基于天然气联合循环发电厂CO_%282%29捕集与选择性废气再循环的Exergy分析.pdf

华南师范大学学报(自然科学版)()():./.收稿日期:华南师范大学学报(自然科学版)网址:.基金项目:科技部国际科技交流项目()通信作者:张振东:.基于天然气联合循环发电厂捕集与选择性废气再循环的 分析张振东 唐佑宁 伍卓汉(.上海交通大学中英国际低碳学院 上海 .马来西亚南安普顿大学工程与物理科学学院 马来西亚伊斯甘达经济特区)摘要:通过将选择性废气再循环()与联合循环的集成实现 的捕集和循环以获得更高的系统运行效率基于实际联合循环电厂的运行数据探究了选择性废气再循环 集成对实际联合循环和碳捕集系统的影响结果表明:集成后分别提升碳捕集和联合循环 效率.和.燃烧室是联合循环中 损失最大的部件占比.其次是蒸汽轮机、凝汽器和余热锅炉造成 损失的主要原因是温差碳捕集单元与联合循环集成后热效率和 效率都在 循环比为 时达到峰值后逐渐降低关键词:联合循环 燃烧后碳捕集 选择性废气再循环 分析中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):().:.()().:()()()根据全球碳捕集与封存现状 报告随着碳捕集与封存设施建设的快速发展全球碳封存能力在 年增长了 我国是典型富煤贫油少气型国家煤炭占能源总消耗的.因此我国提出力争于 年前实现“碳达峰”于 年前实现“碳中和”的战略目标随后国内双碳“”顶层设计出台中共中央国务院联合发布关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见提出到 年单位 二氧化碳排放量比 年下降 根据 年亚洲开发银行()与国家发改委()合作发布的中国碳捕集与封存示范和推广路线图研究报告目前碳捕集与封存技术()是唯一能够大幅减少电力与工业排放的技术如果不采用 技术达到国家减缓气候变化远期目标的整体成本将会上升 因此我国十分重视 技术的发展并已在国内建立多个不同规模和路线的全流程示范项目碳捕集技术主要分为燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集其中燃烧后捕集较为灵活不需要对现有电厂进行较大改造因此适用范围更广 燃烧后捕集是指通过液体溶剂分离、固体吸附剂吸附、氧气循环燃烧等方式从废气中去除碳捕集燃烧后烟气中的 可应用于电厂或炼焦、钢铁、水泥和炼油等工业 目前比较常见的燃烧后捕集方式之一是化学吸收法该方法将来自燃气透平的烟气通入吸收塔利用化学吸附剂乙醇胺溶液()将烟气中的 吸收之后在汽提塔内解吸获得较为纯净的 但是由于烟气中 的体积分数(俗称“浓度”)较低分压较小所以对化学吸附剂的需求量较大意味着对设备和资金的需求随之增加导致碳捕集成本较高但这部分成本可以通过提高碳捕集效率或者循环增加 吸收比例来降低联合循环燃气轮机的排烟携带了大量的热量和其占比接近燃气轮机总输出 的 因此与燃烧后碳捕集技术集成既有助于降低排烟温度减少其对大气环境的扰动还可以再利用烟气携带的热量捕集 提高能量利用率 对于燃烧后碳捕集技术而言一个很大的难题在于由于燃烧的过量空气系数较大导致烟气中的 体积分数过低(通常只有 )降低了吸收塔的工作效率增加了捕集成本 因此选择性废气再循环()技术被提出该技术对废气中的 进行选择性收集并循环输送至压气机入口通过再次利用来提高透平烟气中 的体积分数有助于提高吸收塔内的驱动力降低捕集成本联合循环与 集成后可以减少烟气流量、降低(公共连接点)负荷、提高 体积分数、提高碳捕集效率、减少 中的溶剂循环从而节省泵功 不过烟道气中可达到的最高 体积分数会受到燃烧室中 体积分数的约束为保证燃烧过程稳定运行降低废气循环装置对排放的负面影响保证排气中的、(未燃碳氢)和 的水平需要符合当地的环境法规燃烧室中的 体积分数通常具有一个最低水平的阈值例如为实现干式低氮氧化物()燃烧器系统的高效燃烧级燃气透平发动机所需的最低氧气体积分数为 等的研究结果表明在过量空气系数为.、再循环水平为下运行的级燃气轮机燃烧室中的氧气体积分数为 此时废气中的 体积分数增加至 体积分数降至.