和裝車運(yùn)輸。

采用中壓法,CO2原料氣經(jīng)壓縮、冷卻、干燥脫水、吸附脫除微量飽和水、吸附脫除雜質(zhì)、冷凝液化、精餾分離脫低沸點(diǎn)組分,塔釜即可制得純度≥99.99%的高純度食品級液體CO2。

目前,國內(nèi)火電廠已投或在建10萬t/a及以上CO2捕集項(xiàng)目均采用濕式化學(xué)吸收法,再生裝置出口CO2純度可保證≥90%。較高純度的CO2產(chǎn)品除驅(qū)油(地下封存)外,還可廣泛應(yīng)用于化工產(chǎn)品生產(chǎn)、工業(yè)焊接生產(chǎn),中壓法后精制處理的CO2還可應(yīng)用于食品生產(chǎn)行業(yè),此類用途的CO2對于壓力要求一般在2 MPa左右,因此,中壓法是目前火電廠CO2捕集項(xiàng)目的主流氣體壓縮方法。

3)低壓法。該工藝適合CO2純度≥98%的原料氣生產(chǎn)。系統(tǒng)壓力為1.8 MPa,CO2液化溫度≤-35 ℃。雖然該工藝制冷系統(tǒng)較復(fù)雜,但由于壓縮機(jī)功耗低,設(shè)備耐壓要求低,投資較低。然而,由于該工藝所允許的原料氣品質(zhì)波動范圍很窄,生產(chǎn)條件較苛刻,只適用于原料氣純度較高,且雜質(zhì)基本以水溶性含氧有機(jī)物為主的酒精廠發(fā)酵氣生產(chǎn)工藝。

作為火電廠CO2捕集項(xiàng)目主流工藝的濕式化學(xué)吸收法,如選取高效醇胺吸收劑,工藝上再生裝置出口CO2純度達(dá)98%以上難度不大[9],以選取樣本火電廠為例,其壓縮機(jī)入口CO2純度即為98%,此品質(zhì)CO2經(jīng)簡單精餾即可作為食品級CO2。因此,燃煤電廠CO2捕集項(xiàng)目如以食品CO2作為主要產(chǎn)品,可選取低壓法為氣體壓縮方法。

3 化工領(lǐng)域CCUS項(xiàng)目設(shè)備選型特點(diǎn)

近年來,全球范圍內(nèi)規(guī)模化CCUS項(xiàng)目數(shù)目增多,根據(jù)《清潔高效燃煤發(fā)電技術(shù)》2022年發(fā)布的《CCUS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景》,截至2020年底,全球已投運(yùn)的28個大型CCUS工業(yè)示范項(xiàng)目中,26個項(xiàng)目碳捕集類型為工業(yè)分離,集中在天然氣處理、化工生產(chǎn)、煉油及制氫等化工行業(yè),僅2個項(xiàng)目為電力行業(yè)的燃燒后捕集類型。目前國內(nèi)最大規(guī)模的齊魯化工-勝利油田百萬噸級CCUS項(xiàng)目也是應(yīng)用于齊魯化工生產(chǎn)過程中排放的CO2捕集提純。

化工生產(chǎn)特別是石化生產(chǎn)由于連續(xù)、穩(wěn)定、規(guī)模大的生產(chǎn)特性,使CCUS裝置設(shè)備在選型時(shí),具有以下特點(diǎn):

1)捕集、提純工藝簡單。化工單位原料煙氣一般為化學(xué)品生產(chǎn)尾氣,CO2體積分?jǐn)?shù)在60%～90%[10],含一定雜質(zhì)。齊魯石化-勝利油田CCUS項(xiàng)目為例,氣源為齊魯石化第二化肥廠煤氣化裝置尾氣,CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)90%。來料氣較高的CO2濃度使提純工序僅需簡單的閃蒸罐設(shè)備等即可完成。

2)不需頻繁調(diào)節(jié)工況?；どa(chǎn)在階段生產(chǎn)周期內(nèi)一般為定量定產(chǎn),CCUS裝置來料氣源流量、參數(shù)穩(wěn)定,設(shè)備不需頻繁調(diào)節(jié)工況。

