关键参数对钙基吸收剂捕集烟气中CO2性能的影响

闫 润

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

0 引言

近年来，CO2排放对全球气候变化的影响受到了越来越多的关注。我国以煤炭为主的能源格局短期内不会改变，火电耗煤占煤炭消耗量的比例也在逐步增长，而由此导致的CO2排放将逐年增多。因此控制和减缓电力生产中的CO2排放刻不容缓[1]。

目前，世界各国都在研究脱除和控制CO2的技术和方法，如膜分离技术[2]、胺吸收法[3，4]、富氧燃烧法[5]、化学链燃烧法[6]、固体吸收剂吸收法等[7]。经济性将是这些方法进行应用时考虑的重要条件，采用廉价、资源丰富的吸收剂脱除CO2将是一种发展趋势。因此，利用石灰石等钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化法(cyclic calcination/carbonation reaction，CCCR)捕集烟气中CO2成为研究的热点。相对于其他分离燃煤锅炉尾部烟气中CO2的技术，钙基吸收剂 CCCR法有以下主要优点[8]:无需对锅炉尾部烟气进行升压或降温处理;吸收剂的来源广泛、价格低廉;具有同时脱除其他污染物的潜力;回收余热产生的蒸汽参数高，余热利用效率高。

本文以某亚临界600 MW机组为例，基于Aspen Plus软件分析了烟气脱碳位置、煅烧温度及碳酸化温度等关键参数对CCCR法捕集CO2系统性能的影响，以期为高效低成本捕集CO2提供参考。

1 钙基吸收剂捕集CO2的系统

为了确定烟气脱碳位置，本文建立了两种钙基吸收剂CCCR法捕集CO2的系统流程。一是烟气从省煤器出口进入CO2捕集系统(Case1)，脱碳后的贫碳烟气返回空气预热器入口，如图1(a)所示;二是烟气从除尘器出口进入CO2捕集系统(Case2)，脱碳后的贫碳烟气经余热回收后排放至烟囱，如图1(b)所示。

图1 CO2捕集系统流程Fig.1 Flow chart of CO2capture system

来自锅炉的富碳烟气首先进入碳酸化炉前的预热器HT1，经碳酸化炉出口的高温贫碳烟气预热后进入碳酸化炉，在其中发生反应如式(1)，并回收热量Q1。

碳酸化炉出口物流经气固分离器，分离出的贫碳烟气流经HT1、空气预热器或HT4(回收热量Q3)后排放至烟囱。为了置换出失效的吸收剂，需要在碳酸化炉后驰放出一部分固体物料，而循环物料则在HT3中与煅烧炉出口分离出的高温CO2气体换热后，进入煅烧炉，并发生煅烧反应(2)。

为了保持系统吸收剂的平衡，需补充新鲜Ca－CO3进入煅烧炉。CaCO3煅烧温度高于900℃，为产生高纯度的CO2，CaCO3应在煤或天然气富氧燃烧条件下进行煅烧。

煅烧炉出口物流经气固分离，分离出的CO2气体经HT3，HT2(回收热量Q2)、CO2间冷压缩单元后送至储存地点;分离出的固体物料进入碳酸化炉。

2 关键参数对系统性能的影响

2.1 机组概况

某亚临界600 MW火力发电机组的设计煤种为兖矿煤和济北煤矿的混煤。锅炉设计热效率92.55%，管道热效率99%，机组绝对电效率为45.66%，全厂发电热效率为41.84%，机组发电功率600 MW，排烟温度为135℃，机组锅炉耗煤量为245 t/h。锅炉产生的烟气参数如表1所示。

表1 烟气参数Tab.1 Flue gas parameters

2.2 Aspen模型

基于Aspen Plus 11.1，对某亚临界600 MW火力发电机组CCCR法捕集烟气中CO2系统进行了模拟。应用IDEAL模型计算常规组分的物性，使用HCOALGEN和DCOALIGT模型计算非常规组分的物性。碳酸化塔选用RGibbs模型，其工作温度设定为625℃。煅烧炉选用RGibbs模型，其工作温度设为1 000℃。气固分离器选用SSplit模型进行模拟，气固分离效率设定为100%。物料弛放采用FSplit模型模拟，弛放物料质量与固体物料总质量之比定义为弛放率，其值设为4.6%。HT1选用MHeatX模型，设定热端端差为15℃;HT2选用Heater模型，出口温度设为60℃;HT3选用MHeatX模型，设定冷端端差为40℃;HT4选用Heater模型，出口温度设为135℃。

