汽輪機(jī)低壓抽汽用于二氧化碳減排的分析與探討

陳海平，任 兵，郭紅龍

（1.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

汽輪機(jī)低壓抽汽用于二氧化碳減排的分析與探討

陳海平1，任 兵1，郭紅龍2

（1.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

闡述了在基于單乙醇胺吸收CO2方法中，為了使吸收劑循環(huán)利用，需要消耗大量的熱量。針對國內(nèi)某600 MW機(jī)組，通過對使用三種不同的抽汽熱源情況下的計(jì)算，比較由于多抽汽引起的做功損失、機(jī)組熱效率變化以及再生塔產(chǎn)生的損，得出最佳用于再生塔所引起的汽機(jī)做功損失、機(jī)組熱效率變化較小的抽汽段熱源。

抽汽熱源；做功損失；熱效率；損

0 引言

我國是一個(gè)富煤少油的國家，在未來幾十年內(nèi)，煤炭在我國一次能源構(gòu)成的主導(dǎo)地位仍不會(huì)改變。目前，煤的主要利用方式是直接燃燒，火力發(fā)電、工業(yè)鍋爐和城鄉(xiāng)居民生活用煤，占煤炭總產(chǎn)量的80%以上，其中發(fā)電與熱電聯(lián)產(chǎn)用煤總量占煤炭總產(chǎn)量的50%以上[1]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，整個(gè)社會(huì)對電力的需求量不斷增大，截止2009年底，我國發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)87 410萬kW，到2010年9月底發(fā)電裝機(jī)容量突破9億kW[2]；其中火電裝機(jī)容量為6.52億kW[3]，從而導(dǎo)致CO2排放量巨大。由于溫室效應(yīng)逐漸嚴(yán)重，我國面臨著CO2減排的壓力巨大[4]。目前，CO2捕集技術(shù)可分為三類：燃燒前捕捉、燃燒后捕捉和富氧燃燒捕捉。燃燒前捕捉技術(shù)主要和IGCC技術(shù)聯(lián)合使用，但由于其成本過高以及該技術(shù)的尚待完善等原因限制了它的應(yīng)用；富氧燃燒技術(shù)是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)，多停留在實(shí)驗(yàn)室和中試階段；燃燒后捕捉技術(shù)是目前最成熟的技術(shù)，已投入應(yīng)用[5]。燃燒后捕捉的主要優(yōu)點(diǎn)在于其實(shí)用性廣，系統(tǒng)原理簡單，在運(yùn)行電廠中比較容易應(yīng)用。在燃燒后捕捉的多種方法中，基于單乙醇胺（MEA）吸收CO2是目前比較成熟的化學(xué)吸收法[6]。燃燒后捕捉技術(shù)的能量損失在于MEA溶液的再生，所需的能量通常來自汽輪機(jī)的低壓抽汽[7]。因此，研究從汽輪機(jī)中、低壓缸的不同抽汽段抽汽用于MEA溶液再生的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

1 基于單乙醇胺（MEA）吸收CO2技術(shù)

從煙氣中分離二氧化碳技術(shù)被劃分為吸收技術(shù)、吸附技術(shù)、膜分離技術(shù)及其他物理和化學(xué)分離方法。化學(xué)吸收技術(shù)的歷史悠久，技術(shù)成熟，運(yùn)行穩(wěn)定，并不斷地推陳出新，氣體回收率和純度可達(dá)99%以上，是一種具有工程可行性的CO2減排方案。該技術(shù)在化工行業(yè)已較為普遍和成熟，對CO2的捕獲效果好。經(jīng)過研究證明，基于單乙醇胺吸收二氧化碳是目前比較成熟的技術(shù)。乙醇胺屬于有機(jī)胺，將其用于吸收二氧化碳屬于有機(jī)胺法工藝。有機(jī)胺法工藝出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化后成為工業(yè)凈化的主要方法之一，與其他方法相比具有吸收量大、吸收效果好、成本低、洗滌劑可以循環(huán)使用的優(yōu)點(diǎn)，并能回收到高純產(chǎn)品。

基于單乙醇胺吸收CO2的具體過程為：電廠鍋爐煙氣先經(jīng)過脫硫、脫氮裝置，再經(jīng)冷卻、除水后進(jìn)入胺吸收塔，塔內(nèi)裝有填料，MEA溶液和煙氣逆流通過吸收塔。在此過程中MEA溶液吸收煙氣中的CO2，除去CO2后的煙氣經(jīng)水洗后排入大氣。吸收了CO2的富液進(jìn)入熱交換器預(yù)熱后進(jìn)入再生塔，再生塔工作溫度為100～120℃，在再生塔中解析出CO2的貧液經(jīng)過濾、冷卻后再回到吸收塔循環(huán)利用。塔頂出口CO2經(jīng)壓縮、脫水后回收存儲(chǔ)。

2 再生塔耗熱量計(jì)算

以國內(nèi)某NZK600-16.7/538/538機(jī)組為例，額定工況下其煙氣流量為63 794.84 kmol/h，其中CO2占18.26%[8]，所以該煙氣中所含CO2為11 648.937 8 kmol/h。目前，已開發(fā)了一種活性胺，形成了以MEA為主體的復(fù)合胺吸收溶劑。該活性胺與CO2反應(yīng)后生成不穩(wěn)定的氨基甲酸鹽，其吸收CO2的最大容量為1[9]。設(shè)CO2的吸收率為80%，則理論上用于吸收CO2的MEA溶液所含的MEA為11 648.937 8 kmol/h×80%=9 319.15 kmol/h。由參考文獻(xiàn)[9]可知在再生塔中每再生1 mol MEA所需熱量為204.09 kJ/mol，則每h再生塔需要消耗的熱量為：