3)具備穩(wěn)定的動力蒸汽來源。化工生產(chǎn)單位一般要建立蒸汽鍋爐或自備電廠,產(chǎn)出蒸汽參數(shù)在200～300 ℃、1～2 MPa[11],作為CCUS裝置風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等傳統(tǒng)電耗大戶動力源,節(jié)能效果較好。

4)遠(yuǎn)程集中控制要求低。化工安全生產(chǎn)的原則要求從業(yè)人員不能過多依靠遠(yuǎn)程集中控制,生產(chǎn)設(shè)備的操作、調(diào)整、故障處理需以人員實(shí)際確認(rèn)為主?；挝籆CUS裝置運(yùn)行可融入化工生產(chǎn)管理體系,無需增加單獨(dú)的遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)。

4 火電廠與化工單位CCUS項(xiàng)目設(shè)備的選型差異

相對化工企業(yè)CO2捕集設(shè)備選型,火電廠CO2捕集設(shè)備的選型受到機(jī)組運(yùn)行影響,具有特殊性。

4.1 原料煙氣總量大

以本文1 000 MW級火電機(jī)組為例,該CCUS項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力為處理發(fā)電機(jī)組排放煙氣量的10%,年捕集CO2量即可達(dá)到50萬t,如按100%煙氣處理量計(jì),CCUS裝置處理能力需達(dá)500萬t/a,僅為單臺機(jī)組捕集量,若該火電機(jī)組所屬電廠的4臺1 000 MW火電機(jī)組均參與CO2捕集,即使按50%捕集量設(shè)計(jì),單個火電廠CO2捕集量需達(dá)1 000萬t/a。

目前國內(nèi)化工單位已投運(yùn)的CO2捕集裝置,量級基本都在20萬t/a以下,2022年1月投運(yùn)的齊魯石化-勝利油田百萬噸碳捕集和驅(qū)油示范項(xiàng)目,年處理能力僅為100萬t。CCUS技術(shù)成熟后,推廣應(yīng)用單個火電廠CCUS裝置需壓縮處理的CO2氣體量遠(yuǎn)超化工企業(yè),傳統(tǒng)化工企業(yè)CO2壓縮機(jī)的選型經(jīng)驗(yàn)無法生搬硬套至火電行業(yè)。

4.2 原料氣供應(yīng)不穩(wěn)定

根據(jù)國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于開展全國煤電機(jī)組改造升級的通知》(發(fā)改運(yùn)行〔2021〕1519號):現(xiàn)役機(jī)組純凝工況調(diào)峰能力一般要求最小發(fā)電出力達(dá)到35%額定負(fù)荷,采暖熱電機(jī)組在供熱期運(yùn)行時(shí)通過熱電解耦力爭實(shí)現(xiàn)單日6 h最小發(fā)電出力達(dá)到40%額定負(fù)荷的調(diào)峰能力?；痣姍C(jī)組40%額定負(fù)荷以下深度調(diào)峰工況運(yùn)行已成為常態(tài),在華北、華東電網(wǎng)等地區(qū)火電機(jī)組中,已在推行20%額定負(fù)荷深度調(diào)峰。

火電機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí),在數(shù)小時(shí)內(nèi)機(jī)組負(fù)荷波動可達(dá)額定負(fù)荷的60%～80%,火電機(jī)組煙氣排放量波動極大,最低時(shí)煙氣量低至額定量的1/3以下,調(diào)峰結(jié)束后機(jī)組煙氣排放量即恢復(fù)至額定量的90%以上。這種短時(shí)大幅波動是目前火電機(jī)組常態(tài),與化工設(shè)備所需的穩(wěn)定工況要求相反。

