集超临界水煤气化和CO2捕集的CO2/H2O动力循环性能

赵文娟， 陈亚平，吴嘉峰， 朱子龙， 吕浩男

(东南大学 能源与环境学院, 南京 210096)

符号说明

E———低位热值,MJ/kgh———比焓,kJ/kgqm———质量流量,kg/sp———压力, MPaR———耗功比,%s———比熵,kJ/(kg·K)T, t———温度,℃V———体积,m3W———功率,kWw———比功,kW/kgY———气相质量分数Δ———差值

Δtp———夹点温差,Kη———效率ξ———CO2质量分数ζc,v———气相CO2质量分数Cop———制冷系数上标'———换热器进口参数″———换热器出口参数下标aux———辅助设备ASU———空分单元c———CO2C———压缩机cf———冷流体cp———燃烧产物e———抽汽f———合成气g———发电机gr———毛值hf———热流体in———进口net———净值o———O2out———出口P———泵ref———制冷机s———比熵sat———饱和T———透平vac———水环真空泵w———H2O

近年来，煤炭在一次能源消费中的比例从76%下降到64%，但是煤炭消耗总量却逐年上升，并且用于电力和热力生产的煤炭超过煤炭消耗总量的60%[1]。燃煤发电产生的CO2排放量超过CO2总排放量的40%[2]，是导致我国单位能源消耗CO2排放量高的根本原因。因此，发展高效清洁的煤炭利用方式及可行的CO2减排方案是当务之急。CO2捕集与封存(CCS)技术是实现CO2规模化减排的战略性技术。目前，传统燃煤电厂主要对烟气中的CO2进行吸收、吸附和提纯，但由于烟气中CO2含量低，而且低压透平中超过50%的蒸汽用于再沸CO2吸收溶剂，导致分离过程复杂且成本高，循环净效率降低近20%[3]。如果用纯氧代替空气，将大大提升烟气中的CO2含量，使分离和液化成本降低，同时可降低NOx、SOx等污染物的排放量[4]。超临界水煤气化(SCWG)技术因操作温度低、H2产率高、零NOx排放、零SOx排放等特点获得了广泛的关注。笔者建立了集成SCWG技术和碳捕集的燃气蒸汽混合工质动力循环(GSMC-C循环)系统，主要包括SCWG过程、CO2捕集过程与循环流程的集成，并探讨关键参数对于循环性能的影响，实现煤炭的高效清洁利用及CO2全捕集，为燃煤电厂改造提供参考。

1 GSMC-C循环系统介绍

1.1 系统设计

GSMC-C循环主要包括气化炉系统、燃烧室系统、透平发电系统、冷凝器、8级抽汽给水回热系统和CO2捕集液化系统。GSMC-C循环原理图见图1，其中：HE表示换热器，TT表示超高压透平，HT表示高压透平，MT表示中压透平，LT表示低压透平。

图1 GSMC-C循环原理图

1.2 热力过程

以褐煤为原料，水煤浆和超临界水进入气化炉，在25 MPa、700 ℃条件下，转化为以H2、CO2、CH4、CO为主要成分的合成气，合成气主要成分见表1[5]。

表1 合成气主要成分

质量流量为1 kg/s的褐煤生成的合成气质量流量为1.522 kg/s，褐煤的热值为15.05 MJ/kg，合成气的热值为17.74 MJ/kg，所以单位质量褐煤的煤气化吸热量为1.793 MJ/kg[5]。近72%的合成气进入高压燃烧室中与O2进行完全燃烧反应，循环H2O作为调节流体注入燃烧室，在燃烧室的出口处与燃烧产物混合形成以H2O为主要成分的CO2/H2O混合工质。空分单元(ASU)单位制氧功耗取0.245 kW·h/kg，并将液氧的体积分数近似为100%。高压燃烧室出口的高温、高压的CO2/H2O混合工质先后在超高压透平及高压透平中膨胀做功。高压透平排气作为调节工质进入再热燃烧室与燃烧产物混合进行升温。再热燃烧室出口温度高于720 ℃的CO2/H2O混合工质先进入气化炉，提供气化反应需要的热量和加热超临界水的热量，气化炉漏热损失为3%，之后进入中压透平和低压透平膨胀做功。由于抽气压力与抽气量呈负相关，因此笔者尽可能地降低抽气压力，使更多的压能转化为汽轮机做功，造成的抽气量适当增大是划算的。

