集成ORC的太阳能辅助燃煤碳捕集发电系统全生命周期分析

董志坚， 叶学民， 宋睿哲， 李春曦

(1.华北电力大学 动力工程系，河北保定 071003；2.华北电力大学 河北省低碳高效发电技术重点实验室，河北保定 071003；3.华北电力大学 保定市低碳高效发电技术重点实验室，河北保定 071003)

近年来，我国对各种减排设备和可再生能源的投入比例日渐增多，旨在尽早实现碳达峰及碳中和的发展目标。燃煤发电可产生持续、稳定的电力，为缓解清洁能源的供应紧张和可再生能源的波动性、不稳定性贡献了中坚力量。因此在未来几十年，燃煤发电仍占据全球发电的主导地位。燃煤电厂排放的污染物会造成很多环境问题，如温室效应、酸化和富营养化等[1]。为提高燃煤电厂的清洁生产，必须在组成层面了解发电系统环境污染的形成原因。生命周期评价(LCA)可评估技术、产品和服务在整个生命周期中的环境有效性，包括目的和范围、清单数据、影响评估和对生命周期结果的解释。同时LCA作为一种环境管理工具，已在能源清洁利用和生产领域得到广泛使用[2]。

针对燃煤发电带来的环境影响，Rasheed等[3]对巴基斯坦沙希瓦尔的某清洁燃煤电厂原材料运输和电厂运行阶段进行了生命周期评价，指出各种环境影响类别得分中，气候变化潜势(CCP)和平流层臭氧消耗潜势(ODP)分别取得最高和最低得分，燃煤电厂的运行阶段主要影响除人类毒性潜势(HTP)外的其他中点影响类别,如CCP、陆地酸化潜势(TAP)、ODP、陆地生态毒性潜势(TEP)及非生物枯竭潜势(ADP)。Nie等[4]采用LCA方法对含氧燃料燃烧和燃烧后CO2捕集技术进行了评估和比较。Petrescu等[5]对比了分别采用甲基二乙醇胺(MDEA)、水氨和钙环的燃烧后碳捕获与封存(CCS)技术的超临界燃煤电厂与不采用CCS技术的超临界燃煤电厂的技术性能，基于LCA评估了上述4种方案生命周期内的环境影响。燃煤电厂中通过整合太阳能可减少集成系统污染物排放，Zhai等[6]分别对330 MW、600 MW和1 000 MW容量的3种子系统(即燃煤发电系统和有无蓄热的太阳能辅助燃煤发电系统)进行了LCA分析，指出3种子系统的污染物排放和一次能源消耗(PEC)主要发生在燃料处理和运行阶段。Oró等[7]比较了太阳能发电厂高温混凝土、熔融盐储热介质中的显热存储以及使用相变材料的潜热存储3种不同的热能存储系统的环境影响，指出显热存储在液体介质中的熔融盐系统需要更多的材料和复杂的设备，且对环境影响较大。Liu等[8]采用LCA方法评估了余热回收有机朗肯循环发电厂的环境影响，指出电厂建设阶段对全球变暖潜势(GWP)和富营养化潜势(EP)的贡献最大，所有环境影响类别中GWP影响最大，HTP其次。王云等[9]运用LCA方法评估了集成CCS前后燃煤发电系统的CO2排放量，表明燃煤发电系统集成CCS设备可减排86%CO2。王继选等[10]研究了太阳能辅助燃煤碳捕集发电系统各阶段对环境影响的贡献，指出系统运行阶段CO2排放最高，且耦合CCS后，CO2排放、陆地酸化潜势和固体废弃物对环境的贡献均有所降低。贾亚雷等[11]对风电、光伏发电和燃煤发电进行了LCA分析，表明建设阶段对风电和光伏发电的碳排放影响较高，而燃煤发电的碳排放主要集中于运行阶段。由此可见，LCA方法可在不同过程阶段量化相关的环境影响，有助于决策者制定解决方案，实现能源的清洁利用和生产。

目前，实现燃煤发电节能减排的方式除采用碳捕集系统、提高机组的容量外，还可集成部分新能源(太阳能、地热能和生物质能等)和辅助设备(有机朗肯循环(ORC)、吸收式热泵及超临界CO2循环等)。对于集成ORC和太阳能的燃煤碳捕集发电系统，目前尚没有完整的LCA分析，对燃煤发电机组与集成ORC和太阳能的燃煤碳捕集发电系统之间LCA的比较也未见报道；另外，关于集成辅助设备对系统生命周期环境影响方面的研究较少。基于此，笔者构建了一种更清洁、高效的集成ORC与太阳能的燃煤碳捕集发电系统，通过回收再沸器前蒸汽、再沸器冷凝水和CO2压缩过程的能量，提高能源的利用效率，实现煤炭的清洁生产；对燃煤发电系统和集成ORC的太阳能辅助燃煤碳捕集发电系统进行LCA分析，研究集成辅助设备对各系统生命周期内环境类别的影响，并对碳捕集系统的再生能耗和碳捕集率开展敏感性分析，为发电系统环境评估提供理论依据。

