一种基于太阳能供能的CCRs捕捉CO2方案研究

王忠平，陈海平，石志云，童家麟

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

随着社会经济的发展，人类对矿物燃料的需求量越来越大，造成了越来越严重的全球环境问题，其中尤以全球气候变暖问题影响范围最大、问题最严重，而且最不容易解决。全球变暖是由于以CO2为主的温室气体大量排放导致温室效应的加剧而造成的。CO2主要产生于矿物燃料的燃烧过程。在以矿物燃料为主要能源的电力生产中排放出的CO2量超过其总排放总量的30%，控制和减缓电力生产中CO2排放对于解决全球变暖和温室效应问题具有重要意义[1～2]。

火电厂CO2捕捉迫在眉睫，目前，国内的华能北京热电和上海石洞口二电厂进行了示范性质、实验性质的部分CO2捕捉。他们均采用现在技术比较成熟的甲基乙醇胺(MEA)法进行捕捉，由于煤燃烧的烟气排放量大，其中所含CO2的分压低，所以该技术仍旧是高耗能、高成本的分离技术，而且烟气中所含的SO2、NOx也会与MEA形成热稳定性的盐类，对吸收剂造成一定的损害，从而每分离1 t CO2需33～73美元，另外吸收剂的再生也需要耗能[3]。

近年来，CaO以其高的CO2吸附容量和低廉的成本、较长的使用寿命并具有良好的抗磨特性而成为优选的高温CO2脱除剂，CCRs技术也因此得到了国内外专家学者的重视。但是，CCRs技术中的碳酸化反应的反应控制温度是600～700℃，锻烧反应的反应控制温度850～900℃，而主要的能源消耗在锻烧反应这一过程，如果这个过程在电厂中采用抽气或者电加热，无形中又会增加CO2的排放。因此，基于以上的考虑提出一种基于太阳能供能的CCRs捕捉火电厂CO2的回收系统，该系统将太阳能集热技术和钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化法(CCRs)进行耦合，采用太阳能作为CCRs的能量来源，如图1。

图1 基于太阳能供能的CCRs捕捉CO2流程简图Fig.1 multiple cyclic CCRs process for CO2separation based on solar energy supply

1 高温太阳能集热技术

近年来随着传统能源危机以及环境、气候变暖等问题日益突出，各国专家学者十分重视太阳能的研究，促进了太阳能集热技术的发展。目前，按集热器类型的不同，聚光式太阳能集热系统可分为3大类:槽式系统、塔式系统和碟式系统[4～5]。三种太阳能集热系统的数据参数，如表1所示。

表1 三种太阳能集热系统的性能比较Tab.1 The performance compares of three solar energy systems

通过表1可知塔式和碟式集热系统的温度范围符合煅烧反应的要求，但槽式集热系统发展较成熟且技术开发风险低，目前已实现商业化运行。综合以上考虑，文中选用槽式和塔式两种太阳能集热系统串联的方式进行耦合。

2 CCRs反应机理

钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化法的主要过程如图1所示。烟气中的CO2与CaO在吸收反应器中进行气固反应，生成CaCO3。

由化学方程式(1)可知，碳酸化反应的标准摩尔反应焓变ΔrHθm=－178 kJ/mol，说明这是一个强放热反应，在进行吸收反应时需要将这部分热量及时导出，以维持吸收反应器一直处于最佳反应温度(600～700℃)。吸收剂CaO在整个过程中是循环使用的，因此需要将生成的CaCO3送至再生反应器进行煅烧，分解生成CaO和高浓度的CO2。由化学方程式(2)可知，再生反应是一个耗能过程，这部分能量在实验状态下由电加热或燃料燃烧提供。再生的CaO再次进入到吸收反应器循环吸收CO2。由于CaO的活性随着循环次数的增加而递减，因此在整个循环过程中为了保持较高的CO2脱除率，需要补充新鲜的吸收剂并排出失活的吸收剂[6～7]。

