基于Aspen Plus的CCRs碳捕捉系统过程模拟

陈海平，王忠平，吴文浩，童家麟

（华北电力大学 能源动力与机械工程学院，保定071003）

CO2温室气体的大量排放是导致全球变暖的主要原因，而以矿物燃料为主要能源的电力生产中排放出的CO2量已经超过CO2排放总量的30%，燃煤电厂CO2的捕捉与封存技术对于解决全球变暖和温室效应问题具有重要意义.近年来，国内外专家对碳捕捉技术进行了深入研究，其中发展比较迅速的碳捕捉技术有IGCC、富氧燃烧和单乙醇胺（MEA）技术.这些方法在实现CO2捕捉过程中需要消耗大量的能量，结果导致机组效率大幅下降，降幅达到10%～14%［1］.而石灰石以其价格低廉、储量大、可循环利用，实现CO2循环脱除而引起人们的广泛关注.钙基吸收剂循环煅烧／碳酸化法（CCRs）是一项很有发展潜力的燃烧后CO2捕捉技术，Strohle等［2］和Hawthorne等［3］初步研究了基于氧化钙的碳捕捉系统与电厂相结合后对电厂的影响，其中Strohle等计算得到的能量惩罚为2.75%，远远低于其他CO2捕集方法产生的能量惩罚.

氧化钙循环煅烧／碳酸化法捕捉CO2是在一个双流化床反应器内实现的，其中一个反应器为碳化器（Carbonator），烟气中的CO2在650 ℃的高温条件下与吸收剂CaO 反应；另一个反应器为煅烧炉（Calciner），在900 ℃的高温环境下将CaCO3煅烧分解，产生的高浓度CO2被压缩封存，再生CaO 被送回碳化器继续循环吸收.图1为氧化钙循环煅烧／碳酸化过程简图.

图1 氧化钙循环煅烧／碳酸化过程简图Fig.1 Flow chart of the carbonate looping process

随着钙基吸收剂煅烧／碳酸化循环次数的增加，CaO 发生烧结现象，使得内部孔隙结构发生改变，CaO 活性逐渐降低.在实验室条件下，循环次数N＝500次以上时，CaO 活性还可以维持在XN＝15%～20%［4］.为了保证CO2的高效吸收，在循环过程中需要连续补充新鲜的CaCO3并及时排出失活的吸收剂（CaCO3／CaO）.CCRs碳捕捉系统的主要能量消耗在煅烧炉和氧气分离设备（ASU）上.Abanades等人对国外某1 000 MW 机组进行了计算与分析，得出引入CCRs技术后，在80%的CO2捕捉率下，机组效率从46%下降到38.8%［2］.Romeo等人将300MW 火电机组与CCRs技术进行耦合，通过计算得出改进型电厂的CO2回避成本为14.5欧元／t.在不考虑CO2压缩与封存的情况下，影响机组效率和CO2捕捉率的主要因素是新鲜Ca-CO3的补充流率和吸收剂的循环流率.

笔者在总结国内外相关研究的基础上，利用商业软件Aspen Plus进行过程模拟，讨论CCRs碳捕捉过程中的热量回收问题和新鲜CaCO3补充量的变化对系统的影响.

1 CCRs碳捕捉过程模拟

1.1 模型描述

选用国内某600 MW 超临界机组锅炉排烟作为研究对象，CO2捕捉过程在脱硫之后进行.表1给出了该600 MW 超临界机组的部分参数.

表1 某600 MW 超临界机组部分参数Tab.1 Main operating parameters of a 600 MW supercritical power unit

首先应对经过脱硫的烟气进行升压和预热，捕捉过程中为了保证碳化器始终在最佳反应温度，必须及时将碳化反应的反应热导出.模拟过程中忽略SO2的影响，假设烟气经过脱硫设备后含硫量为零.脱除CO2的烟气经过旋风分离器和热交换器后，最终以100 ℃终温排向大气，分离出的固体混合物进入煅烧炉热解.图2为CCRs碳捕捉技术双流化床循环系统图.

煅烧炉内温度维持在900 ℃，热量由富氧燃烧提供.与此同时，新鲜石灰石进入煅烧炉内与从碳化器来的CaCO3（Fd）一起进行热解.经过煅烧分离出高浓度的CO2，高温高浓度CO2经过热交换器回收利用热量后，再进行压缩封存处理.

图2 CCRs碳捕捉技术双流化床循环系统图Fig.2 Schematic diagram of a dual CFB system for CO2 capture by CCRs process

1.2 模型假设与建立

根据图2的模型描述，采用商业软件Aspen Plus进行能流和物流建模，并对模拟结果进行灵敏度分析.模拟流程如图3所示.

假设烟气中CO2的捕捉率为80%，碳化器中CaO 的活度采用Abanades等［5］提出的式（1）进行计算：

图3 CCRs碳捕捉系统模拟流程图Fig.3 Flow chart of CCRs process for CO2capture

式中：fm和fw取决于石灰石的类型，本文选用天然石灰石，fm＝0.77，fw＝0.17；F0为补充新鲜碳酸钙的流量；FR为循环氧化钙流量.

对于煅烧炉，假设煤的燃烧效率为98%，空气分离装置产生的氧气纯度为95.2%，补充的新鲜CaCO3纯度为100%，图3中2个旋风分离器的效率为100%.主要模拟输入参数见表2，输出参数见表3.

表2 主要模拟输入参数Tab.2 Main input parameters in simulation test

表3 主要模拟输出参数Tab.3 Main output parameters in simulation test

由表3可以看出，CO2的捕捉率从假设的80%提高到87.29%，这主要是由于补充的新鲜CaCO3煅烧热解和富氧燃烧产生了新的CO2引起的.