同时燃烧产生的 体积分数减少了 由于烟气中 体积分数偏低、需求量大、溶剂再生所需的能量大导致碳捕集装置的能量损失显著以及装置整体能效的下降因此要对现有发电厂进行碳捕集系统的集成与改造进行深入分析寻求通过创新技术降低能耗 例如李晗等通过模拟 吸收 的热力学过程找到了一种降低能源消耗的方式 该研究结果表明:再沸器可以在 溶剂质量分数为、去除率为 和液气质量流量比为 的条件下获得最低的能量输入需求 等通过模拟集成 评估了微型燃气轮机的性能在功率输出水平为 和.时烟气体积分数分别增加到.和.尽管发电效率略有下降不完全燃烧和部分氧化产物略有增加但降低 体积分数和提升 体积分数的积极影响将有利于节省下游能源消耗提高经济效益该研究集化计算与分析了实际联合循环与模拟碳捕集和 混合循环装置集成后的 流通过热力学方法评估系统的可行性和性能同时分析评估了选择性废气再循环集成对整个系统性能的影响为电厂未来集成碳捕集系统提供理论参考 研究方法.集成系统研究体系集成了选择性废气再循环系统、国内某实际联合循环电厂机组集成电厂的总输出功率为 级包括 级燃气轮机以及 级蒸汽轮机 表 列出了燃气轮机联合循环()发电系统各环节的基况运行参数系统图如图 所示本系统以天然气为燃料天然气与空气在燃烧室中混合燃烧产生温度高达 的高温烟气入口空气中的 体积分数低至.燃烧室的过量空气系数为.燃烧后的烟气进入燃气轮机做功发电来自压气机的旁路空气会帮助冷却废气至透平叶片能够承受的温度 完成膨胀做功的废气先流入余热锅炉与液态水进行热交换吸收废气余热的液态水转化为水蒸气并驱动汽轮机做功做功后的蒸汽冷凝为低温液态水(.)液态水循环至余热锅炉再次参与热交换华 南 师 范 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 卷表 、和 选择性循环装置单元运行工况 状态点位置质量流量/()温度/压力/燃烧室入口.天然气入口.燃气透平出口.低压余热锅炉出口.中压余热锅炉出口.高压余热锅炉出口.余热锅炉出口烟气.低压蒸汽透平出口.高压蒸汽透平出口.吸收塔入口烟气.吸收塔出口贫溶剂.汽提塔入口.汽提塔入口贫溶剂.汽提塔入口贫溶剂(来自再沸器).汽提塔入口液态水.汽提塔出口贫溶剂.汽提塔出口.压缩系统出口.进入循环装置的.图 联合循环碳捕集与选择性废气再循环集成系统图 第 期张振东等:基于天然气联合循环发电厂 捕集与选择性废气再循环的 分析 碳捕集系统接收和处理来自燃气轮机的烟气并消耗蒸汽轮机的输出功 烟气在余热锅炉换热后流入碳捕集系统在碳捕集的吸收塔中参与 吸收吸收剂为 其 吸附能力为./()可以在 的温度范围内与 反应并形成稳定的氨基甲酸酯 自下而上的烟气与自上而下的贫溶剂接触反应以分离 其余气体从吸收塔顶部排出 和贫溶剂结合后形成富溶剂从吸收塔底部流出与来自汽提塔的贫溶剂换热汽提塔内的温度要求更高(.)压力更小 与 在汽提塔内解吸水蒸气与共同从汽提塔顶部流出 一部分 进入压缩系统被压缩储存另外一部分进入 选择性循环装置参与下一次循环 水蒸气在汽提塔顶部的凝汽器中冷凝后再次流入汽提塔 解吸后的贫溶剂被分为 支:一支流入再沸器吸收来自汽轮机的蒸汽热量后进入汽提塔为 提供解吸热另一支与来自吸收塔的富溶剂换热并回流至吸收塔对于 吸收和解吸 的反应:()()烟气中 体积分数的增加有助于增加 分压以实现更高的 去除率提高 的运行效率 与碳捕集系统串联通过 选择性循环装置依据“膜渗透”原理利用烟气和空气之间的分压差将 渗透到吹扫空气中 携带 的空气代替一部分空气进入压气机因此燃烧后烟气中体积分数较大导致进入 烟气中的 体积分数较大 但是烟气中 体积分数不会持续增大因其受到 体积分数的限制燃烧室中的 体积分数需要保持在以上以确保燃烧过程稳定和完整.分析 被认为是物理体系与周围环境之间的不平衡或梯度所造成的最大有用功反映了系统的可用性能够帮助识别和量化热力系统中的低效率设备 的提出基于将能量划分为两部分可以无限转化的被称为(火用)不可转化的被称为(火无)和 的定义:()()()()()其中 代表焓 代表熵 代表比熵下标“”代表基准状态 分析法将热力学第一定律和第二定律结合通过 平衡方程式计算部件的 损失和 效率不仅能得到能流和物流携带的 还可以揭示由过程不可逆性导致的 损失从而更精准地定位系统的薄弱环节和改良方向 分析基于如下假设:系统处于稳态忽略势能和动能不考虑摩擦损失通过透平和管道的压力损失可忽略管道中的过程为等温过程假设发电机的效率为 假设该系统中的天然气为纯甲烷本文计算的 包括物理 和化学 物理 被定义为在与环境的热交换和机械相互作用中可获得的最大功表达式:()()()其中为比焓()为比熵()和分别是环境温度(.)