1 系统介绍

基于某660 MW燃煤机组(方案一)，构建了集成ORC的太阳能辅助燃煤碳捕集发电系统(方案二)，如图1所示,其中H表示低压加热器。图中锅炉排出的烟气依次经过空气预热器(AP)、静电除尘器(ESP)、引风机(IDF)及脱硫装置(FGD)并冷却后进入CO2捕集系统。当再沸器所需热量完全来自汽轮机抽汽时会降低燃煤电厂净发电功率，因此方案二中再沸器热量主要来自压缩CO2过程的余热、太阳能集热器的热量和汽轮机中压缸抽汽[12]。中压缸抽汽经辅助汽轮机降压后与H6低压加热器中凝结水换热，随后进入再沸器。主凝结水充分吸收CO2压缩过程的余热后被太阳能加热汽化，进而给乙醇胺(MEA)提供部分再生能耗。再沸器冷凝水的余热被ORC系统回收后返回H8低压加热器的出口。季节变化时，太阳辐射时间及辐射强度不足时，通过适当调节汽轮机抽汽量使碳捕集系统稳定运行。

图1 集成ORC的太阳能辅助燃煤碳捕集发电系统示意图Fig.1 Schematic diagram of coal-fired solar-assisted carbon capture power generation system integrated with ORC

2 研究方法

2.1 LCA

基于SimaPro 9.0.0.48软件，采用ReCiPe Midpoint (H) V1.13方法对2种方案进行完整的生命周期评价。以每生产1 MW·h电量所消耗的资源及污染物的排放量作为基准进行计算。各种环境影响得分用相应的当量表示，如用CO2-eq表示各种CO2排放量的综合影响，陆地酸化潜势得分以SO2-eq计算，富营养化潜势得分以NO3-eq计算等。

2.2 目的和范围

LCA分析的目的是确定不同方案各阶段资源消耗和污染物的排放对环境的影响，分析辅助设备对集成系统生命周期过程污染物排放的影响，为集成系统实现清洁和可持续能源生产提供理论指导。

LCA分析的系统边界如图2所示，主要包含燃煤电厂、碳捕集系统、CO2运输储存系统、烟气脱硫脱硝系统、ORC系统及太阳能系统，每个系统均有建设、运行和退役3个阶段。建设阶段主要分析原材料开采、生产和运输等过程引起的排放；运行阶段主要考虑燃料燃烧引起的排放；退役阶段以资源回收为主，主要考虑回收建设阶段30%的金属废弃物在运输过程中的排放[13]。太阳能为清洁能源，因此不考虑太阳能系统运行阶段对环境的影响。

图2 LCA分析的系统边界Fig.2 System boundary for LCA analysis

2.3 生命周期清单

生命周期清单(LCI)数据的收集和分析是进行生命周期评价的重要环节，核心是建立系统边界内的原材料、能源和排放物输入和输出的过程，用功能单位1 MW·h来表达[4]。2种方案的LCA计算假设见表1。燃煤发电系统组件的质量函数计算式[17]见表2。表3给出了燃煤发电系统组件材料及其质量分数[17]。不同方案建造所需建材质量计算结果见表4。

表1 2种方案的LCA计算假设Tab.1 LCA calculation assumption for two scenarios

续表1

表2 燃煤发电系统组件的质量函数Tab.2 Weight function of components of coal-fired power generation system

表3 燃煤发电系统组件材料及质量分数Tab.3 Material and mass fraction of components of coal-fired power generation system

表4 不同方案建造所需建材质量Tab.4 Mass of construction materials for different scenarios t

ORC系统膨胀机产生1 kW·h电量消耗有机工质5.4 kg。ORC系统蒸发器、冷凝器和回热器为管壳式换热器，其材料主要是钢，密度为7 930 kg/m3，厚度为0.2 cm[18]。换热器的质量mh为：

mh=ρAδ=ρQhδ/(UΔT)

(1)