2 结果分析与讨论

2.1 补充CaCO3 流量（F0）的灵敏度分析

Aspen Plus为流程模拟计算提供了灵敏度分析功能，以检验过程如何影响设计变量和操作变量的变化.通过改变一个或几个变量，观察其对其他几个过程变量的影响.根据Hawthorne等［3］的研究，新鲜CaCO3的补充流量（F0）在很大程度上影响着系统的其他参量，是CCRs碳捕捉系统的关键控制参数.在所建立的过程模型的基础上，以新鲜Ca-CO3流量（F0）为自变量进行灵敏度分析.

2.1.1 补充CaCO3流量（F0）对煅烧固体流量（Fd）的影响

图4给出了循环煅烧固体流量与补充碳酸钙流量的关系.由图4可以看出，在保证锅炉尾部烟气CO2脱除率为80%的前提下，随着补充CaCO3流量（F0）的增加，循环煅烧固体流量（FR）有所下降，主要原因是增加新鲜CaCO3后，CaO 的活性随之提高，需要进行循环煅烧的量自然就减少.

图4 循环煅烧固体流量与补充碳酸钙流量的关系Fig.4 Solids circulation rate vs.mass flow of make-up CaCO3

2.1.2 补充CaCO3流量对煅烧炉燃煤量的影响

图5给出了煅烧炉燃煤量与补充碳酸钙流量的关系.由图5可以看出，随着新鲜碳酸钙流量（F0）的增加，煅烧炉燃煤量有所减少，这是因为循环煅烧固体量（Fd）减少，煤的消耗量也就随之降低.

2.1.3 补充CaCO3流量对碳捕捉率的影响

CCRs碳捕捉系统中CO2的来源主要由两部分构成，一是锅炉排烟中的CO2（捕捉率80%），二是煅烧炉内富氧燃烧和补充的新鲜碳酸钙产生的CO2（捕捉率100%）.其中，补充碳酸钙量相对于电厂烟气量而言很小，因此，保证电厂锅炉侧的烟气在80%碳捕捉率条件下，随着新鲜碳酸钙流量（F0）的增加，总的CO2捕捉率仍然维持在88%左右（见图6）.

图5 煅烧炉燃煤量与补充碳酸钙流量的关系Fig.5 Coal consumption of calciner vs.mass flow of make-up CaCO3

图6 CO2 捕捉率与补充碳酸钙流量的关系Fig.6 CO2capture rate vs.mass flow of make-up CaCO3

2.2 CCRs碳捕捉系统热量回收的讨论

2.2.1 回收余热总量

根据国内外的相关研究可知，在目前所有CO2回收方式中CCRs碳捕捉系统的能量惩罚最低［6］，在实现80%CO2捕捉率的条件下，机组效率下降不到8%，主要归功于对系统热量的合理回收利用.在Hawthorne的计算中，由于加装二氧化碳捕集系统并合理利用能量，改进后的电厂净功率从1 052 MW 增加到1 533MW，使整体热效率变为39.2%.从循环系统图2可知，系统可回收热量主要来自4个部分：碳化器内的化学反应热（Q1）、脱碳后高温洁净烟气的热量（Q2）、高温二氧化碳气体热量（Q3）和排渣热量（Q4）.理论可回收总热量为：

回收热量可能的利用方式有以下三类［6］：

（1）利用余热加热产生蒸汽，供给高压加热器、除氧器或低压加热器，以减少汽轮机的抽汽，提高汽轮机的做功量.

（2）替代锅炉的热量，随着锅炉中被余热所替代的热量增加，所需煤的流量将减小.

（3）利用余热加热产生过热蒸汽，推动汽轮机做功.

2.2.2 引入CCRs碳捕捉系统后的电厂效率

若将这部分从CCRs碳捕捉系统回收的高品质余热用于产生蒸汽并推动汽轮机做功，可发电约441.90 MW（假设机组热效率为46%），则引入CCRs碳捕捉系统后的改进型电厂的总效率为：

这一计算结果与Abanades等［5］的研究结论（46%→38.8%）基本吻合，同时也说明整个模拟过程具有一定可信度.

假设煤的低位发热量为24 600 kJ／kg，则CCRs碳捕捉系统的能量回收系数θ为：

能量回收系数越大，说明系统能耗越低，引入CCRs碳捕捉系统后的能量惩罚越低.

3 结 论

（1）CCRs碳捕捉方法的能量惩罚低、原料分布广泛，因而具有广阔的发展潜力.对现有600 MW超临界机组进行改进后，在80%的二氧化碳捕捉率下，机组效率下降6.59%.

（2）补充CaCO3流量对系统固体循环流量（Fd）和煅烧煤用量的影响较大，二者都随着补充碳酸钙流量的增加而减少.

（3）碳捕捉系统通过合理的能量回收利用后，将有960.65 MW 热量可利用，能量回收系数达到0.72.

（4）为了最大程度利用这部分热量，应基于能量品质梯级回收和利用二氧化碳吸收装置中的余热.如何实现与电厂在能量上的耦合，减少过程损失，还有待进一步研究.

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［3］HAWTHORNE C，TROSSMANN M，GALINDO CIFRE P，etal.Simulation of the carbonate looping power cycle［J］.Energy Procedia，2009，1：1387-1394.

［4］ABANADES J C.The maximum capture efficiency of CO2using a carbonation／calcination cycle of CaO／Ca-CO3［J］.Chem Eng J，2002，90（3）：303-306.

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