和压力(.)化学 是由物质与环境的热传递和交换引起的这与系统的化学成分与环境的化学成分的偏离有关 气体混合物的标准化学 计算公式:()其中代表混合物中每个组分的摩尔分数代表混合物中每个组分的标准化学能 为通用气体常数即./()系统中所用溶剂 的 可以采用官能团贡献法计算()被认为是 个 官能团的结合因此计算气体混合物的标准摩尔化学:()其中代表标准生成焓代表标准生成熵代表组分 的原子数代表组分 的标准摩尔化学能有机化合物的化学 可采用不同元素的标准(表)计算:()表 不同气体的实验标准化学 气体类型().().().().华 南 师 范 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 卷 标准生成焓、标准生成熵方程:()()其中第 个官能团的出现次数第 个官能团的生成焓第 个官能团的生成熵 为./为 ./为./为./的标准摩尔化学:.(.).()本研究将每个部件作为控制体积采用 平衡方程计算:()效率定义为产品 与过程燃料 之比其表达式为:()集成 前后系统的 流如图 所示 余热锅炉和蒸汽透平的部分 进入 单元分别为吸收塔和再沸器供热凝汽器的部分 循环以冷却余热锅炉中的高温烟气 表 显示了用于计算系统中部件设备 损失的 平衡方程 不可逆性造成的 损失包括吸收、整流、温差传热等内部 损失以及通过冷却水、废气、废液、冷凝水等形式排放到周围的外部 损失平衡方程中的数字对应于图 系统中的状态条件图 集成系统加入 前后的 流图 第 期张振东等:基于天然气联合循环发电厂 捕集与选择性废气再循环的 分析6Table 3 The exergy destruction equation of key equipments组件名称压气机燃烧室燃气透平余热锅炉蒸汽轮机凝汽器(CCGT)吸收塔解析塔再沸器凝汽器压缩系统2结果与分析2.1Exergy损失和效率分布对比S-EGR加入前后,其对联合循环的影响微小，导致PCC单元的入口Exergy增加了7 1%，PCC单元的Exergy效率提升了6.9%。CCGT和PCC集成系统中的Exergy损失分布如图3所示。燃烧室是联合循环中Exergy损失最大的部件（占华南师范大学学报（自然科学版)表3关键部件的Exergy损失平衡方程44.8%），其次是蒸汽轮机、凝汽器和余热锅炉。当燃料与空气发生反应时，燃烧温度高达2 0 0 0，Exergy损失而燃烧室入口处混合气的温度相对较低（5 7 7Ep,coMp=E,-E,-Wcv,1），因此存在较大的温度梯度，燃烧和传热过程ED.cc=E,+E4-E3的化学反应和不可逆性最终导致了燃烧室ExergyEp,cT=E,-E,-Wcv,2损失偏大 2 0 。温差同样作用于蒸汽轮机，本系统ED,HRsc=E,+EE,Es-E,Eio采用的是两缸凝汽式汽轮机，汽轮机的进口温度ED,sT=E.i+E/2+E/3-Ef4-EisWcv,3在2 5 0 5 6 0 范围，低压缸排出的蒸汽温度在60左右，二者之间的温差是造成Exergy损失的ED,CONDST=E14-E6主要原因。ED,AsB=E16+E1s-E17-E192.2S-EGR 循环比ED,SRp=E21+E23+Ez4-E2s-E28+Q bEsSORBS-EGR的加人改变了人口空气混合物的组成，ED,REBO=E2s+E sTEAM,IN-EsSTEAM,OUT-E23部分空气被参与循环的CO,置换，主要目的是提高ED,CONDPCC=E27-E28-E24进入压气机的CO,体积分数。CO,置换了一部分空ED.COMIPTRAN=E2s-E29气，但自身不参与燃烧过程，因此燃烧排出的烟气中CO,体积分数较大，分压较高，有利于MEA对其吸收,从而提高PCC系统的效率。