段元強(qiáng)， 方冬東， 吳 柯， 段倫博

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，南京 210096)

超臨界二氧化碳(supercritical carbon dioxide, sCO2)動力循環(huán)作為一種具有較大效率潛力和廣泛應(yīng)用前景的新型能量轉(zhuǎn)換方式，近年來受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。2003年以來，美國能源部資助了一系列有關(guān)sCO2動力循環(huán)的研究項目[1]，我國在該領(lǐng)域也逐步進(jìn)行了大量的科研投入[2]。2017年11月，由華北電力大學(xué)牽頭啟動了國家重點研發(fā)計劃項目“超高參數(shù)高效二氧化碳燃煤發(fā)電基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”，該項目現(xiàn)已完成1 000 MW級sCO2燃煤發(fā)電系統(tǒng)的概念設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計發(fā)電效率可達(dá)51%[3]。

sCO2動力循環(huán)應(yīng)用于燃煤發(fā)電可分以下2條路線[4]：一是間接加熱式，即采用sCO2循環(huán)取代常規(guī)的蒸汽朗肯循環(huán)，利用CO2在臨界點附近密度高、循環(huán)壓縮能耗小的特點，提高系統(tǒng)凈效率。在該循環(huán)系統(tǒng)中sCO2僅為工質(zhì)，不參與燃燒化學(xué)反應(yīng)，目前絕大多數(shù)的研究也都是基于間接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行的。二是直接加熱式，即采用燃燒室取代間接加熱式循環(huán)中的熱源與換熱器，通過燃料在O2/sCO2氣氛中的直接燃燒反應(yīng)實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換。相較于間接加熱式，直接加熱式循環(huán)的系統(tǒng)更為復(fù)雜，但其具有更高的效率潛力和固有的CO2捕集能力，不需要額外工藝流程去捕集CO2。

現(xiàn)階段有關(guān)直接加熱式sCO2動力循環(huán)的實驗研究仍以甲烷等氣態(tài)燃料為主，而針對煤基燃料的直接加熱式動力循環(huán)系統(tǒng)仍處于概念研究階段。Allam等[5]將煤氣化和直接加熱式sCO2循環(huán)結(jié)合，提出煤氣化Allam循環(huán)，系統(tǒng)凈效率可達(dá)51.44%，同時還可實現(xiàn)接近100%的CO2捕集率。趙永明[6]搭建了整體煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)模型，對該循環(huán)的熱力學(xué)性能進(jìn)行了全面評價，并提出新型雙膨脹循環(huán)流程，通過優(yōu)化回?zé)崃鞒蹋瑢⑾到y(tǒng)效率提高了1.98%。

美國國家能源技術(shù)實驗室(NETL)[7]也對煤氣化直接加熱式sCO2循環(huán)電站的效率和經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行了評估，該研究中合成氣冷卻器產(chǎn)生的蒸汽只用來滿足系統(tǒng)內(nèi)煤粉干燥和脫硫等工藝需要，多余的熱量用來預(yù)熱壓縮合成氣和回流的CO2工質(zhì)。研究表明，在透平入口工質(zhì)物流溫度和壓力分別為1 149 ℃和30 MPa的參數(shù)條件下，基準(zhǔn)煤氣化直接加熱式sCO2循環(huán)電站可實現(xiàn)98.1%的CO2捕集率，此時基于高位發(fā)熱量(HHV)的凈效率為37.7%。同時，NETL等機(jī)構(gòu)還提出了煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)的構(gòu)想[8]，即煤不再經(jīng)過氣化過程，而是直接進(jìn)入燃燒室，燃燒后產(chǎn)物(主要是sCO2和H2O)進(jìn)入透平做功。該系統(tǒng)盡管存在燃料著火邊界和燃燒控制手段不明確、灰分顆粒在高溫高壓下缺乏穩(wěn)定可靠的分離手段等科學(xué)和技術(shù)難題，但由于減少了煤氣化環(huán)節(jié)，具有更高的效率潛力和更廣泛的應(yīng)用前景。