式中：ρ为材料密度，kg/m3；δ为材料厚度，m；A为换热器的面积，m2；Qh为换热器的热量，kW；U为传热系数，W/(m2·K)；ΔT为对数平均温度差，K。

ORC系统膨胀机和泵的质量mi可以由两者产生和消耗的功率计算，其表达式[19]为：

mi=aWi

(2)

式中：α为1 kW功率所需的材料质量，kg,膨胀机和泵所需要的钢材质量分别为31.22 kg/kW和14 kg/kW；Wi为膨胀机产生的能量或泵消耗的能量，kW。

2.4 生命周期影响评估

影响评估是通过分析清单分析所得的环境交换数据对环境影响进行评估，为结果解释提供数据信息。取CCP、ODP、TAP、淡水富营养化潜势(FE)、海洋富营养化潜势(ME)、HTP、TEP、淡水生态毒性潜势(FEP)及海洋生态毒性潜势(MEP)9种环境影响类别来评价生命周期内系统的环境影响。

3 结果与讨论

3.1 生命周期影响评估

表5给出了2种方案下9种影响类别的影响得分，各种环境影响得分用相应的当量表示，其中CCP以CO2当量表示各种CO2排放量的综合影响，ODP以CFC-11当量表示各种CFC-11排放量的综合影响，TAP以SO2当量表示各种SO2排放量的综合影响，相应的FE以P当量表示各种P排放量的综合影响，ME以N当量表示各种N排放量的综合影响，HTP、TEP、FEP及MEP均以1,4-DB当量表示各种1,4-DB排放量的综合影响。表6给出了不同过程阶段对不同环境影响类别的贡献。

表5 2种方案选定影响类别和功能单位(1 MW·h电量)的影响得分Tab.5 Impact scores for the selected categories and functional units (1 MW·h electricity) of two scenarios kg

3.1.1 气候变化潜势

由表5可知，在所有影响得分中，CCP得分最大。由表6可知，2种方案中，系统运行阶段对CCP得分贡献最大。其主要原因为煤炭燃烧释放出以自由CO2和CH4形式存在于煤中的固定碳[4]。相比于方案一，采用CCS的方案二CCP得分减少了40.30%。由此可知，赋予现有燃煤电厂碳捕集能力，将大幅减缓全球变暖趋势，尽快实现碳达峰、碳中和的目标，有利于现有发电系统的清洁生产[6]。

对于方案一，由表6还可知，燃煤电厂运行阶段对CCP得分的贡献约为98.8%，而其他阶段仅约为1.2%。其他阶段中，煤炭开采和运输阶段对CCP的影响略高于建设阶段；退役阶段由于仅考虑了30%金属回收运输过程对环境的影响，因而得分贡献最小。对于方案二，CCP的影响得分为2.55×102kg，这主要是由于碳捕集系统的应用大幅削减了燃煤电厂烟气中排放的CO2浓度。由表6还可知，对比方案一,方案二除运行阶段外,其他阶段对CCP得分的贡献均增加，其他阶段对CCP得分的贡献由大到小依次为煤炭开采和运输阶段、建设阶段、石灰石开采和运输阶段及退役阶段。

表6 2种方案各过程阶段对选定的中点影响类别得分的贡献Tab.6 Contribution of each stage of two scenarios to the scores of the selected midpoint impact categories %

3.1.2 臭氧损耗潜势

造成臭氧损耗的原因主要是系统运行释放出2种主要的卤代有机化合物：R11(三氯氟甲烷)和R114(二氯四氟乙烷)[4]。这些化合物是发电机冷却液的主要成分。由表5可知，2种方案中ODP得分在所有影响类别中最小，方案二的ODP得分高于方案一。这是由于运行CCS系统需要额外的工艺和材料，引起R11和R114排放量的增加。另外，由于采用ORC系统，增加了发电机造成卤代有机化合物的排放，这与文献[6]的结果一致。由表6可知，对于方案二,各阶段对ODP得分的贡献由大到小依次为运行阶段、煤炭的开采和运输阶段、建设阶段、石灰石开采和运输阶段及退役阶段。由此可知，造成ODP的最重要过程是运行阶段。

3.1.3 陆地酸化潜势

由表5可知，方案一的TAP得分取得最佳值6.87×10-2kg。方案二由于引入CCS，增加了一些额外热耗、能耗环节,且MEA溶剂降解及运输等过程产生了大量的NH3，导致方案二的TAP得分高于方案一，这与文献[20]的结论一致。由表6可知，方案一燃煤电厂运行阶段以及煤炭的开采和运输阶段对TAP得分的贡献占主要部分，分别为56.01%和41.02%，而方案二运行阶段对TAP得分的贡献最大，为91.25%。这是因为相比方案一，方案二运行阶段额外增添了ORC设备和集热场建设原材料,并考虑了有机工质泄漏。

