閻維平, 米翠麗

(華北電力大學能源與動力工程學院,電站設備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室,保定071003)

在各種溫室氣體中,CO2因其較長的壽命年限及超高的排放量而對溫室效應的影響最大[1-2].在以化石燃料為主要能源的電力生產中,排出的CO2約占所有人類活動引起CO2釋放總量的25%,同時,它也是最大的單點CO2釋放源.因此,近年來,在火力發(fā)電領域內CO2的捕集、壓縮液化與封存(CCS)技術的研究與工程示范已經成為一項非常重要的任務.目前,燃煤電廠主要可采取以下3種技術控制CO2的排放量：①常規(guī)空氣燃燒煙氣中捕集CO2,主要是單乙醇胺吸附技術(PC+M EA);②富氧燃燒技術;③采用不含碳的燃料.

以上3種技術各有優(yōu)勢,而在實際應用中選擇合適的CO2脫除技術顯得越來越重要,因此,對各種技術進行技術經濟性分析是必要的.由于資源和公共意識等諸多因素的限制,在今后的幾十年內,能源結構還不會有太大的變化,因此,若要更進一步降低CO2的排放量,則主要應采取上述前兩種技術.但配備CO2分離回收系統(tǒng)后,整個電廠系統(tǒng)的投資、電力成本都會大幅上升,因而使得單位CO2脫除成本偏高.此外,不同地區(qū)、電廠類型、電廠規(guī)模和燃料價格等都會造成總體投資、電力成本、單位CO2脫除成本上的差異.Gambini等人[3]對燃油火力發(fā)電廠、燃煤火力發(fā)電廠、聯(lián)合循環(huán)電廠、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)電廠、先進的混合循環(huán)電廠等5種電廠配備CO2脫除系統(tǒng)后的經濟性進行了模擬分析,結果表明,采用常規(guī)化學吸收法技術富集CO2,在不考慮CO2運輸和儲存的情況下,凈電效率下降了6%～13%,發(fā)電成本增加了20%～42%;美國M IT能源研究室[4]采用富氧燃燒、化學吸收法和膜分離法對燃煤電廠CO2的脫除效果進行了比較,發(fā)現富氧燃燒技術所需能量最少,電廠效率從35%降低到24%～26%,電力生產成本增加80%,而采用其他方法時,效率下降更多,電力成本增加更大.

本文以300MW燃燒高水分褐煤的煤粉鍋爐為研究對象,構建了加入能量回收的富氧燃燒系統(tǒng).以該鍋爐的常規(guī)空氣燃燒為參照,在熱力計算的基礎上,對改進的富氧燃燒脫碳技術進行了技術經濟性分析,并與PC+MEA脫碳技術和常規(guī)富氧燃燒(O2/CO2)脫碳技術進行了對比,以期為電廠脫碳系統(tǒng)的實際應用提供參考.

1 富氧燃燒技術

富氧燃燒技術又稱O2/CO2燃燒技術,或者空氣分離/煙氣再循環(huán)技術,是一種不用分離就能直接捕集高濃度CO2,又能綜合控制燃煤污染排放的新一代潔凈煤發(fā)電技術[5-8],其基本原理示于圖1.鍋爐尾部排煙的一部分煙氣循環(huán)至爐前,與空氣分離裝置制取的氧氣按一定比例混合后進入爐膛,在爐內進行與常規(guī)空氣燃燒方式類似的燃燒過程.

圖1 富氧燃燒技術原理圖Fig.1 Schematic diag ram of the oxygen-en riched combustion system

在常規(guī)空氣燃燒煤粉鍋爐上實施煙氣再循環(huán)O2/CO2燃燒改造,是研究最早、實施難度相對較小、最先進行示范工程的富氧燃燒改造,這是因為煤粉鍋爐在燃煤火力發(fā)電領域應用最多、技術最成熟,而且富氧燃燒改造對制粉系統(tǒng)、鍋爐燃燒、鍋爐受熱面、輔機設備、煙氣凈化及蒸汽循環(huán)系統(tǒng)影響較小.截至2009年5月,世界上建成的O2/CO2燃燒的中試電站已超過10個[9].