筆者利用Aspen Plus軟件構(gòu)建了煤氣化式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)模型，通過研究燃燒室出口溫度、透平入口壓力、透平出口壓力、回?zé)崞鲓A點溫差以及空氣分離裝置(ASU)出口O2純度等關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，分析參數(shù)對整體循環(huán)性能的影響規(guī)律，確定最佳循環(huán)參數(shù)，并嘗試搭建煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)模型，通過對比相同關(guān)鍵循環(huán)參數(shù)條件下煤氣化式和直接燃燒式動力循環(huán)系統(tǒng)的效率和能耗分布，探索直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)的效率潛力。

1 煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)建模及性能分析

1.1 煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)建模

所建立的煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)流程如圖1所示。相比天然氣直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)，煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)增加了煤氣化環(huán)節(jié)，合成氣作為燃料進(jìn)入燃燒室。煤經(jīng)過氣化、除塵、清潔等流程后的合成氣在加壓后被送入高壓燃燒室，與回流的高溫CO2和ASU提供的純氧在燃燒室內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，燃燒室操作壓力通常設(shè)定在30 MPa左右。燃燒產(chǎn)物進(jìn)入sCO2透平做功，做功完成后的透平排氣壓力在3 MPa左右。從透平出來的排氣進(jìn)入高溫回?zé)崞鲀?nèi)加熱循環(huán)的sCO2工質(zhì)流，同時經(jīng)過冷卻器冷卻后，完成CO2工質(zhì)和水分的分離，水分被冷凝分離且排出循環(huán)系統(tǒng)。完成水分分離后的CO2被分流：一部分CO2(即圖1中PC-1物流)經(jīng)過壓縮后作為回流，經(jīng)過高溫回?zé)崞骷訜岷笾匦逻M(jìn)入燃燒室；一部分CO2(即PC-2物流)換熱后作為氣化爐系統(tǒng)的煤粉輸送風(fēng)；另一部分多余的CO2(即PC-3物流)經(jīng)過碳捕集單元，被輸運(yùn)到高壓sCO2管道，實現(xiàn)CO2的捕集和儲存。

1.1.1 物性計算方法

sCO2在臨界點附近(32 ℃、7.4 MPa)物性變化劇烈，其對循環(huán)系統(tǒng)流程設(shè)計和效率影響很大[9]，同時對建模過程中物性方法的選擇也提出了更高的要求。REFPROP物性方法被公認(rèn)最能準(zhǔn)確反映高純度CO2熱物理和輸運(yùn)性質(zhì)，因此被廣泛地應(yīng)用于間接加熱式sCO2循環(huán)的模擬[10-11]。但在直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)中，燃燒引入的新雜質(zhì)降低了REFPROP物性方法的準(zhǔn)確度。結(jié)合前人經(jīng)驗和研究，本文關(guān)于煤氣化直接加熱式sCO2循環(huán)的模擬采用PR-BM物性方法。

圖1 煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)流程示意圖

1.1.2 空氣分離子系統(tǒng)

以較為成熟的空氣深冷制氧系統(tǒng)為建模對象，Aspen Plus軟件中空氣分離系統(tǒng)主要包括4個部分：空氣壓縮機(jī)、主換熱器、精餾塔和增壓膨脹模塊，空氣分離系統(tǒng)建模流程和模塊的選擇參見文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]。

本文所模擬的空氣分離系統(tǒng)采用25 ℃、0.1 MPa的空氣作為原料，空氣壓縮機(jī)采用3級中冷壓縮配置，空氣壓縮機(jī)出口壓力為0.6 MPa。

1.1.3 煤氣化子系統(tǒng)

煤氣化技術(shù)是目前發(fā)展比較成熟的煤炭化工技術(shù)，以增壓干煤粉氣化爐為參考進(jìn)行建模，主要包含燃料制備及輸送、煤氣化、合成氣除塵、合成氣冷卻和熱量回收以及煤氣清潔等主要流程。