S-ECR循环比（S R R）:P C C 单元捕获的CO,与循环至联合循环人口的CO,的体积比。值得注意的是,可循环的CO2体积取决于PCC单元中的部件尺寸、MEA的负荷和碳捕集效率。基于当前的PCC单元设计，烟气中CO,体积分数与SRR的函数关系如图4A所示。当SRR为9 0%时，人口CO,体积分数从0.0 3%增加到2.7%。燃烧后烟气中C0体积分数增加到6.1%。1.9%2.6%0.6%3.5%10.3%第5 5 卷31.9%44.8%40.4%52.9%7.3%3.8%压气机燃烧室余热锅炉蒸汽轮机(A)联合循环图3联合循环和碳捕集系统的Exergy损失分布Figure 3 The Exergy destruction distribution of CCGT and PCC燃烧室是联合循环中受S-ECR影响最大的部件。当SRR从0 提高到9 0%时，燃烧室的Exergy效率提高了7.6%（图4B）。S R R 的增加导致PCC单元中所有部件的Exergy损失增加（图4C），变化最显著的是吸收塔和汽提塔，主要来自于MEA在2 个单元中的热传递。烟气中较大体积分数的CO,仍有利于碳捕集过程，因此当SRR从0 增加到9 0%时，燃气透平凝汽器(CCGT)吸收塔凝汽器（PCC)(B)碳捕集系统Exergy效率从40.6%增加到47.5%。由于部分空气被CO,替代,因此S-EGR的加人改变了入口空气混合物的组成。分别从热效率和Exergy效率2 个角度评估S-EGR对联合循环的影响,结果如图5 所示。较高的SRR导致联合循环热效率和Exergy效率的增加,这主要是因为随着SRR的增加，供应给燃烧室的燃料逐渐减少。汽提塔再沸器压缩系统图 循环比对 体积分数、及 损失分布的影响 图 循环比对集成系统热效率和 效率的影响 对 单元有明显的正向影响因为当 提高时 单元的 效率明显提高高 下更多的 进入联合循环因此 入口处的 体积分数增加有利于提高 溶剂对的吸附性有助于减少 的能量消耗从而提高整体 效率 单元与联合循环集成后热效率和 效率都在 为 时达到峰值而后逐渐降低 这是因为 单元中的再沸器需要消耗一部分蒸汽轮机的输出功为 汽化提供所需的热量这部分热量最终会用于汽提塔内进行的 解吸附 由于 中的吸收塔和汽提塔都需要来自联合循环的热量因此系统的整体效率会降低 尽管如此集成循环的热效率仍处于 范围 效率位于 结论通过建立 分析模型对国内某实际电厂的运行状况进行了评估和分析对与 集成后的整体影响进行评估得到以下结论:()燃烧室是联合循环中 损失最大的部件占.其次是蒸汽轮机、凝汽器和余热锅炉造成 损失的主要原因是温差()当 为 加入后能够有效富集并提升烟气中的 体积分数入口 体积分数从.增加至.烟气中的 体积分数增加至.碳捕集和联合循环的 效率分别提升.和.()碳捕集单元与联合循环集成后热效率和 效率都在 循环比为 时达到峰值而后逐渐降低参考文献:全球碳捕集与封存研究院.全球碳捕集与封存现状.().:/./.田慧芳.中国实现碳中和承诺的挑战与机遇.旗帜():.第 期张振东等:基于天然气联合循环发电厂 捕集与选择性废气再循环的 分析 .():.中共中央国务院.关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见/.().:/./.亚洲开发银行.中国碳捕集和封存示范与推广路线图研究.().:/./.():.:/.():.陈健孙世超李铭迪等.钙铜复合吸收剂 捕集性能优化研究进展.华南师范大学学报(自然科学版)():./.()():.鲍永武.锅炉排烟温度高的危害及其治理.世界有色金属():.():.:.():.():/.李晗陈健.单乙醇胺吸收 的热力学模型和过程模拟.化工学报():.():.:/.:.:.():.:.周旭健李清毅陈瑶姬等.化学吸收法在燃后区捕集分离中的研究和应用.能源工程:.:.:.:.():.【责任编辑:谭春林 责任校对:谭春林 英文审校:曾姝倩邓乾霞】华 南 师 范 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 卷