2 不同脫碳技術簡介

選取的參照對象為300MW常規(guī)空氣燃燒煤粉鍋爐,燃用低硫高水分褐煤,煤的工業(yè)分析和元素分析見表1,鍋爐主要額定參數見表2,該系統(tǒng)示于圖2.圖2中各點主要的熱力參數見表3.本文所研究的富氧燃燒方式O2/再循環(huán)煙氣(RFG)比例為30%/70%,在空氣與30%O2/70%RFG2種燃燒方式下計算得到的煙氣組成見表4.在空氣燃燒方式下 ,過量空氣系數為1.2;在30%O2/70%CO2燃燒方式下,過氧量取為1.1.由于燃煤水分很高,因此,在O2/CO2再循環(huán)氧燃燒方式下,煙氣中的水分含量接近22%,鍋爐設計排煙溫度也較高.

表1 煤的工業(yè)分析和元素分析Tab.1 Proximate and ultimateanalysis of coal

2.1 PC+MEA脫碳技術

采用PC+M EA脫碳技術的鍋爐系統(tǒng)原理圖示于圖3,對應的熱力參數見表5.

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

圖2 300MW亞臨界空氣燃燒鍋爐簡圖Fig.2 Sketch of a 300MW subcriticalboiler w ith conven tional air combustion

表3 參照鍋爐的主要熱力參數Tab.3 Main thermal parameters of reference boiler

表4 煙氣中各成分的體積百分含量Tab.4 Volume percentage of various compositions in fluegas%

圖3 300MW亞臨界空氣燃燒+MEA脫碳技術原理圖Fig.3 Sketch of a 300MW subcritical boiler with air com bustion+M EA absorption

表5 PC+MEA的主要熱力參數Tab.5 Main thermal parameters of the boiler with air combustion+MEA absorp tion

M EA吸附裝置吸附CO2是基于化學吸附的原理[10],其中最重要的2個裝置是吸附器和重生裝置.在吸附器中,含有 CO2的煙氣逆流而上,與MEA溶液充分接觸反應,生成一種弱鍵的氨基甲酸鹽;被吸收過的煙氣直接排放.富含CO2的MEA溶液離開吸附器,經過加熱分解為MEA和CO2,在重生裝置中集結成高濃度的CO2,進行處理可得到濃度高達99.6%的CO2,剩余含有微量CO2的熱MEA溶液被送回到熱交換器中冷卻,最后送回到吸附器循環(huán)利用.

2.2 常規(guī)O2/CO2燃燒系統(tǒng)

采用O2/CO2燃燒技術捕集CO2的系統(tǒng)示于圖4,其對應的熱力參數見表6.

圖4 300MW亞臨界富氧燃燒鍋爐簡圖(不回收利用熱量)Fig.4 Sketch of a 300MW subcritical boiler with oxygen-en riched combustion(without heat recovery)

表6 O2/CO2燃燒方式下主要熱力參數(不回收熱量)Tab.6 Main thermal parameters of the boiler under O2/CO2 combustionmode(without heat recovery)

與常規(guī)空氣燃燒系統(tǒng)相比,O2/CO2燃燒系統(tǒng)增加了空氣分離制氧裝置、煙氣再循環(huán)系統(tǒng)和排煙處理系統(tǒng).空氣分離制取的氧氣與再循環(huán)煙氣及攜帶的煤粉被送入爐膛組織燃燒,燃燒產物依次經過鍋爐的各個受熱面完成換熱.燃用低硫煤時不設脫硫裝置.省煤器出口的煙氣經過高溫煙氣除塵器除去大部分粉塵后分為兩部分：一部分直接用做調節(jié)爐內火焰溫度的再循環(huán)煙氣,不脫除水分直接送入爐膛;另一部分經過氣-氣換熱器放熱,再經過冷凝器冷卻并脫除大部分水分,然后將其中的一部分再循環(huán)回到氣-氣換熱器,加熱升溫后作為制粉系統(tǒng)的干燥介質.這兩部分再循環(huán)煙氣的比例應首先滿足制粉磨煤通風量的要求,其余部分直接送入爐膛.再循環(huán)煙氣外的煙氣經壓縮冷卻后送入煙氣回收處理系統(tǒng).

