钙基吸收剂捕集1 000 MW机组烟气中CO2的性能分析

张学镭，崔巍

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北省保定市 071003)



钙基吸收剂捕集1 000 MW机组烟气中CO2的性能分析

张学镭，崔巍

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北省保定市 071003)

针对某1 000 MW超临界机组，建立了基于钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化法捕集CO2的系统流程，研究了弛放率、气固分离效率、钙碳摩尔比对煅烧能耗、发电热效率及循环固体质量流量的影响。结果表明：引入碳捕集系统后，机组发电热效率为34.6%，较设计值降低了9.6%；将碳捕集系统回收热量用于发电，电厂净输出功率增加了113.4 MW；随着弛放率的提高，发电热效率、循环固体物料质量流量均下降，煅烧能耗先下降后升高；随着气固分离效率的提高，发电热效率、循环固体物料质量流量均升高，煅烧能耗先下降后升高；随着钙碳摩尔比的提高，煅烧能耗、发电热效率和循环固体物料质量流量均升高。

CO2捕集；煅烧；性能分析；烟气

0 引 言

CO2等温室气体的排放量过高是导致全球气候变暖的主要因素之一。煤炭作为我国电力生产的主要能源，其燃烧产生的CO2约占排放总量的50%，是我国最大的CO2排放源[1]。因此，减少燃煤电厂CO2排放量是控制和解决全球气候变暖和温室效应的重要途径之一。

近年，国内外学者对燃煤电厂碳捕集进行了深入的研究，并取得了显著成果。火电机组采用钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化法捕集CO2的方法，由于石灰石价格低廉、储量大、可循环利用，同时具有脱除CO2与SO2能力，相比其他捕集方法具有一定的优势。Davison J[2]分别考察了燃烧前、燃烧后和富氧燃烧这3种碳捕集方式的电厂效率，结果表明燃烧前与富氧燃烧这2种碳捕集方式下的电厂效率为31.5%～35.4%，而燃烧后碳捕集方式下的电厂效率为34.5%～35.3%，效率相对较高。乔春珍[3]将CaCO3煅烧产物冷却到常温后与蒸馏水发生水合反应，再进行碳酸化反应，发现水合作用提高了吸收剂活性。陈鸿伟等[4]研究了蒸汽活化作用下钙基吸收剂脱碳特性，发现无水合时，40次碳化循环后的样品碳化活性降至18%，而在每2次碳化循环后进行1次蒸汽活化，可使样品保持65%的平均转化率。Wang等[5-6]基于505 MW机组，研究了在水合作用下，钙基吸收剂循环捕集CO2的热力系统性能，对比了不同碳捕集方式下的系统性能，并分析了关键参数对系统性能的影响。

目前，提高钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化法捕集CO2系统的性能已经成为研究的热点。文献[7]以1 000 MW燃煤发电机组为例，分析关键参数对煅烧能耗、固体循环量和系统热力性能的影响，但未考虑水合反应对吸收剂活性和系统能耗的影响。为此，本文利用Aspen Plus软件建立了循环煅烧/碳酸化法捕集CO2的系统流程，增加了水合反应模块以提高吸收剂活性，分析了弛放率、煅烧后气固分离效率、钙碳摩尔比对煅烧能耗、发电热效率及煅烧前循环固体质量流量的影响。

1 CO2捕集系统

CO2捕集系统主要由碳酸化/硫酸化炉、煅烧炉和水合器等3个设备组成，图1为系统示意图。在碳酸化炉中发生多个反应：(1)Ca(OH)2分解生成CaO和H2O；(2)烟气中的CO2、SO2与CaO发生反应生成CaCO3、CaSO4；(3)将固体物料送至煅烧炉中加热，分解成CaO与CO2，其中CO2经回收余热后压缩储存，CaO进入水合器后与H2O反应生成Ca(OH)2，然后送至碳酸化炉。煅烧过程中由煤的富氧燃烧提供热量以保证煅烧温度达到950 ℃。为了避免废弃物的循环堆积，需要弛放出一定量的固体物料，并在煅烧炉中添加新鲜吸收剂CaCO3。

从图1中可以发现CO2捕集系统过程有以下几个优点：(1)由于整个过程发生在高温下，产生大量高质量的热，因此，可以通过热交换或蒸汽发电提高电厂热效率，实现一个具有低能量损失和经济性好的碳捕获过程。(2)碳捕集系统可以同时去除CO2、SO2。(3)吸附剂原料为石灰石，成本低廉，使得操作成本较低。