1.1.3.1 燃料制備及輸送

以神華煤作為設(shè)計煤種，其元素分析和工業(yè)分析如表1所示，采用干式給料技術(shù)，利用CO2替代N2進(jìn)行煤粉輸送。燃料消耗量為215 460 kg/h，熱輸入功率為1 362 MW(按低位熱值LHV計)，氣化爐操作壓力設(shè)定為5.6 MPa，氧煤質(zhì)量比(m(O2)/m(煤))為0.91。

表1 神華煤的元素分析與工業(yè)分析

1.1.3.2 煤氣化爐

煤氣化爐內(nèi)發(fā)生著復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)以及流動等過程，為簡化計算，結(jié)合Aspen Plus軟件特點，對氣化爐提出以下簡化假設(shè)：氣化爐處于穩(wěn)定操作狀態(tài)，不考慮壓力損失和泄漏；煤中的H、O、N、S全部轉(zhuǎn)化為氣相，C不完全轉(zhuǎn)化，C轉(zhuǎn)化率設(shè)定為99%；煤中灰分不參與反應(yīng)。

將煤氣化過程簡化拆分為煤的裂解和煤的燃燒，并在Aspen Plus軟件中通過RYield 收率反應(yīng)器和RGibbs平衡反應(yīng)器模塊實現(xiàn)上述過程。在RYield 收率反應(yīng)器里按照規(guī)定的反應(yīng)程度和轉(zhuǎn)化率將煤轉(zhuǎn)化成單元素分子(C、S、H2、O2、N2、Cl2)和灰分，同時將裂解熱QDECOMP導(dǎo)入到RGibbs 平衡反應(yīng)器。RYield 收率反應(yīng)器需插入Forton語言實現(xiàn)轉(zhuǎn)化并定義C轉(zhuǎn)化率。

1.1.3.3 煤合成氣除塵

在煤合成氣進(jìn)入燃燒室前應(yīng)該去除其中的灰分和細(xì)顆粒物，本系統(tǒng)采用高溫陶瓷過濾器和水洗方法共同去除煤合成氣中的顆粒，高溫陶瓷過濾器可使氣體中的灰分顆粒得到有效分離，水洗過程可以去除顆粒較小的灰塵以及溶于水中的雜質(zhì)氣體。其中，高溫除塵器可采用Aspen Plus軟件自帶的SSplit模塊進(jìn)行模擬，將煤合成氣中的固體顆粒雜質(zhì)分離效率設(shè)為100%，同時設(shè)定煤合成氣在水洗塔內(nèi)的壓力損失為2%。

1.1.3.4 煤合成氣冷卻及熱量回收

目前，主要有2種方式對煤合成氣進(jìn)行冷卻：采用輻射或者對流換熱器進(jìn)行冷卻和采用水淬的方式進(jìn)行驟冷。采用煤合成氣冷卻器可以很好地提高循環(huán)熱性能，相應(yīng)地也會增加系統(tǒng)復(fù)雜程度和投資成本。采用水淬方式時系統(tǒng)更加簡單可靠，但會損失一部分熱量。更重要的是，水淬方式可以有效去除煤合成氣中的灰分顆粒和污染物，減輕了由于污染物凝結(jié)和顆粒物堵塞、磨損對后續(xù)系統(tǒng)設(shè)備的損害。

綜合上述因素，采用煤合成氣冷卻器和水淬方式相結(jié)合來實現(xiàn)煤合成氣冷卻和熱量回收，未經(jīng)除塵的高溫煤合成氣離開氣化爐后依次通過3個煤合成氣冷卻器用來預(yù)熱回流的sCO2、O2以及除塵后的煤合成氣等工藝氣體。換熱后的煤合成氣溫度逐步降低后再采用水淬方式進(jìn)一步冷卻。