由于循环工质是CO2/H2O混合物，在冷凝器中，冷凝温度与冷凝压力是独立变量。由于不凝性气体CO2的分压作用，GSMC-C循环中的冷凝压力比纯蒸汽电厂高。利用物理方式从不凝性气体中液化H2O，实现CO2和H2O的初步分离。水环真空泵[6]不断地从冷凝器中抽出含少量蒸汽的CO2气体，气相中CO2的质量分数由道尔顿分压定律和相平衡确定。在CO2捕集过程中，水环真空泵的效率取40%。受液氧冷能的限制，CO2的捕集参数提高到4 MPa/5 ℃，并增加制冷机组冷冻水，辅助实现CO2的液化捕集。由于CO2捕集压力较高，采用两级压缩较一级压缩的系统净效率更高。由于在低温条件下，CO2在H2O中的溶解度极低[7]，所以假设从冷凝器排出的液体中只有H2O一种组分。在8级抽汽回热系统中，回热器的焓升采用平均分配法，假设循环H2O在每个回热器中的焓升是相等的，由此计算得到循环工质在每级回热器的回热温度。

2 热力学模型

2.1 关键参数和限制条件

在GSMC-C循环中，忽略设备和管道的压损，但是考虑到流动阻力，将压缩机和泵的功耗增加10%的裕量。给水加热器及CO2捕集过程中的气液预冷器、冷却器、液化器的夹点温差均设为8 K，忽略换热过程中的散热损失。计算过程中的关键参数见表2(其中，各参数下标为图1状态点或设备，下同)。

表2 GSMC-C循环中的关键参数和限制

2.2 热力学模型建立

基于NIST数据库，用REFPROP软件计算循环工质的热物性，利用MATLAB软件调用热物性函数进行数值模拟计算，GSMC-C循环的计算公式见表3。基于质量守恒定律、能量守恒定律、道尔顿分压定律进行纯物质和两相物质的参数计算。

表3 GSMC-C循环热力学模型

表3(续)

3 计算结果分析

忽略气化炉中的气化压力对合成气成分的影响，假设随着气化压力在25～35 MPa变化，合成气的成分固定且超高压透平进口压力与气化压力一致。重点研究超高压透平进口参数、冷凝参数、ASU单位制氧功耗等关键参数对GSMC-C循环性能的影响。

3.1 整体参数

在超高压透平进口参数和冷凝参数分别为30 MPa/650 ℃、30 kPa/30 ℃，ASU的单位制氧功耗为0.245 kW·h/kg，CO2捕集参数为4 MPa/5 ℃时，GSMC-C循环的整体参数见表4。

表4 GSMC-C循环整体参数

3.2 超高压透平进口参数对循环性能的影响

图2为在超高压透平进口压力分别为25 MPa、30 MPa、35 MPa下，超高压透平进口温度对循环净效率、超高压透平出口温度和匹配压力的影响。由图2可以看出：随着超高压透平进口温度的升高，净效率和毛效率增大。在超高压透平出口压力设置为16 MPa的情况下，当超高压透平进口压力由25 MPa升高到35 MPa时，保证超高压透平出口温度为540 ℃的超高压透平进口温度为620～680 ℃，且超高压透平进口温度对于循环净效率的影响大于压力。在超高压透平进口参数为30 MPa/650 ℃，冷凝器出口参数为30 kPa/30 ℃，ASU单位制氧功耗为0.245 kW·h/kg时，实现CO2全捕集的GSMC-C循环系统的净效率和毛效率分别为41.34%和48.06%。