原料氣源供應(yīng)不穩(wěn)定,必然會導(dǎo)致CO2壓縮機(jī)處理氣量不穩(wěn)定。對于大容量機(jī)組而言,以選取1 000 MW級火電機(jī)組為例,該CCUS項(xiàng)目CO2年捕集量為50萬t,按照90%捕集率折算,每分鐘捕集至CO2壓縮機(jī)入口的體積為583.3 m3,火電機(jī)組額定工況下CO2排放總量為5 800 m3/min,CO2捕集裝置僅需處理機(jī)組滿負(fù)荷工況下10%的煙氣量即可。如機(jī)組進(jìn)行20%額定負(fù)荷深度調(diào)峰,CO2排放量仍可達(dá)1 160 m3/min,遠(yuǎn)超項(xiàng)目設(shè)計(jì)的583.3 m3/min滿額處理量,CO2壓縮機(jī)可始終保持高效率滿負(fù)荷運(yùn)行;如將CCUS裝置擴(kuò)容至100萬t/a,以90%捕集率計(jì),發(fā)電機(jī)組20%負(fù)荷深度調(diào)峰時(shí),CO2壓縮機(jī)入口將出現(xiàn)工質(zhì)短缺,壓縮機(jī)需降參數(shù)運(yùn)行,壓縮機(jī)驅(qū)動裝置將無法保持在最高效率點(diǎn),導(dǎo)致CO2捕集單位能耗上升,且頻繁調(diào)整工況也會影響壓縮機(jī)的使用壽命和安全性;若600 MW以下等級火電機(jī)組(此類機(jī)組在火電機(jī)組中占比過半)采用100萬t/a捕集能力的CCUS裝置,可推算出發(fā)電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行對捕集裝置的影響更顯著。

隨CO2捕集技術(shù)逐步成熟,火電機(jī)組煙氣將實(shí)現(xiàn)50%乃至100%的CO2捕集,為適應(yīng)發(fā)電機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行,CO2捕集系統(tǒng)的壓縮機(jī)對于變工況運(yùn)行的適應(yīng)性、可調(diào)節(jié)性顯得尤為重要。

4.3 動力蒸汽源不穩(wěn)定

化工企業(yè)自備小型鍋爐長期供應(yīng)穩(wěn)定的低參數(shù)蒸汽,從能源利用節(jié)約成本角度考慮其裝置動力源一般選取蒸汽動力,背壓式小汽輪機(jī)是化工企業(yè)設(shè)備的主流動力裝置[12]。而以發(fā)電為主的燃煤火電廠提供的高/低參數(shù)蒸汽的流量、壓力及溫度,隨機(jī)組運(yùn)行工況調(diào)整波動較大。

以本文1 000 MW級火電機(jī)組為例,設(shè)計(jì)初期對機(jī)組能夠提供的汽源進(jìn)行了詳細(xì)核算。

1)2臺鄰機(jī)汽動引風(fēng)機(jī)排汽。汽動引風(fēng)機(jī)排汽參數(shù)見表1,發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)引風(fēng)機(jī)排汽回汽機(jī)除氧器,可部分排擠除氧器抽汽。根據(jù)運(yùn)行參數(shù),機(jī)組70%負(fù)荷以下時(shí),可抽蒸汽量約100 t/h,參數(shù)為0.67 MPa/301 ℃,為保證蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)做功后仍可滿足再生裝置工作(0.4 MPa、144 ℃、75 t/h),壓縮機(jī)需削減輸出功率,限制CO2捕集裝置整體出力[13]。經(jīng)統(tǒng)計(jì),機(jī)組70%額定負(fù)荷以下運(yùn)行時(shí)間占機(jī)組總運(yùn)行時(shí)間的30%左右,此種波動以1 d為周期。如選取此路汽源,無法保證壓縮機(jī)出力穩(wěn)定。

表1 汽動引風(fēng)機(jī)排汽參數(shù)Table 1 Steam exhaust parameters of steam driven induced draft fan

2)供熱汽源。該火電廠自4臺機(jī)組抽汽匯總后對外供熱,約70 t/h左右,運(yùn)行壓力1.5 MPa(a),運(yùn)行溫度280 ℃;設(shè)計(jì)壓力1.8 MPa(g),設(shè)計(jì)溫度300 ℃。此路蒸汽流量無法滿足壓縮機(jī)做功需求(150 t/h)。

3)汽機(jī)中壓缸排汽。汽機(jī)中壓缸排汽參數(shù)見表2,可知中壓缸排汽壓力不能滿足本工程脫碳捕集的蒸汽壓力需求。

表2 某1 000 MW火電廠汽機(jī)中壓缸排汽Table 2 Exhaust steam from the steam turbine medium pressure cylinder of a 1 000 MW thermal power plant

4)汽機(jī)二次再熱冷段。二次再熱冷段參數(shù)見表3,二次再熱冷段壓力較高,為高壓缸排汽,但二次再熱冷端抽取蒸汽量較大時(shí),可能引起鍋爐二次再熱器超溫,另外此路汽源壓力較高,經(jīng)濟(jì)性差。

表3 二次再熱冷段參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Parameter statistics of secondary reheat cold section