图1 CO2捕集系统示意图Fig.1 Diagram of CO2 capture system

2 建立模型

2.1 机组概况

选用国内某超临界1 000 MW机组作为研究对象。表1为该超临界机组主要参数，表2为煤的成分分析。

表1 1 000 MW超临界机组主要参数

Table 1 Main parameters of 1 000 MW supercritical power unit

表2 煤的成分分析Table 2 Component analysis of coal %

2.2 系统流程

系统流程如图2所示。空气预热器(AIRH)加热一次风后与磨煤机磨制好的煤粉混合送入锅炉(BOILER)，煤在锅炉中燃烧产生的大量烟气，流经尾部受热面(ECONOM)，释放热量Q1。随后进入碳酸化炉(CARBON)进行反应，反应产物进入气固分离器(SEP-2)，分离出的气体依次流过换热器(MH-1)(回收热量Q2)、空气预热器后排出；分离出的固体在固体分离器(FSP-3)中弛放出部分固体物料，剩余循环固体与新鲜CaCO3混合，并在换热器(MH-2)中与煅烧炉出口分离出的高温CO2气体换热后，进入煅烧炉(CALCIN)。煅烧炉出口物料进入气固分离器(SEP-3)，分离出的固体进入水合器中，与水蒸气反应放出热量Q4，然后进入碳酸化炉；分离出的CO2气体依次流经换热器(MH-3)加热煅烧炉所需O2、换热器(MH-4)加热水合器所需水蒸气，最后通过换热器(HEATER-2)后(回收热量Q3)压缩储存。

图2 捕集CO2系统流程Fig.2 Processes of CO2 capture system

2.3 系统模型参数的设置

利用Aspen Plus软件对循环煅烧/碳酸化法捕集CO2系统进行模拟。表3为系统主要模型参数。表中RCa∶C表示进入碳酸化炉的吸收剂与烟气中CO2物质的量之比。在碳酸化反应器中，1.4∶1的钙碳摩尔比可以脱除90%的CO2与100%的SO2[8]，因此RCa∶C取1.4。

表3 模型参数

Table 3 Model parameters

由于系统在循环过程中弛放出部分固体物料以及累积的惰性固体CaSO4，使得吸收剂活性下降，故需要不断添加新的吸收剂以确保吸收剂活性。补充新鲜吸收剂的流量由下式[7]确定：

(1)

式中：FCO2为烟气中CO2的摩尔流量，kmol/s；FSO2为烟气中SO2的摩尔流量，kmol/s；F0为补充新鲜吸收剂CaCO3的摩尔流量，kmol/s；ηsep-2为煅烧炉后气固分离器SEP-2的分离效率；ηsep-3为碳酸化炉后气固分离器SEP-3的分离效率；ηpurge为固体分离器FSP-3的弛放率。

3 结果计算与分析

3.1 系统性能计算

从系统流程图2可知，燃烧系统产生的热量为：锅炉有效利用热(Q1)、脱碳后洁净烟气的热量(Q2)；碳捕集系统可回收热量来自2个部分：高温CO2气体热量(Q3)、水合器中的反应热(Q4)。为简化计算，碳捕集系统的余热利用率取90%，余热的绝对电效率取48.95%。则该机组增加CO2捕集系统后，系统的毛发电功率为

Pgross=[Q1+Q2+(Q3+Q4)ηh]ηpηe

(2)

式中：ηh为余热利用效率；ηp为管道效率，取98%；ηe为绝对电效率。

在CO2捕集系统中，煅烧时富氧燃烧的煤耗量、空气中分离O2以及洁净CO2压缩使得系统功耗率增加，故系统的净发电功率为

Pnet=Pgross-PASU-Pm-Pcomp

(3)

式中：PASU为空气分离系统功率，按200 (kW·h)/t O2计算；Pm为磨煤机功率，按0.022 (kW·h)/t煤计算；Pcomp为CO2压缩功率，按119 (kW·h)/t计算。

当增加CO2捕集系统后，机组发电热效率ηcp为

ηcp=Pnet/(Qboiler+Qcal)

(4)

式中：Qboiler为煤在锅炉中燃烧释放的热量；Qcal为煅烧能耗。

3.2 系统流程模拟结果

利用Aspen Plus软件对上述系统流程进行模拟计算。表4为煤炭燃烧烟气成分，表5为模拟系统的性能指标。

从表4、5看出，该1 000 MW机组集成CO2减排系统以后，机组发电热效率为34.6%，较设计值降低了9.6%。主要原因是：煅烧过程消耗大量能量，占系统输入总能量的29.6%，虽然这部分能量在后续的环节得以部分回收，但中间增加了能量转换过程，导致能量损耗严重；空气分离系统与CO2压缩能耗较高，分别占毛发电功率的4.4%与8.9%。