2.3 加入熱量回收的改進O2/CO2燃燒系統(tǒng)

筆者構建的采用富氧燃燒技術且捕集CO2的自然循環(huán)電站鍋爐系統(tǒng)是在常規(guī)O2/CO2燃燒系統(tǒng)(見2.2節(jié))的基礎上計入了能量回收系統(tǒng),整個系統(tǒng)流程見圖5,對應的熱力參數見表7.其基本原理與上述O2/CO2燃燒系統(tǒng)基本相同,不同之處在于：氣-氣熱交換器下游所設煙氣冷凝脫水裝置的冷卻介質為電廠低溫給水,煙氣在冷凝器中被冷卻降溫至水露點溫度以下脫除水分;在煙氣冷凝脫水過程中,溫度將先達到煙氣酸露點溫度,硫酸蒸汽發(fā)生凝結,因此需考慮受熱面的防腐,當前的防腐技術是可行的;而空氣分離后的氮氣和氧氣溫度低于20℃,可以作為煙氣一級壓縮后的冷卻介質,同時,電廠低溫給水也可作為煙氣逐級壓縮冷卻的介質.

圖5 300MW亞臨界富氧燃燒鍋爐簡圖(回收利用熱量)Fig.5 Sketch of the boiler with oxygen-enriched combustion(w ith heat recovery)

表7 O2/CO 2燃燒方式下主要熱力參數(回收熱量)Tab.7 Main thermal parameters of theboiler under O2/CO2 combustionmode(with heat recovery)

3 不同脫碳技術的經濟性分析

對3種脫碳技術進行比較分析,發(fā)現鍋爐蒸發(fā)量均為1 025 t/h,與參照鍋爐保持一致.在鍋爐蒸汽參數保持一致的情況下,認為不回收熱量的常規(guī)O2/CO2燃燒技術和PC+MEA的附加耗功均來自外界,可保持汽輪機的輸出功率為300MW;而回收熱量的O2/CO2燃燒技術由于采用煙氣余熱以及CO2壓縮過程中產生的熱量來加熱給水,故汽輪機抽汽的減少導致在此種運行方式下電廠的輸出功率增大[11].

對于O2/CO2燃燒技術,認為其可實現CO2氣體的零排放,而對于PC+MEA技術,則認為CO2的脫除效率為90%.不同脫碳技術對電廠輔助設備功耗和電廠效率的影響見表8.其中,在空氣燃燒方式下,輔機功耗來源于華北某電站300MW燃煤鍋爐的實際運行數據.

由表8可知,富氧燃燒方式下的鍋爐效率比常規(guī)空氣燃燒高3.18%,從而可在滿足鍋爐蒸發(fā)量的情況下降低所需燃料量,這主要是由于排煙損失的大幅降低所致.脫碳系統(tǒng)的加入導致電廠熱耗率和標準煤耗率均大幅提高,其中PC+MEA脫碳技術對這兩項的影響最大,增幅可達75%.從表8還可以看出,脫碳系統(tǒng)的加入導致電廠輔助設備功耗大幅上升,各項損失對電廠效率的影響示于圖6.由圖6可知,在3種脫碳技術中,PC+MEA脫碳技術造成電廠效率降低最多,其中MEA捕集CO2導致電廠效率降低11.25%,其次為CO2壓縮系統(tǒng)所致.在富氧燃燒方式下,鍋爐效率的提高使得電廠效率有所提高,但這不能補償空氣分離器制氧和CO2壓縮帶來的大量功耗.能量回收系統(tǒng)的加入使得富氧燃燒方式下的電廠凈效率提高了2.59%,這主要是由于對本來已廢棄的能量加以利用使得汽輪機的輸出功率增大所致.