樣本項(xiàng)目在最終設(shè)計(jì)中,為保證壓縮機(jī)穩(wěn)定安全運(yùn)行,壓縮機(jī)選擇純電驅(qū)輔以變頻調(diào)節(jié)。火電廠壓縮機(jī)動力源的選擇,需結(jié)合電廠主產(chǎn)業(yè)實(shí)際設(shè)計(jì),如電廠為供熱機(jī)組或有合適參數(shù)的抽汽來源,且供汽量穩(wěn)定不受調(diào)峰運(yùn)行影響,選取汽動或汽電雙驅(qū)作為動力可有效降低CO2捕集裝置的單位生產(chǎn)成本,且對于電廠整體而言,也是節(jié)能降耗的優(yōu)選。

4.4 裝置冷卻對發(fā)電機(jī)組的影響

壓縮、液化設(shè)備需消耗大量冷卻水,以樣本項(xiàng)目為例,壓縮、液化所需冷卻水量約3 200 t/h。冷卻水一般升溫至42 ℃左右,該部分余熱屬于低品位熱,一般可用于化工單位化工原料預(yù)熱,電廠單位對這部分余熱利用比較困難。

為保證壓縮、液化裝置冷卻水≤32 ℃,北方地區(qū)一般采用空冷塔對其冷卻,空冷塔新增用電變相提高了電廠廠用電率;南方高溫地區(qū)需通過發(fā)電機(jī)組循環(huán)水對冷卻水進(jìn)行冷卻,或?qū)l(fā)電機(jī)組循環(huán)水直接作為CO2捕集系統(tǒng)的直接冷源,新增冷卻水量提高了火電廠循環(huán)水泵用電,也變相提高了廠用電率[14]。

火電廠CO2捕集裝置的冷卻裝置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合電廠運(yùn)行實(shí)際綜合考慮,以CO2壓縮機(jī)為例,壓縮機(jī)一般采用三級冷卻,每級冷卻裝置出口冷卻水溫升至42 ℃左右,該部分低品位熱可用于加熱機(jī)組低溫省煤器入口來水、凝汽器補(bǔ)水等。冷卻裝置應(yīng)結(jié)合電廠系統(tǒng)協(xié)調(diào)布置,設(shè)計(jì)時(shí)確認(rèn)冷卻器的冷熱邊界條件,方便電廠設(shè)備充分利用捕集裝置余熱。

5 CO2氣體升壓設(shè)備選型

CO2升壓需使用壓縮機(jī),按照工作原理,壓縮機(jī)分為容積式和動力式[15]。容積式壓縮機(jī)具有容積可周期性變化的工作腔,工作時(shí)通過縮小氣體容積提高壓力,包括往復(fù)式(如活塞式、隔膜式)和回轉(zhuǎn)式(如螺桿式、羅茨式、滑片式等)。動力式壓縮機(jī)具有驅(qū)動氣體獲得流動速度的葉輪,通過提高氣體流動速度,從而增加氣體動能,有序降低氣流速度,使動能轉(zhuǎn)化為壓力能,同時(shí)氣體體積相應(yīng)減小,包括透平式(如離心式、軸流式和混流式)和噴射式。主要壓縮機(jī)的實(shí)用范圍[16]如圖1所示。