2.3 性能评价

CO2捕集系统产生的大量余热可转化为功，为此需要额外配置汽轮机。机组增加CO2捕集系统后，毛发电功率Pgross为

式中:Pe为原机组的发电功率，MW;PCCS为CO2捕集系统余热回收多发功率，MW。

式中:QHR为CO2捕集系统回收余热，MW;ηh为余热利用效率，本文取90%;ηp为余热利用机组的管道热效率，本文取99%;ηe为余热利用机组的绝对电效率，本文取42%。

该机组增加CO2捕集系统后，净发电功率Pnet为

式中:Pgross为机组的毛发电功率，MW;Pcomp为CO2压缩耗功率，MW;PASU为空分系统耗功率，MW。

压缩每t CO2按118 kW·h计算，空分系统能耗按0.246 kW·h/kg O2计算[9]。

增加CO2捕集系统后，机组的发电热效率为

式中:Qboiler为煤在锅炉中燃烧所释放出的热量，MW;QCCS为煅烧炉所消耗能量，MW。

2.4 计算结果

在煅烧温度为1 000℃，碳酸化温度为625℃时，Case1和Case2的计算结果如表2所示。

表2 计算结果Tab.2 Calculation results

从表2可以看出，捕集 CO2后 Case1和Case2的发电热效率分别为33.23%和33.04%，分别比设计值降低了8.61和8.8个百分点。主要原因有:(1)余热回收系统热功转化效率低于原机组;原机组的发电热效率为41.84%，而余热回收系统受能量转化环节增多、蒸汽参数较低等因素制约，其热功转化效率仅为37.4%;(2)CO2压缩及空分系统耗功多，分别占净发电功率的12.4%和8.5%左右。从表2还可发现，Case1的发电热效率高于Case2，说明烟气从省煤器出口引入CO2捕集系统优于从除尘器出口。

2.5 煅烧温度对捕集CO2系统性能的影响

在碳酸化温度为625℃时，煅烧温度对捕集CO2系统性能的影响如图2所示。

图2 煅烧温度对系统性能的影响Fig.2 Influence of calcination temperature on system performance

从图2可以看出，随着煅烧温度的增加，煅烧能耗逐渐增加。这主要是因为随着煅烧温度的增加，煅烧炉和碳酸化炉之间的温度差值在增大，需要有更多的能量将碳酸化炉出口的固体循环物流加热到煅烧温度。煅烧能耗高，也导致了发电热效率逐渐下降。

2.6 碳酸化温度对捕集CO2系统性能的影响

从图3可以看出，随着碳酸化温度的增加，煅烧能耗逐渐降低。这主要是因为随着碳酸化温度的增加，煅烧炉和碳酸化炉之间的温度差值在减小，加热碳酸化炉出口固体循环物流至煅烧温度所需热量减少。煅烧能耗减低，也导致了发电热效率逐渐升高。

图3 碳酸化温度对系统性能的影响Fig.3 Influence of carbonation temperature on system performance

3 结论

以某亚临界600MW机组为例，基于Aspen Plus软件分析了烟气脱碳位置、煅烧温度及碳酸化温度等关键参数对CCCR法捕集CO2系统性能的影响，取得如下结论:

(1)烟气从省煤器出口 (Case1)引入CO2捕集系统优于从除尘器出口 (Case2)。

(2)捕集CO2后Case1和Case2的发电热效率分别比设计值降低了8.61和8.8个百分点，其主要原因为:余热回收系统热功转化效率低于原机组、CO2压缩及空分系统耗功较多。

(3)减小煅烧炉与碳酸化炉的温差，能够减低煅烧能耗，提高发电热效率。

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