3.1.4 富营养化潜势

富营养化潜势中，FE影响类别主要与磷酸盐等有关，ME影响类别与氮化合物(如NOx和氨等)有关[5]。由表5可知，相比于方案一，方案二的FE和ME得分均显著增大[20]。由表6可知，方案一燃煤电厂运行阶段是FE和ME得分最大的贡献者，占92.60%和80.66%；其次是煤炭的开采和运输阶段，主要是由于煤矿开采过程硝酸盐的排放所致。针对ME影响类别，石灰石的开采和运输阶段贡献高于建设阶段，FE影响类别则相反，主要是由于脱硫脱硝技术的不彻底导致排放部分NOx，以及其他过程如MEA反应及泄漏造成氨和氮的排放[6]。

3.1.5 人体毒性潜势

由表5可知，生命周期内方案一的HTP得分为5.80×10-1kg，主要是由运输过程中释放到环境中的灰尘及大量悬浮颗粒物导致的[4]。由表6可知，方案一煤炭开采和运输阶段对HTP得分的贡献为61.66%，影响最大，其次为建设阶段、运行阶段、石灰石的开采和运输阶段及退役阶段[21]。而方案二运行阶段对HTP得分的影响高于建设阶段。该结果与上述结论并不矛盾，主要是因为集成系统除煤炭运输过程外，增加了MEA生产和运输、有机工质运输等多个子过程及基础设施所需原材料的生产和建设过程。与方案一相比，采用CCS技术的方案二HTP得分更高。其根本原因是随着MEA的降解和挥发，需要生产更多的MEA加以补充，而在MEA生产过程中对水体和空气排放了大量的对人类有害的环氧乙烷。

3.1.6 生态毒性潜势

由表5可知，方案一TEP、FEP和MEP得分分别为4.34×10-2kg、5.95×10-2kg和1.29×10-1kg。其中TEP得分与文献[6]超临界燃煤电厂(净发电功率474.87 MW)TEP得分基本一致，而FEP和MEP得分比文献值低。其可能原因是所选机组的容量、原材料的选型和数量等略有差异。相比于方案一，方案二的TEP、FEP和MEP得分分别增大了64.52%、215.96%和265.12%。这主要是由于CO2捕集装置中氟化氢的排放、基础设施生产过程及维持设施建设中的电力消耗过程产生的汞排放及MEA原料生产过程中对空气和土壤造成的微量金属排放[5]。由表6可知，不同方案中对生态毒性潜势得分贡献最大的阶段是运行阶段，其余阶段贡献相对较小。总体而言，由于所研究电厂采取了各种控制和缓解措施，因此此类影响得分的贡献较小。

3.2 敏感性分析

3.2.1 碳捕集系统对方案二技术指标的影响

碳捕集系统的构造及运行条件不同，将导致碳捕集系统的再生能耗和碳捕集率在一定范围内波动。基于方案二，针对碳捕集率(50%～90%)和CO2的再生能耗(3.5～4.2 GJ/t)变化时对集成系统技术指标的影响进行分析，结果如图3所示。

再生能耗为3.6 GJ/t时，根据图3(a)可知，当碳捕集率从50%增至90%时，方案二净发电功率呈线性降低趋势，降幅为8.41%；而CO2减排量则逐渐增加，增幅为80%。这主要是因为随着碳捕集率增大，压缩CO2耗功增加，且为捕获较多的CO2，碳捕集系统所需的MEA溶液增加；同时MEA再生所需能耗增加，中压缸抽汽量增加，汽轮机做功降低。随着碳捕集率增大，太阳能场质量及面积增大。碳捕集率每增大10%，其质量和面积增大约13.42%，这是因为MEA再生能耗主要来源于中压缸抽汽、压缩过程余热和太阳能热量。随着碳捕集率增大，在热源比不变时，3股热源所提供的能量均需增大，因而太阳能场的质量及面积均会增大。

碳捕集率保持在85%不变时，由图3(b)可知，再生能耗变化不会对CO2减排量产生影响。当再生能耗从3.5 GJ/t增至4.2 GJ/t时，方案二净发电功率与太阳能场的质量和面积变化趋势与图3(a)中的变化趋势一致,净发电功率降幅为1.72%，太阳能场质量和面积增幅均为20%，而碳捕集率从50%增至90%时太阳能场质量和面积增幅为65.28%。以上分析表明，碳捕集率对系统技术参数的影响更敏感。