表8 電廠功耗及效率的比較Tab.8 Com parison of power consump tion and efficiency among various combustionmodes

圖6 3種CO2脫除技術對電廠效率的影響Fig.6 Influen ce of three CO2 removal technologies on the pow er p lan t efficiency

基于表9所示的評價標準[12],分析比較各種脫碳方式對發(fā)電成本的影響,結果見表10.燃煤火電廠的發(fā)電成本由3部分組成：①電廠總投資的折舊成本;②燃料成本;③運行維護成本,包括燃料費、用水費、材料費、工資及其附加費、修理費和其他費用.電廠初投資包括購置電廠各種設備所需的費用,表10中電廠初投資參照文獻[10-12]中的數據進行比較,以空氣燃燒方式下為基準“1”.

表10列出了各種脫碳工藝的加入對電廠發(fā)電成本及CO2脫除費用的影響.其中,CO2的脫除費用=(采用脫碳工藝的電廠發(fā)電成本-參照電廠的發(fā)電成本)/CO2捕集量,此處的參照電廠即為采用常規(guī)空氣燃燒方式的燃煤發(fā)電廠.

表9 經濟性分析評價標準Tab.9 Evaluation criteria for econom ic analysis

表10 經濟性分析結果Tab.10 Results of econom ic analysis

由表10可知,脫碳工藝的加入使得電廠發(fā)電成本有不同程度的增加.其中,發(fā)電成本增幅最大的是采用 MEA吸附法的常規(guī)空氣燃燒方式,超過了40%,該數據與參考文獻[13]的計算結果相當;其次為常規(guī)富氧燃燒電廠,發(fā)電成本提高了39.45%;而加入能量回收系統(tǒng)的富氧燃燒方式增幅最小,為28.28%.

表10中的數據顯示,脫碳工藝的加入使CO2的釋放量均大幅下降.其中,當采用富氧燃燒方式時,基本可以實現電廠CO2的零排放,這主要是由于富氧燃燒電廠煙氣中CO2的體積分數高,再經過簡單的除雜后,可以充分進行利用,無需向大氣排放,因此,富氧燃燒技術在CO2脫除方面具有很好的效果.從表10還可以看出,采用M EA化學吸附法的脫碳費用(154.841元/t)遠高于富氧燃燒電廠(30.365元/t),而能量回收系統(tǒng)的加入可以使富氧燃燒電廠的 CO2脫除費用進一步降低至23.322元/t,這主要是因為MEA化學吸附法采用熱再生的方式進行吸收液的再生,需要大量的再生熱,會對脫碳費用產生很大的影響.

4 結 論

(1)脫碳系統(tǒng)的加入導致電廠輔助設備功耗大幅上升.在3種脫碳技術中,空氣燃燒+MEA引起電廠效率降低最多,可達15.56%;在富氧燃燒方式下,鍋爐效率的提高不能補償空氣分離器制氧和CO2壓縮帶來的大量功耗,使得電廠效率較常規(guī)空氣燃燒方式降低11.70%;能量回收系統(tǒng)的加入可使在富氧燃燒方式下的電廠凈效率提高2.59%,這主要是由于對本來已廢棄的能量加以利用使得汽輪機的輸出功率增大所致.

(2)脫碳工藝的加入使得電廠發(fā)電成本有不同程度的增加.其中,發(fā)電成本增幅最大的是采用MEA吸附法的常規(guī)空氣燃燒方式,其發(fā)電成本較參照電廠(0.270 0元/(kW ?h))增至0.397 5元/(kW?h);其次為富氧燃燒電廠,發(fā)電成本為0.376 5元/(kW?h),較參照電廠增加了39.45%;而加入能量回收系統(tǒng)的富氧燃燒方式,可使發(fā)電成本降為0.346 4元/(kW?h),較參照電廠增幅最小,為28.28%.

(3)脫碳工藝的加入使CO2的釋放量均大幅下降.其中,當采用富氧燃燒方式時,基本可以實現電廠CO2的零排放.采用M EA化學吸附法的脫碳費用(154.841元/t)遠高于富氧燃燒電廠(30.365元/t);而能量回收系統(tǒng)的加入,可以使富氧燃燒電廠的CO2脫除費用進一步降低23.2%,為23.322元/t.

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