圖1 壓縮機(jī)的適用范圍Fig.1 Applicable scope of compressor

選取樣本項(xiàng)目設(shè)計(jì)CO2需處理氣量為35 000 m3/h(583.3 m3/min,標(biāo)況下),壓縮機(jī)進(jìn)口吸氣壓力0.13 MPa,出口壓力2.6 MPa,冷卻水源采用預(yù)處理長江水,出口CO2溫度小于42 ℃。對照圖1,往復(fù)式、離心式和螺桿式均可滿足出口壓力使用要求,但壓縮機(jī)的選取還需結(jié)合生產(chǎn)造價(jià)、場地布置、出力調(diào)節(jié)、維護(hù)陳本等綜合考慮[17],通過調(diào)研國內(nèi)知名的往復(fù)式、螺桿式和離心式壓縮機(jī)的廠家,對3種壓縮機(jī)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,具體見表4,可知螺桿壓縮機(jī)設(shè)備價(jià)格最低,但單臺螺桿壓縮機(jī)處理量無法達(dá)到設(shè)計(jì)值17 250 m3/h,需4臺壓縮機(jī),增大了廠房占地面積和總耗電量。出口壓力達(dá)2.5 MPa(g),無油螺桿壓縮機(jī)價(jià)格昂貴,廠家普遍采用微油的螺桿壓縮機(jī),對于食品級CO2產(chǎn)品,增加了部分雜質(zhì),須單設(shè)油吸附系統(tǒng),增加運(yùn)維成本。往復(fù)式壓縮機(jī)應(yīng)用廣泛,其價(jià)格、運(yùn)行費(fèi)用和占地面積均適中,但運(yùn)行維護(hù)周期較短,易損件、定期工作較多,維護(hù)工作量大。離心壓縮機(jī)占地面積小、功率小,但設(shè)備價(jià)格最高。對于本項(xiàng)目的流量出口壓力,其效率較高,運(yùn)行費(fèi)用低,與往復(fù)式壓縮機(jī)相比,3.6 a節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用可抵消設(shè)備價(jià)格的差異。且離心式壓縮機(jī),易損件少,正常運(yùn)行周期長。通過電機(jī)變頻調(diào)節(jié),每臺離心式壓縮機(jī)最小流量可降至13 800 m3/h,輔助回流調(diào)節(jié)最小流量可達(dá)8 350 m3/h,通過變頻調(diào)節(jié)流量時(shí)更加節(jié)能,適合產(chǎn)品負(fù)荷變化較大的情況。綜合考慮,本工程最終選取使用離心式壓縮機(jī)。

6 CO2氣體干燥設(shè)備選型

CO2氣體壓縮過程中溫度升高,壓縮機(jī)每級之間設(shè)有冷凝器和氣液分離器,壓縮過程除去部分水后,仍含有飽和的水蒸氣。后續(xù)液化過程中,在低溫條件下,水會與CO2結(jié)合形成一種松散冰狀或致密雪狀的水合物,這種水合物會造成設(shè)備或管道堵塞,很難處理。因此,需對原料CO2氣體進(jìn)行干燥提純處理,結(jié)合產(chǎn)品用戶的質(zhì)量需求,一般要求干燥處理后常壓水露點(diǎn)達(dá)-40 ℃以下。

根據(jù)樣本項(xiàng)目操作彈性和預(yù)期的產(chǎn)品銷量,設(shè)置2套CO2干燥系統(tǒng),每套處理能力25萬t/a。產(chǎn)品銷量較少時(shí),只開1套設(shè)備。CO2氣體壓縮前后,產(chǎn)品含水量要求見表5。

表5 CO2含水量Table 5 CO2 moisture content

液體CO2含水量對應(yīng)的露點(diǎn)為≤-40 ℃,可使用氧化鋁或分子篩吸附劑脫水。氧化鋁顆粒具有許多毛細(xì)孔道,表面積大;分子篩是結(jié)晶狀的硅鋁酸或硅酸鹽,具有均勻的微孔結(jié)構(gòu)。二者均具有較好的水吸附能力,結(jié)合已建項(xiàng)目的吸附劑使用經(jīng)驗(yàn),分子篩對原料CO2氣體中的醇類、粉塵類具有較好的抗污染性,因此選取分子篩為脫水吸附劑。此外,分子篩中含有電價(jià)較低且離子半徑較大的金屬離子及化合態(tài)水。加熱后,水分子連續(xù)去除,但晶體骨架結(jié)構(gòu)保持不變,形成了許多大小相同的空腔。這些空腔相互連接,并有很多直徑相同的微孔。這些均勻大小的微孔可吸附比孔道直徑小的分子,并將比孔道大的分子排斥在外,因此分子篩具有分離不同形狀、大小、極性和飽和度分子的特性。分子篩對極性、不飽和化合物和易極化分子特別是水有很強(qiáng)的親和力,可將水吸附后脫除。

分子篩脫水主要有2種工藝流程:變壓再生工藝(雙塔流程)和變溫再生工藝(三塔流程)[18]。

1)變壓再生工藝流程。常稱為雙塔工藝流程的變壓再生工藝,涉及2個塔的運(yùn)作。一個塔用于脫水操作,另一個塔則負(fù)責(zé)吸附劑分子篩的再生和冷卻。工藝流程如圖2所示。