1.1.3.5 煤氣清潔

本文構(gòu)建的煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)從簡化設(shè)備、降低投資成本的角度出發(fā)，選擇采用燃燒后清潔的方式，但該方式面臨一定的腐蝕危險，需要對設(shè)備和材料等進(jìn)行有效評估。煤氣的凈化主要在水分離及酸氣脫除裝置中進(jìn)行，由于工質(zhì)流體中仍存在一定量的O2，氮氧化物和硫氧化物在液態(tài)水和氧氣存在的條件下可以通過一系列均相和異相反應(yīng)被有效地從煙氣中脫除[14]，而煙氣中的水主要通過冷凝的方式加以去除。

1.1.4 sCO2動力循環(huán)子系統(tǒng)

1.1.4.1 燃燒室

采用Aspen Plus軟件自帶的Rstoic模塊來模擬燃燒室，在模塊里定義可能會發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，燃燒室壓降取入口工質(zhì)壓力的1.6%，燃燒室散熱損失按1%選取。為保證燃燒效率，燃燒室過量氧氣系數(shù)設(shè)定為3%，煙氣中多余的O2將在壓縮純化系統(tǒng)中參與NO/SO2的氧化反應(yīng)，并在CO2冷卻液化流程中作為非冷凝氣體排入大氣。

1.1.4.2 sCO2透平

燃燒室產(chǎn)生的高溫高壓煙氣進(jìn)入sCO2透平，推動葉片做功并帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。文中未采用渦輪葉片冷卻模型，對于常規(guī)葉輪機(jī)械性能，透平效率可假設(shè)氣體遵循理想氣體定律并通過推導(dǎo)得出，然而該規(guī)律不適用于sCO2流體。本文構(gòu)建的系統(tǒng)中，給定了sCO2透平的等熵效率為90%。

1.1.4.3 回?zé)崞?/p>

回?zé)崞髂Ｐ筒捎?個串聯(lián)的多流換熱器，如圖2所示。其中，換熱器MHX1熱流出口的溫度被定義為富CO2混合物的露點溫度，同時設(shè)定換熱器MHX2的最小換熱溫差為5 K，上述設(shè)定可使透平排出的廢氣熱量得到最大程度回收。

圖2 回?zé)崞髂Ｐ土鞒虉DFig.2 Simulation flow chart of regenerators

1.1.4.4 壓縮裝置

動力循環(huán)模塊中的壓縮裝置是整個系統(tǒng)中耗能最大的一部分，為了更好地模擬壓縮流程，分兩段進(jìn)行模擬：采用帶有多級中冷的壓縮機(jī)將工質(zhì)從起始壓力(約3 MPa)壓縮至高于工質(zhì)臨界點的中間壓力(約8 MPa)；此時的CO2混合物處于超臨界壓力下，被冷卻至環(huán)境溫度(25 ℃左右)，成為過冷液態(tài)CO2混合物，進(jìn)入CO2泵中被壓縮至目標(biāo)壓力30 MPa左右。在臨界點附近或者液態(tài)條件下對CO2進(jìn)行壓縮可以有效減少壓縮機(jī)能耗，提高系統(tǒng)凈效率。在本模型中壓縮機(jī)采用Aspen Plus自帶的Compr模塊進(jìn)行模擬，泵采用自帶的Pump模塊模擬。

1.2 系統(tǒng)性能分析

煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)采用CO2輸送的煤粉氣化操作方式，氣化爐的操作壓力為5.6 MPa，操作溫度為1 371 ℃，經(jīng)過煤合成氣熱量回收和除塵等流程，煤合成氣燃燒后，循環(huán)工質(zhì)以1 150 ℃/30 MPa的參數(shù)條件進(jìn)入sCO2透平做功，透平排氣在3.4 MPa條件下進(jìn)入回?zé)崞骱箢A(yù)熱回流的sCO2工質(zhì)和燃燒用O2流，回?zé)崞鞒隹诘牡蛪篊O2溫度為76 ℃，低壓CO2進(jìn)入酸氣脫除和水分分離裝置，經(jīng)過進(jìn)一步冷卻后的CO2工質(zhì)被回流，用于輸送煤粉和儲存。計算得到該系統(tǒng)的凈效率為40.67%(LHV)，相比帶有碳捕集系統(tǒng)的燃煤電站具有更大的效率優(yōu)勢[15]。