表4 烟气成分

Table 4 Flue gas composition

表5 性能指标Table 5 Performance index

3.3 敏感性分析

本文分析了弛放率、气固分离效率和钙碳摩尔比对煅烧能耗、发电热效率及煅烧前循环固体物料质量流量的影响，结果如下。

图3为弛放率对煅烧能耗、发电热效率及煅烧前循环固体质量流量的影响。由图3(a)可以看出，随着弛放率的增加，煅烧能耗在弛放率为0.02时降到最低点。煅烧炉所需输入能量主要由2部分构成：(1)循环固体在煅烧炉中所吸收的能量；(2)CaCO3在煅烧炉内分解所需能量。煅烧能耗的升高，是由于弛放率从0.02增加到0.06时，循环固体的质量流量下降了4.2%，从而使加热循环固体所需热量降低，但同时添加了新鲜吸收剂，导致循环固体中的CaCO3质量流量增加了2.1%，其分解所需能量远远超过吸热降低所补偿的能量。煅烧能耗的下降，刚好与上升相反，即分解补偿能量大于吸热升高所需能量。由图3(b)看出，随着弛放率增加，循环固体质量流量逐渐下降，CaCO3质量流量增加。这是因为随着弛放率的提高，一方面补充新鲜吸收剂CaCO3质量流量增加，另一方面随着弛放率的增大循环过程中累计的CaSO4以及失效吸收剂质量流量降低。但由于CaSO4与失效吸收剂的降低量远大于CaCO3的增加量，故循环固体物料质量流量下降。从图中还可以看出，由于煅烧能耗的升高，导致系统的发电热效率逐渐降低。

图3 固体弛放率对系统性能的影响Fig.3 Influence of solid purge rate on system performance

图4为气固分离器(SEP-2)分离效率对煅烧能耗、发电热效率及煅烧前循环固体质量流量的影响。由图4(a)中看出，煅烧能耗在气固分离效率为98%时达到最小值。煅烧能耗的升高，这是因为当气固分离效率从98%增加到100%时，循环固体质量流量升高7.6%，但循环固体中的CaCO3流量降低了1.2%，其分解补偿热量远小于吸热量升高的能量。而煅烧能耗的下降刚好相反。由图4(b)看出，随着气固分离效率增加，循环固体质量流量逐渐升高，CaCO3质量流量下降。这是因为随着气固分离效率的提高，补充新鲜吸收剂CaCO3质量流量降低、失效吸收剂与CaSO4质量流量不断累积增多，但由于CaCO3质量流量降低量较小，故循环固体质量流量逐渐升高。从图4中还可以看出系统的发电热效率随着气固分离效率的升高而逐渐降低。

图4 气固分离效率对系统性能的影响Fig.4 Influence of gas solid separation efficiency on system performance

图5为钙碳摩尔比对煅烧能耗、发电热效率及煅烧前循环固体质量流量的影响。由图5可以看出随着钙碳摩尔比的升高，煅烧能耗、发电热效率、循环固体质量流量逐渐升高。这是由于补充新鲜吸收剂CaCO3的质量流量增加，循环固体质量流量增加，使得煅烧能耗增加，同时水合作用过程中放热量、碳捕集系统回收的热量及净发电功率增加，导致系统的发电热效率升高。

4 结 论

(1)对现有1 000 MW超临界机组进行碳捕集系统集成后，机组发电热效率下降了9.6%。主要是由于煅烧能耗、空气分离能耗、CO2压缩能耗较高。

(2)碳捕集系统通过合理的能量回收利用后，可利用热量达到712.78 MW，电厂净输出功率增加113.4 MW。

图5 钙碳摩尔比对系统性能的影响Fig.5 Influence of Ca-C ratio on system performance

(3)随着弛放率的提高，发电热效率、循环固体物料质量流量均下降，煅烧能耗先下降后升高；随着气固分离效率的提高，发电热效率、循环固体物料质量流量均升高，煅烧能耗先下降后升高；随着钙碳摩尔比的提高，煅烧能耗、发电热效率和循环固体物料质量流量均升高。

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(编辑：蒋毅恒)

CO2Capture Performance from Flue Gas in 1 000 MW Unit with Using Ca-Based Sorbent

ZHANG Xuelei, CUI Wei

(School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003, Hebei Province, China)

A system process of Cyclic Calcinations/Carbonation based on the method of calcium-based sorbents was proposed for the CO2capture in a 1 000 MW supercritical power unit. The impact of purge rate, the gas-solid separation efficiency and the molar ratio of Ca and C on the energy consumption of calcination, the power generation thermal efficiency and the flow rate of circulating solids was studied. The results show that: after the introduction of carbon capture systems, the thermal efficiency of electricity generation for the unit is 34.6%, which is 9.6 % lower than the designed value; while after using heat recovery of carbon capture system to generate electricity, the net increase in the output power of the power plant reaches 113.4MW. With the increase of purge rate, the thermal power generation efficiency and the mass flow of solid circulating material decrease, and the energy consumption of calcination decreases first and then increases. With the increase of the efficiency of gas-solid separation, the thermal power generation efficiency and the mass flow of solid circulating material increase, and the energy consumption of calcination decreases first and then increases. With the increase of the mole ratio of Ca and C, the energy consumption of calcination, the thermal power generation efficiency and the mass flow of solid circulating material all increase.

CO2capture; calcination; performance analysis; flue gas

教育部中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(09MG34)。

TM 611; X 701

A

1000-7229(2015)05-0119-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.019

2015-02-02

2015-03-20

张学镭(1977)，男，博士，副教授，主要研究方向为电站冷端系统优化运行关键技术、先进能源动力系统的建模与优化；

崔巍(1990)，男，硕士研究生，主要研究方向为燃煤电厂烟气脱碳的集成与优化。

Project Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (09MG34).