圖2 變壓再生工藝流程Fig.2 Pressure swing regeneration process flow

干燥塔負(fù)責(zé)充壓脫水,再生塔負(fù)責(zé)泄壓再生。干燥過程:經(jīng)壓縮機(jī)壓縮升壓后的CO2進(jìn)入脫水工作塔,為降低進(jìn)氣對吸附劑堆料的干擾,壓縮氣需自上而下進(jìn)入吸附塔,經(jīng)吸附劑脫水后至制冷單元。再生過程:抽取部分干燥后的CO2氣泄壓回再生塔,通過加熱器預(yù)熱后自下而上進(jìn)入再生塔,對含水飽和的分子篩堆料熱吹吸水,吸水后的再生氣經(jīng)冷卻后去氣液分離器,通過離心力及重力分離水分后返回壓縮機(jī)入口,熱吹脫水后的分子篩還需通過未經(jīng)加熱的干燥CO2冷吹降溫后才能具備較好的吸附能力。完成再生后的再生塔,即可轉(zhuǎn)為干燥塔進(jìn)入吸附流程,此時(shí)其底部分子篩床層的干燥程度決定了流出床層的干氣質(zhì)量,故再生流程中再生氣進(jìn)入再生塔需保證自下而上的流動方向,確保底部分子篩床層完全再生。

2)變溫再生工藝。變溫再生工藝流程即三塔工藝流程,工藝流程如圖3所示。

圖3 變溫再生工藝流程Fig.3 Variable temperature regeneration process flow

原料氣經(jīng)干燥塔脫水、再生塔中吸附劑加熱再生,2個過程在相同壓力下完成。干燥過程:經(jīng)壓縮機(jī)壓縮升壓后CO2進(jìn)入脫水工作塔,為降低進(jìn)氣對吸附劑堆料干擾,壓縮氣需自上而下進(jìn)入吸附塔,經(jīng)吸附劑脫水后至制冷單元。再生過程:再生用氣既可選擇壓縮機(jī)出口未經(jīng)干燥的壓縮CO2氣體,也可選擇抽取部分已脫水干燥的CO2氣體,再生用氣進(jìn)入吸附塔前,分為再生氣和冷吹氣2部分。變溫再生工藝含加熱、冷吹2個步驟:熱吹用再生氣通過預(yù)吸附塔部分干燥后進(jìn)入加熱器,升溫至設(shè)計(jì)溫度后自下而上穿透再生塔,分子篩吸附劑受熱后,吸附的水解吸出來實(shí)現(xiàn)分子篩的干燥再生。再生氣攜帶水分出再生塔后,經(jīng)冷卻進(jìn)入氣液分離器,通過離心力及重力分離水分后,與主原料氣匯合,最后進(jìn)入干燥塔脫水。冷吹時(shí),冷吹氣由頂部自上而下進(jìn)入再生塔,冷卻分子篩至常溫,冷吹后的氣體經(jīng)加熱器加熱后至預(yù)吸附塔加熱再生其塔內(nèi)吸附劑,預(yù)吸附塔出來的冷吹氣送往冷卻器及氣液分離器,再送往干燥塔入口。

兩塔和三塔工藝的對比見表6,可知:① 變壓再生工藝中干燥、再生塔頻繁互換,過程中充壓和泄壓導(dǎo)致分子篩床層松動,使分子篩顆粒出現(xiàn)流動摩擦磨損,縮短分子篩使用壽命,導(dǎo)致氣體粉塵含量增加,影響氣體品質(zhì)及后續(xù)制冷單元的正常運(yùn)行。而變溫再生塔內(nèi)壓力不變,分子篩床層松動可能性降低,避免了顆粒磨損帶來的危害[19]。② 變壓再生工藝再生壓力低,再生溫度低(150 ℃左右),氣體加熱器能耗低,吸附劑壽命影響小;變溫再生壓力為壓縮機(jī)出口壓力(2 MPa左右),再生溫度高(210 ℃以上),氣體加熱器能耗高,吸附劑壽命影響大。③ 變壓再生工藝的再生氣壓力低,含水再生氣放空或返回壓縮機(jī)入口再次壓縮升壓,浪費(fèi)產(chǎn)能,增加了壓縮機(jī)能耗;變溫再生工藝的再生氣也是系統(tǒng)壓力,避免了變壓工藝的浪費(fèi)問題。④ 變壓再生工藝由于分子篩粉化,干燥塔出口過濾器易堵塞,影響正常生產(chǎn),分子篩壽命僅2 a左右;變溫再生工藝可運(yùn)行3 a以上,減少了更換損失及檢修成本。⑤ 變溫再生工藝的產(chǎn)品氣露點(diǎn)穩(wěn)定,可長時(shí)間保持在-30 ℃以下,變壓再生工藝產(chǎn)品氣露點(diǎn)波動較大。