圖3為煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)的主要能耗分布。從圖3中可以明顯看出，該系統(tǒng)的能耗主要集中在動力循環(huán)的CO2壓縮單元、空氣分離裝置、O2壓縮單元和煤合成氣壓縮四部分，分別占據(jù)了系統(tǒng)總能耗的46.73%、24.54%、15.01%和8.64%。其中，空氣分離裝置能耗的大部分來自于空氣壓縮機(jī)能耗。由于該循環(huán)的特點是采用高壓富氧燃燒，需要燃燒氣體和氧化劑壓力達(dá)到30 MPa，同時采用高度回?zé)岬脑O(shè)計，大量的循環(huán)CO2流升壓并被預(yù)熱后，重新回到燃燒室用以調(diào)節(jié)燃燒室出口溫度，因此壓縮裝置能耗對系統(tǒng)凈效率具有很大影響。

圖3 系統(tǒng)能耗分布Fig.3 Energy consumption distribution of the system

1.3 燃燒室出口溫度對系統(tǒng)凈效率的影響

在保證其他主要參數(shù)(透平入口壓力、透平出口壓力、回?zé)崞鲓A點溫差、循環(huán)最低冷卻溫度等)不變的情況下，考察燃燒室出口溫度在1 000～1 300 ℃變化時對系統(tǒng)性能的影響，系統(tǒng)凈效率隨燃燒室出口溫度的變化情況如圖4所示。

從圖4可以看出，在燃燒室出口溫度低于1 150 ℃條件下，系統(tǒng)凈效率隨著燃燒室出口溫度升高而升高；在燃燒室出口溫度高于1 200 ℃條件下，系統(tǒng)凈效率隨著燃燒室出口溫度升高而下降。系統(tǒng)凈效率在燃燒室出口溫度為1 150 ～ 1 200 ℃存在最高值。燃燒室出口溫度由循環(huán)回流的CO2控制調(diào)節(jié)，在透平入口壓力和出口壓力等關(guān)鍵循環(huán)參數(shù)不變的情況下，如圖5所示，隨著燃燒室出口溫度的升高，只需更少的循環(huán)CO2質(zhì)量流量就可以控制燃燒室出口溫度，而為了將渦輪葉片金屬溫度控制在材料溫度限制范圍內(nèi)，循環(huán)CO2質(zhì)量流量會增加，整體來看循環(huán)CO2質(zhì)量流量略有下降。當(dāng)燃燒室出口溫度下降時，出現(xiàn)相反的趨勢。循環(huán)CO2質(zhì)量流量的變化會影響CO2壓縮機(jī)和壓縮泵的能耗，從而影響系統(tǒng)凈效率。

圖4 系統(tǒng)凈效率隨燃燒室出口溫度的變化Fig.4 Variation of system net efficiency with combustoroutlet temperature

圖5 循環(huán)CO2的質(zhì)量流量隨燃燒室出口溫度的變化

1.4 透平入口壓力對系統(tǒng)凈效率的影響

圖6給出了透平入口壓力在24～34 MPa變化時對系統(tǒng)凈效率的影響，在所有工況下透平出口壓力和燃燒室出口溫度均分別保持在3.4 MPa和1 150 ℃。從圖6可以看出，隨著透平入口壓力的增加，系統(tǒng)凈效率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而系統(tǒng)的凈比功則呈現(xiàn)單調(diào)上升趨勢。當(dāng)透平入口壓力在26～30 MPa變化時，系統(tǒng)凈效率的變化較小，此時存在最佳透平入口壓力。

在26～30 MPa內(nèi)，透平入口壓力的升高使得透平做功增加并帶來系統(tǒng)效率提高，但同時透平出口溫度也隨之降低，導(dǎo)致回?zé)崞骼鋫?cè)熱端出口循環(huán)CO2溫度降低，使得系統(tǒng)凈效率呈下降趨勢，最終體現(xiàn)為在該壓力區(qū)間內(nèi)系統(tǒng)凈效率變化不大。