图2 超高压透平进口参数对性能的影响

图3为在超高压透平进口压力分别为25 MPa、30 MPa、35 MPa下，超高压透平进口温度对透平输出比功、辅助设备消耗比功和辅助设备耗功比的影响。由图3可以看出：在超高压透平进口压力为30 MPa时，当超高压透平进口温度从600 ℃升高到700 ℃时，透平输出比功从9.58 MW/kg升高到9.89 MW/kg，此时计算得到褐煤的质量流量为31 kg/s。辅助设备消耗比功在2.3 MW/kg左右，约占透平输出比功的25%。在辅助设备耗功的组成中，压缩机耗功占辅助设备耗功的55%，制冷机组耗功占辅助设备耗功的8%，泵耗功占辅助设备耗功的37%。

图3 超高压透平进口参数对耗功的影响

3.3 ASU单位制氧功耗对循环净效率的影响

图4为ASU单位制氧功耗对循环净效率和ASU耗功比的影响。在冷凝器出口参数为30 kPa/30 ℃时，当ASU单位制氧功耗从0.2 kW·h/kg增加到0.3 kW·h/kg时[8-9]，净效率下降6.5百分点，ASU耗功为11.2%～17.6%。所以ASU制氧可以作为移峰储能的手段之一。

图4 ASU单位制氧功耗对循环净效率和ASU耗功比的影响

3.4 冷凝参数对循环净效率的影响

图5为冷凝器参数对循环净效率的影响。

图5 冷凝器参数对效率的影响

由图5可以看出：当冷凝器出口温度一定时，在实现CO2全捕集的条件下，每个冷凝器出口温度都存在使循环效率最高的最佳冷凝压力。在冷凝器出口温度低于34 ℃时，对应的最佳冷凝压力均为18 kPa；冷凝器出口温度高于34 ℃时，最佳冷凝压力随着冷凝器出口温度的升高而增大，同时循环净效率下降。

图6为冷凝器参数对CO2捕集过程耗功的影响。由图6可以看出：当冷凝压力一定时，CO2在气相中的体积分数随着冷凝器出口温度的升高而降低。CO2捕集过程消耗的压缩功占辅助设备总耗功量的50%左右，制冷机组耗功占辅助设备耗功的8%左右，且随冷凝器出口温度的升高而增大。

图6 冷凝器参数对CO2捕集过程的影响

3.5 与其他耦合CO2捕集的循环参数对比

GSMC-C循环与耦合CO2捕集的传统燃煤电厂(PF电厂)[10]、整体煤气化联合循环(IGCC循环)[11]、天然气联合循环(NGCC循环)[12]及超临界CO2布雷顿循环(s-CO2循环)[13]的参数对比见表5。GSMC-C循环在实现CO2捕集后，仍然具有较高的效率，并且循环最高温度低于耐高温材料温度限值，具有独特的优势，可以作为其他IGCC循环、NCCC循环或s-CO2循环方案的CO2捕集电厂的替代方案，也可为既有燃煤电厂的CO2捕集升级改造提供参考。

表5 GSMC-C循环与其他耦合CO2捕集的循环的参数对比

4 结语

GSMC-C循环基于超临界水煤气化反应以CO2/H2O为循环工质，集高效率发电、CO2捕集、低NOx排放、移峰储能等功能为一体，研究所得结论如下：

(1) GSMC-C循环的净效率随着超高压透平进口参数的升高而增大，且超高压透平进口温度对净效率的影响大于压力，在冷凝器出口温度一定的情况下，存在最佳冷凝压力使循环效率最高。

(2) CO2捕集参数由冷凝参数和液氧冷能决定。受液氧冷能的限制，增加制冷机组提供冷能，并将CO2的捕集参数提升至4 MPa/5 ℃。

(3) 采用低热值褐煤为燃料，超高压透平进口参数和冷凝参数分别为30 MPa/650 ℃、30 kPa/30 ℃，ASU的单位制氧功耗为0.245 kW·h/kg时，在实现CO2全捕集的情况下，GSMC-C的循环净效率和毛效率分别为41.34%和48.06%。GSMC-C循环可作为IGCC循环、NCCC循环、s-CO2循环等方案的CO2捕集电厂替代方案，也可为既有燃煤电厂的CO2捕集升级改造提供参考。