表6 兩塔和三塔工藝對比Table 6 Comparison of two towers and three towers processes

綜合對比變溫再生與變壓再生工藝可知,變溫再生工藝更適合大氣量、品質(zhì)要求高的CO2氣體干燥工序。本項(xiàng)目采用兩干燥塔+預(yù)干燥塔脫水的三塔流程。設(shè)計(jì)切換周期為8 h,其中熱吹時(shí)間為5 h,冷吹時(shí)間為3 h。需要1臺干燥塔吸附、1臺干燥塔再生(預(yù)干燥塔輔助再生)。整個吸附與再生過程均在DCS上通過程序控制完成。

7 CO2液化設(shè)備選型

CO2氣體經(jīng)壓縮壓縮機(jī)后,根據(jù)氣體壓強(qiáng)公式:

PV=nRT,

(1)

式中:P為壓強(qiáng),Pa;V為氣體體積,m3;T為溫度,K;n為氣體物質(zhì)的量,mol;R為摩爾氣體常數(shù)(普適氣體恒量),8.314 J/(mol·K)。

氣體體積與壓力呈反比,因設(shè)置冷卻裝置,壓縮前后溫度基本維持42 ℃不變,但壓力由0.1 MPa提升至2.6 MPa,氣體體積被壓縮了26倍,但在此溫度下CO2仍處于氣態(tài),與液態(tài)相比體積偏大(CO2液態(tài)與氣態(tài)體積比為1∶557),體積過大嚴(yán)重影響CO2的貯存及運(yùn)輸成本[20],因此干燥后的產(chǎn)品氣需通過制冷機(jī)系統(tǒng)液化,進(jìn)一步壓縮體積。本項(xiàng)目液化單元進(jìn)氣組成見表7。

表7 液化單元進(jìn)氣組成Table 7 Composition of liquefaction unit intake air

制冷系統(tǒng)中CO2氣體冷卻液化相變通過制冷劑朗肯循環(huán)實(shí)現(xiàn),其工作原理為:在CO2液化器內(nèi)吸熱蒸發(fā)出的制冷劑氣體,被制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)吸入使其壓縮后升溫升壓,而后高溫高壓制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器,通過循環(huán)冷卻水使高壓氣態(tài)制冷劑降溫并相變成為高壓制冷劑液體,降溫的液態(tài)制冷劑通過膨脹閥節(jié)流后再次進(jìn)入CO2液化器,在液化器內(nèi)降壓蒸發(fā)并吸收殼層的CO2氣體熱量,制冷劑吸熱變成氣態(tài)返回壓縮機(jī)進(jìn)入下一循環(huán),殼層的氣態(tài)CO2被吸熱后溫度降至液化溫度以下相變?yōu)橐簯B(tài)CO2,在壓力推動下送往儲存單元。制冷劑選用R507A,不含任何破壞臭氧層的物質(zhì)。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)年產(chǎn)工業(yè)級CO240萬t、食品級CO210萬t。工業(yè)級CO2液化部分制冷負(fù)荷為5 200 kW,食品級CO2液化所需制冷量為1 350 kW。2部分CO2液化溫度均為-20 ℃,可選用蒸發(fā)溫度-25 ℃的制冷機(jī)組。食品級CO2精餾過程中,塔頂冷凝器內(nèi)液化溫度為-28 ℃,制冷負(fù)荷150 kW,需使用-30 ℃制冷機(jī)組。綜合比較總制冷負(fù)荷和設(shè)備投資,選用3臺制冷機(jī)組,工業(yè)級CO2液化選用2臺制冷機(jī)組,根據(jù)產(chǎn)銷情況靈活調(diào)整運(yùn)行,食品級CO2液化和精餾選用1臺制冷機(jī),參數(shù)見表8。