當(dāng)透平入口壓力高于30 MPa時，透平排氣溫度無法將循環(huán)工質(zhì)流回?zé)嶂粮邷囟?，且透平入口壓力的升高意味著CO2壓縮裝置、O2壓縮機(jī)、煤合成氣壓縮機(jī)的能耗隨之增加。當(dāng)透平入口壓力低于26 MPa時，循環(huán)CO2在低溫段的比熱容將隨著透平入口壓力的降低而升高，使得回?zé)崞鲀?nèi)低溫段熱負(fù)荷不匹配，回?zé)嵝Ч儾?，從而?dǎo)致系統(tǒng)凈效率降低。

圖6 系統(tǒng)凈效率和凈比功隨透平入口壓力的變化Fig.6 Variation of net system efficiency and net specificwork with turbine inlet pressure

1.5 透平出口壓力對系統(tǒng)凈效率的影響

當(dāng)透平出口壓力在2.8～4.0 MPa變化時，其對系統(tǒng)凈效率的影響如圖7所示。透平出口壓力的變化對系統(tǒng)凈效率的影響主要體現(xiàn)在三個方面：一是透平出口壓力的改變影響透平輸出功率；二是對動力循環(huán)中的CO2壓縮能耗產(chǎn)生影響；三是改變透平排氣溫度，影響回?zé)崞鞯幕責(zé)嵝ЧｋS著透平出口壓力的升高，透平產(chǎn)生的功率以及CO2循環(huán)壓縮機(jī)所需功率均有所降低，從圖7也可以看出，在3.6～4.0 MPa范圍內(nèi)可能存在最佳透平出口壓力。

圖7 系統(tǒng)凈效率和凈比功隨透平出口壓力的變化Fig.7 Variation of net system efficiency and netspecific work with turbine outlet pressure

圖8為透平出力、CO2壓縮機(jī)能耗、CO2泵能耗隨透平出口壓力的變化。由圖8可以看出，隨著透平出口壓力的升高，透平出力和CO2壓縮機(jī)能耗均減少，透平出口溫度會隨之升高，考慮到回?zé)崞鞲邷夭牧系南拗?，透平出口壓力?yīng)存在最大值。

1.6 回?zé)崞鲓A點溫差對系統(tǒng)凈效率的影響

回?zé)崞髟诿簹饣苯蛹訜崾絪CO2動力循環(huán)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，回?zé)嵝Ч暮脡膶ο到y(tǒng)凈效率有很大影響。為了考察回?zé)崞鲀?nèi)夾點溫差對循環(huán)整體性能的影響，分別選取5 K、10 K、15 K和20 K共4個夾點溫差，同時控制系統(tǒng)其他主要參數(shù)不變。從圖9可以看出，當(dāng)回?zé)崞鲓A點溫差由5 K增至10 K時，系統(tǒng)凈效率損失1.2%。隨著溫差的增大，回?zé)崞鲀?nèi)熱回收效率變低，回流的CO2溫度和質(zhì)量流量隨之降低，透平發(fā)電量也就越低。同時，循環(huán)CO2壓縮機(jī)的能耗需求也降低，部分抵消了發(fā)電量下降帶來的系統(tǒng)凈效率下降。此外，由于回?zé)嵝Ч儾?，回?zé)崞鞒隹诘臒嵛锪饕暂^高的溫度排出，略微增加了冷卻器的冷卻水質(zhì)量流量，對整個系統(tǒng)凈效率的影響可忽略不計。

圖8 透平出力、CO2壓縮機(jī)能耗和CO2壓縮泵能耗隨透平出口壓力的變化

圖9 系統(tǒng)凈效率隨回?zé)崞鲀?nèi)夾點溫差的變化Fig.9 Variation of net system efficiency with pinchtemperature difference in regenerator