3 双流化床反应器

3.1 双流化床反应器的结构

由Shimizu T等人提出的双流化床反应器可以很好的应用在CCRs技术上，它由吸收反应器和再生反应器组成，通过连接管实现了物料在反应器和再生器之间连续循环煅烧/碳酸化。目前，国内对基于CCRs的双流化床反应器的研究刚刚开始，清华大学房凡等人在此基础上提出了双鼓泡床用于CCRs的设计思路，并对双鼓泡床的形式与结构进行设计，进而建造冷态实验装置，反应器结构如图2所示。反应器由鼓泡床、固体喷射管、提升管、分离器与下降管等组成[11]。

图2 CaO吸收CO2/CaCO3煅烧再生过程Fig.2 CaO carbonation － calcination cycle to capture CO2

图3 双流化床反应器示意图Fig.3 Schematic of dual fluidized － bed reactors

3.2 双流化床反应器的设计理论

在双流化床的设计中，反应器的大小和吸收剂的循环量是两个重要参数。反应器的大小设计参见房凡等人的基于CCRs过程的双流化床反应器设计与冷态实验[11]。本文重点讨论吸收剂循环量的确定，定义在吸收反应器内，单位时间被CaO吸收的CO2质量为

式中 FCO2，in——进口 CO2摩尔流率/kmol·s－1;

FCO2，out——出口 CO2摩尔流率/kmol·s－1;

FCO2——单位时间CaO吸收CO2的摩尔量。

定义吸收剂的转化率为

式中 Mactual——吸收剂循环煅烧/碳酸化过程的实

际质量;

Mf，abs——CaO 完全转化 CaCO3后的质量;

Mf，reg——CaCO3完全煅烧后的质量。

经过推导，采用公式(6)来确定双流化床中吸收剂的循环量FR(细节可参见Li[9])

式中 FR——吸收反应器向再生反应器传输的固

体循环量/kmol·s－1;

F0——新鲜吸收剂的加入量/kmol·s－1;

a、b、f——常数。

3.3 案例设计与分析

现运用推导公式6进行算例分析，具体设计参数见表2，如果要求90%的CO2吸收率，通过计算得出固体循环量m=4.56 g/s。将计算结果与国外相关研究[10－11]进行比对，误差在可控范围内，误差来源主要是因为所选参数略有不同造成的，说明推导公式(6)具有一定可靠性。

表2 设计参数表Tab.2 Design parameter

4 太阳能集热技术与CCRs系统耦合分析

根据以上对太阳能集热器与双流化床CCRs反应器的分析与讨论，结合电厂实际情况，提出一种基于太阳能供能的CCRs捕捉CO2工艺流程，如图4。

图中太阳能集热系统采用槽式和塔式串联的混合集热器，通过定日镜循环工质先在槽式集热器内预热之后进入汽水分离器，分离出的干饱和蒸汽进入塔式集热器内加热到煅烧所需温度后，输送至煅烧反应器进行热交换。在一些特定情况下(阴雨天气等)，当太阳能集热器无法满足煅烧条件时，采用电辅助加热系统对反应器供能，以保证CO2捕捉可持续进行。CCRs碳减排系统部分主要以文中介绍的双流化床反应器为基础进行流程的设计，该套装置实现了物料在反应器和再生器之间连续循环煅烧/碳酸化，CaO循环量可根据公式(6)进行确定。

图4 太阳能与CCRs系统耦合简图Fig.4 Diagram of solar energy is cascaded with CCRs

5 结论

文中讨论与分析了CCRs技术与太阳能集热技术，并从电厂的实际情况进行系统耦合，将太阳能用于CCRs碳减排系统。在减排过程中没有化石燃料的消耗，实现了真正意义上的CO2减排。

但是，这一方案的应用还有一些需要考虑的问题:

(1)太阳能集热器:塔式集热技术目前处于示范研究阶段，集热性能不稳定，对于如何保证它的能量供应能符合煅烧反应，还有待进一步解决;

(2)能量合理利用:CCRs技术中的碳酸化反应是一个强放热过程，完全可以将这部分能量合理利用，进一步实现节能减排这一目的;

(3)成本:新设备初投资、安装、维修等方面都会影响成本，尤其是高温太阳能集热器。高温太阳能集热器成本较高，占地面积较大，也是目前国内外专家学者亟待解决的问题。

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