表8 制冷機(jī)參數(shù)Table 8 Parameters of refrigeration machine

項(xiàng)目制冷機(jī)機(jī)組成撬提供,CO2直接在撬塊內(nèi)液化,減少了換熱器數(shù)量和管道,-30 ℃以下制冷機(jī)在國內(nèi)屬成熟產(chǎn)品,各品牌國產(chǎn)制冷機(jī)在化工領(lǐng)域有大量應(yīng)用,已形成較為完備的產(chǎn)品系列,本文對制冷機(jī)選型不做詳細(xì)分析。項(xiàng)目所在地區(qū)水資源豐富,直接利用發(fā)電機(jī)組循環(huán)水冷卻,節(jié)省了新建冷卻塔的建設(shè)備用。

8 結(jié) 論

1)火電廠CCUS項(xiàng)目壓縮、液化設(shè)備在選型時(shí)需充分考慮單臺機(jī)容量、能耗、占地、造價(jià)、運(yùn)維成本等,選定合適容量和數(shù)量,使壓縮、液化設(shè)備在日常運(yùn)行中始終處于最高效率點(diǎn),降低壓縮、液化設(shè)備單位能耗。

2)CCUS裝置的大型化有助于降低CO2捕集單位能耗。為保證火電廠排放煙氣中CO2捕集率,百萬噸級以上規(guī)模的CCUS裝置已成為各發(fā)電集團(tuán)的科技攻關(guān)項(xiàng)目。與大容量壓縮設(shè)備所需穩(wěn)定運(yùn)行條件對應(yīng)的是火電廠波動性極強(qiáng)的調(diào)峰運(yùn)行,因此火電廠CCUS項(xiàng)目在CO2壓縮機(jī)選型時(shí)需根據(jù)電廠是否為調(diào)峰運(yùn)行機(jī)組、調(diào)峰運(yùn)行深度、機(jī)組發(fā)電容量等選擇合適的機(jī)型及動力源。

3)火電廠CCUS項(xiàng)目對壓縮系統(tǒng)設(shè)備的配置,應(yīng)充分考察CO2氣體市場需求類型,若產(chǎn)品氣通過管道運(yùn)輸用于油田驅(qū)油或封存,可取消壓縮系統(tǒng)液化設(shè)備,降低工程造價(jià);若產(chǎn)品氣作為食品級CO2出售,則必須配備精制裝置,壓縮機(jī)密封還要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)以防潤滑油或密封氣體混入CO2造成污染。

4)與化工單位設(shè)備設(shè)置原則不同的是,火電廠CCUS項(xiàng)目不能一味強(qiáng)調(diào)降低單位能耗,在適應(yīng)發(fā)電主機(jī)運(yùn)行和保持CCUS裝置持續(xù)穩(wěn)定輸出之間需尋找平衡點(diǎn),設(shè)備選型需保證具有高效的調(diào)節(jié)性,才可避免因調(diào)節(jié)失效導(dǎo)致的系統(tǒng)反復(fù)啟停,減少吸收劑等不必要的損耗。

5)相對化工單位而言,火電廠CCUS項(xiàng)目裝置運(yùn)行用電成本低,故壓縮系統(tǒng)設(shè)備動力源的選取不必局限于利用電廠余熱、廢汽,且系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)結(jié)合電廠已有設(shè)備改造開展,既要節(jié)約系統(tǒng)造價(jià)還要保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

6)化工單位CCUS項(xiàng)目一般屬于獨(dú)立的產(chǎn)品生產(chǎn)裝置工程,而火電廠CCUS項(xiàng)目一般屬于電廠環(huán)保項(xiàng)目,且與電廠主系統(tǒng)共用循環(huán)水、閉式水、壓縮空氣等,壓縮系統(tǒng)設(shè)備的選型需充分考慮這些材料用量,不影響主發(fā)電設(shè)備運(yùn)行。

7)化工安全生產(chǎn)原則要求設(shè)備的操作、調(diào)整、故障處理需以人員實(shí)際確認(rèn)為主,故化工單位CCUS項(xiàng)目一般不強(qiáng)調(diào)完全的自動化控制。而現(xiàn)場火電廠運(yùn)維均依靠高度自動化的DCS系統(tǒng),運(yùn)維人員設(shè)置較少,火電廠CCUS項(xiàng)目設(shè)備選型時(shí)均以高可靠性、高冗余為原則。