1.7 O2純度對系統(tǒng)凈效率的影響

選擇最佳O2純度的主要目的是將ASU、碳捕集和循環(huán)CO2流再壓縮的總能耗降至最低，獲得最佳系統(tǒng)凈效率。一般情況下，O2純度越高，碳捕集和ASU的功率需求越高，循環(huán)氣體壓縮機(jī)的能耗越低。此外，當(dāng)O2純度超過97%時，ASU的功率需求增加明顯，精餾過程從氮/氧分離轉(zhuǎn)變?yōu)檠?氬分離，其優(yōu)點是相對揮發(fā)性較低。

同時，回流的工質(zhì)在被送入CO2泵前的最小壓力也取決于工質(zhì)中的CO2純度，送入燃燒室的O2純度會對回流中的CO2純度產(chǎn)生直接影響。循環(huán)CO2流中的CO2純度越高，壓縮機(jī)所需要達(dá)到的中間壓縮壓力就越低，因此動力循環(huán)中的CO2壓縮裝置功率需求也就越低。就本文構(gòu)建的系統(tǒng)來說，將O2純度從99.5%降低到97%，主循環(huán)流在泵送前必須壓縮的最小壓力從8.0 MPa增加到10.0 MPa。如圖10所示，O2純度增大帶來的空氣分離裝置能耗小于系統(tǒng)壓縮裝置能耗的下降，整體上系統(tǒng)能耗隨O2純度增加而下降，當(dāng)O2純度由95%增加至99.5%時，系統(tǒng)凈效率由40.16%升高到40.67%，升高了約0.5%。

圖10 不同裝置能耗隨O2純度的變化Fig.10 Variation of energy consumption of differentunits with oxygen purity

由上述分析可以看出，煤氣化直接加熱式sCO2循環(huán)系統(tǒng)采用高純度(99.5%)氧流時具有更高的系統(tǒng)凈效率，主要是因為動力循環(huán)中壓縮裝置能耗的下降大于ASU能耗的增加。針對系統(tǒng)設(shè)計，采用較高的O2純度意味著ASU系統(tǒng)復(fù)雜性和能耗增加，但同時也簡化了CO2壓縮機(jī)和煙氣壓縮純化系統(tǒng)的設(shè)計。

2 煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)建模及性能分析

2.1 煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)建模

利用Aspen Plus軟件對煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。根據(jù)系統(tǒng)的特點可將其分為3個子系統(tǒng)：ASU子系統(tǒng)、碳捕集子系統(tǒng)和直燃式sCO2動力循環(huán)子系統(tǒng)，其中ASU子系統(tǒng)和碳捕集子系統(tǒng)的工作原理及模型搭建在上文中已進(jìn)行了詳細(xì)介紹，此處將不再重復(fù)。煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)流程如圖11所示，其動力循環(huán)子系統(tǒng)工作流程如下：煤粉與sCO2混合以漿態(tài)的方式被送入燃燒室，與回?zé)崞鞒鰜淼难h(huán)CO2流、O2流等進(jìn)行混合燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫高壓煙氣流與煙氣再循環(huán)流混合驟冷后進(jìn)入高溫除塵器，實現(xiàn)飛灰等固體雜質(zhì)與煙氣的分離，除塵后的煙氣進(jìn)入sCO2透平做功；透平出口的排氣進(jìn)入回?zé)崞?，通過預(yù)熱通入燃燒室的循環(huán)CO2流和O2流回收排氣中的熱量；回?zé)崞鞒隹诘牡蜏嘏艢膺M(jìn)入分離凈化裝置，除去煙氣中的酸氣等污染物，達(dá)到可直接碳捕集的水平；純凈的CO2混合工質(zhì)經(jīng)過進(jìn)一步冷卻后，一部分循環(huán)回燃燒室，用于調(diào)節(jié)溫度，一部分被用于給料系統(tǒng)，剩下的部分經(jīng)過壓縮后直接捕集用于CO2儲存、利用。

圖11 煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)流程圖Fig.11 Schematic diagram of coal direct-fired sCO2 power cycle system

動力循環(huán)子系統(tǒng)主要包括燃燒室模塊、氣固分離模塊、透平模塊、回?zé)崞髂K、水分離及凈化模塊、中間冷卻器模塊和CO2壓縮模塊，該子系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)透平做功并實現(xiàn)工質(zhì)循環(huán)回流及CO2捕集。燃燒室的建模參考了前人關(guān)于煤增壓燃燒的研究[16]。

在煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)中由于燃燒室入口壓力較高(約30 MPa)，因此選擇用sCO2-煤漿態(tài)給料方式，通過高壓柱塞泵將燃料送入高壓燃燒室內(nèi)。為方便對比，仍選用神華煙煤作為燃料，燃料質(zhì)量流量也保持為215 460 kg/h，熱輸入功率為1 362 MW(LHV)。

2.2 煤氣化直接加熱式和煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)性能對比分析

為了對比煤氣化直接加熱式和煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)的效率及能耗分布，在假定相同關(guān)鍵循環(huán)參數(shù)(包括透平入口溫度、透平入口壓力、透平出口壓力、回?zé)崞鲓A點溫差等)的基礎(chǔ)上，對煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，并對2個系統(tǒng)的各主要性能指標(biāo)進(jìn)行了對比，結(jié)果見表2。

表2 2種循環(huán)系統(tǒng)性能比較

由表2可知，在相同的循環(huán)參數(shù)和熱輸入條件下，采用煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)的凈效率為40.67%，而煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)凈效率為48.21%，系統(tǒng)凈效率約提高了7.54%，這對于燃煤電站而言是很大的進(jìn)步。從表2還可以看出，系統(tǒng)凈效率的提升主要來自于以下3個方面：一是取消煤合成氣壓縮裝置，減少大約35 933 kW的系統(tǒng)能耗，與此同時可以觀察到輸送氣壓縮裝置能耗上升了約2 239 kW，整體來說將燃料輸送到高壓燃燒室的能耗降低。二是煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)取消了煤氣化系統(tǒng)，在降低整體氧氣消耗量的同時也降低ASU及O2壓縮機(jī)的能耗。三是煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)的透平入口工質(zhì)質(zhì)量流量大于煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)，使得sCO2透平發(fā)電功率從969 909 kW增加至1 027 134 kW，增幅為57 225 kW。盡管此時工質(zhì)質(zhì)量流量的增加也會略微提高壓縮裝置的能耗，但從系統(tǒng)整體能耗分析來看，透平入口工質(zhì)質(zhì)量流量增加后，系統(tǒng)凈效率仍然呈提高趨勢。

同時還可以發(fā)現(xiàn)，煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)凈比功為300.4 kJ/kg，要高于煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)。較高的凈比功代表著單位質(zhì)量工質(zhì)的做功能力更強(qiáng)，有助于縮小系統(tǒng)占地規(guī)模，減小系統(tǒng)設(shè)備尺寸，從而更好地兼顧效率和成本投資兩方面。

3 結(jié) 論

(1) 構(gòu)建了煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)模型，在透平入口循環(huán)工質(zhì)為1 150 ℃/30 MPa的參數(shù)條件下，系統(tǒng)凈效率可達(dá)40.67%，同時實現(xiàn)接近100%的碳捕集，相比于帶有碳捕集裝置的常規(guī)燃煤電站系統(tǒng)具有較大的效率優(yōu)勢。

(2) 煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)能耗主要集中在循環(huán)CO2壓縮裝置、煤合成氣壓縮機(jī)和O2壓縮機(jī)上，占據(jù)系統(tǒng)總能耗的72.16%，空氣分離裝置能耗也對系統(tǒng)凈效率具有顯著影響。

(3) 在煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)中，在95%～99.5%的O2純度范圍內(nèi)，整體系統(tǒng)的能耗隨O2純度增加而下降，當(dāng)O2純度由95%增加至99.5%時，系統(tǒng)凈效率由40.16%升高到40.67%，提高了約0.5%。

(4) 在相同關(guān)鍵循環(huán)參數(shù)條件下，由于取消了煤氣化及合成氣壓縮裝置，煤直接燃燒式sCO2循環(huán)的系統(tǒng)凈效率相比煤氣化式循環(huán)提高了7.54%。