(a) 碳捕集率的影响

(b) 再生能耗的影响图3 碳捕集率和再生能耗对系统技术指标的影响Fig.3 Impact of carbon capture rate and regeneration energy consumption on system technical indicators

3.2.2 碳捕集系统对方案二环境指标的影响

碳捕集率和再生能耗变化时对集成系统环境指标的影响分别如图4和图5所示。图4为固定再生能耗(3.6 GJ/t)时，碳捕集率对系统环境指标的影响。当碳捕集率从50%增至90%时，单位电量CCP得分从352.09 kg降为289.43 kg。其原因是随着碳捕集率增大，减少了环境中排放的CO2。随着碳捕集率增大，除CCP外的其他环境指标得分相对增大。碳捕集率每增大10%，单位电量ODP和TAP得分分别增大10.04%和29.17%，同时单位电量HTP、ME和FE得分分别增大14.57%、19.34%和13.90%。当碳捕集率为90%时，系统的单位电量TEP、FEP和MEP得分分别为0.07 kg、0.21 kg和0.53 kg,相对于CCP得分而言，三者对环境的影响较小。这主要是由于碳捕集率增大，相应的MEA溶液、压缩能耗、中压缸抽汽量及太阳能场面积与原材料质量等均增加，同时净发电功率下降，所以随着碳捕集率增大，除CCP外的单位电量其他影响类别得分均增大。

(a) 单位电量CCP、ODP及TAP得分的变化

(b) 单位电量HTP、ME及FE得分的变化

(c) 单位电量TEP、FEP及MEP得分的变化图4 碳捕集率对系统环境指标的影响Fig.4 Impact of carbon capture rate on system environmental indicators

(a) 单位电量CCP、ODP及TAP得分的变化

(b) 单位电量HTP、ME及FE得分的变化

(c) 单位电量TEP、FEP及MEP得分的变化图5 再生能耗对系统环境指标的影响Fig.5 Impact of renewable energy consumption on system environmental indicators

图5为当碳捕集率为85%时，再生能耗对系统环境指标的影响。随着再生能耗增加，系统所有环境影响类别得分均呈增大趋势。当再生能耗从3.5 GJ/t增至4.2 GJ/t时，单位电量CCP得分从254.26 kg增至258.72 kg，单位电量ODP得分由原来的3.33×10-5kg增至3.39×10-5kg，而单位电量TAP得分仅增大了1.5%。当再生能耗每增加0.1 GJ/t时，单位电量HTP、ME和FE得分均增大0.24%。对于生态毒性潜势得分而言，增加再生能耗对三者的影响甚微。其主要原因是随着再生能耗增加，净发电功率变小，导致单位电量CCP得分增大。同时由于太阳能场的质量和面积增大，导致原材料的数量增多，对环境造成了附加污染，因而所选影响类别得分随着再生能耗增加呈增大趋势。

4 结 论

(1) 在功能单元所有选定类别的影响得分中，2种方案的CCP得分最高，ODP得分最低。其中系统运行阶段排放的CO2占比较大，对CCP得分的贡献最大。相比于方案一，采用CCS的方案二CCP得分减小了40.30%。除CCP外，因增加辅助系统，其他影响类别得分为：方案二>方案一。对于HTP得分，煤炭的开采和运输阶段的贡献最大，其他影响类别中系统运行阶段的贡献最大。因此在系统稳定运行的前提下，应尽可能采取措施减少运行阶段污染物的排放，才能实现能源系统的清洁生产。

(2) 当碳捕集率从50%增至90%时，净发电功率呈线性降低趋势，降幅为8.41%；CO2减排量逐渐增加，增幅为80%。随着碳捕集率增大，太阳能场质量及面积增大。当碳捕集率为85%时，再生能耗变化不会影响CO2减排量。当再生能耗从3.5 GJ/t增至4.2 GJ/t时，净发电功率与太阳能场的质量和面积变化趋势与碳捕集率从50%增至90%时的变化趋势一致；净发电功率降幅为1.72%，太阳能场质量和面积增幅均为20%。对集成系统技术参数而言，碳捕集率对其影响更显著。

(3) 当碳捕集率从50%增至90%时，单位电量CCP得分从352.09 kg降为289.43 kg。随着碳捕集率增大，除CCP外的其他环境指标得分相对增大。随着再生能耗增加，集成系统所有环境影响类别得分均呈增大趋势。碳捕集率对系统环境类别得分的影响更敏感。在实现碳达峰、碳中和目标的前提下，应尽可能减少因各种技术的引入对环境造成的附加影响，从而实现能源的清洁生产。