3 抽汽引起的汽輪機(jī)做功變化

在額定工況下，該機(jī)組低壓各段抽汽的熱力參數(shù)如表1所示。

表1 汽輪機(jī)低壓抽氣參數(shù)

一般情況下，在再生塔中，來自汽輪機(jī)中、低壓抽汽與已吸收CO2的富液進(jìn)行逆流換熱，為了使再生塔底部溫度維持在120℃，再生塔熱源可以采用汽輪機(jī)的第4、5、6段抽汽。這三段抽汽進(jìn)入再生塔時(shí)的壓力分別為：0.7 MPa、0.29 MPa、0.186 MPa，經(jīng)再生塔放熱后變?yōu)橄鄳?yīng)壓力下的飽和水。三種情況下飽和水的焓值分別為697.32 kJ/kg、556.65 kJ/kg、495.056 kJ/kg，則為滿足再生塔的耗熱量，需要從各段多抽的蒸汽量為Q/（hi-h′i），（i=4，5，6），h′i為汽輪機(jī)焓飽和水焓。

經(jīng)計(jì)算得出，需要從各段多抽的蒸汽量分別為：781 t/h、807 t/h、820 t/h。

根據(jù)等效焓降法，由于多抽汽引起的做功損失為

式中：αf——抽汽系數(shù)；

hf——汽輪機(jī)抽汽焓；

hn——汽輪機(jī)排汽焓且為2 426.1 kJ/kg。

計(jì)算可得4、5、6段引起的做功損失，如表2所示。

表2 抽汽引起的做功損失

為了減小熱量損失，將上述情況下生成的飽和水經(jīng)減壓后分別引入3號低加疏水管路、2號低加疏水管路和凝結(jié)水箱中，設(shè)回水率為100%。根據(jù)等效熱降法，計(jì)算得熱水從疏水管路進(jìn)入系統(tǒng)的做功增益為

經(jīng)計(jì)算，三種情況下的飽和水進(jìn)入系統(tǒng)的做功分別為：17.483 kJ/kg、15.122 kJ/kg、0。

所以，由于多抽汽引起的汽輪機(jī)做功變化總量為 ΔH=（-ΔH1）+ΔH2。

代入計(jì)算可得三種情況下做功變化總量分別為-280.9 kJ/kg、-196.6 kJ/kg、-171.99 kJ/kg。

分析上述計(jì)算結(jié)果可得，要使鍋爐排放煙氣中二氧化碳的80%被吸收，則從第6段抽汽為再生塔供熱所引起的汽輪機(jī)做功損失最小。

4 機(jī)組循環(huán)熱效率變化計(jì)算

假設(shè)鍋爐循環(huán)吸熱量不變，則新蒸汽的毛等效熱降為

考慮熱系統(tǒng)各種輔助成分的做功損失ΣΠ后，可得凈等效熱降為

式中：h0——新蒸汽焓；

τr——每kg水在加熱器r中的焓升；

σ——每kg蒸汽的再熱吸熱量；

ηr——加熱器r的抽汽效率。

表3 計(jì)算所得τi、qi、γi、ηi

經(jīng)計(jì)算得新蒸汽毛等效熱降

凈等效熱降為

經(jīng)計(jì)算得從4、5、6段抽汽引起的機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性相對變化量分別為30.7%、19.7%、16.8%。

所以，從第6段抽汽對機(jī)組的循環(huán)熱效率的影響比第4、5段小，經(jīng)濟(jì)性相對較好。

則由于多抽汽引起的機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性相對變化為

5 再生塔中產(chǎn)生的損

若再生塔為逆流式換熱器，質(zhì)量為mH的蒸汽從狀態(tài)1放熱至狀態(tài)2，質(zhì)量為mL的冷流體從狀態(tài)3吸熱至狀態(tài)4。在整個(gè)再生塔內(nèi)任一截面，蒸汽的溫度大于復(fù)合胺溶液的溫度。以整個(gè)換熱器為系統(tǒng)，設(shè)換熱器與大氣環(huán)境無熱量交換，且不計(jì)冷、熱流體的動(dòng)能和位能變化。設(shè)環(huán)境溫度為20℃、壓力為105Pa，查表得：hhj（環(huán)境）=84.0 kJ/kg，shj（環(huán)境）=0.296 3 kJ/（kg·K）。查表得各段抽汽的熵以及對應(yīng)的再生塔出口飽和水的熵如表4所示。

表4 各段抽汽的熵以及對應(yīng)的再生塔出口飽和水的熵

表5 各段抽汽的以及對應(yīng)的再生塔出口飽和水的

表5 各段抽汽的以及對應(yīng)的再生塔出口飽和水的

圖1 再生塔平衡

因此得exl=T0（[s2-s）1+（s4-s3）]。

設(shè)i0=T0(s4-s）3，對于第4段抽汽，單位工質(zhì)產(chǎn)生的損為

6 結(jié)論

a）由上述計(jì)算可得：在滿足用于解析CO2的再生塔熱耗的前提下，從第6段抽汽引起的汽輪機(jī)做功損失、機(jī)組循環(huán)熱效率相對變化量、再生塔產(chǎn)生的損都較小，比較經(jīng)濟(jì)。

b）再生塔的耗熱，需要的抽汽量遠(yuǎn)大于原抽汽段的抽汽量。對于已投產(chǎn)機(jī)組，往往達(dá)不到此熱量的需求，需要對汽輪機(jī)低壓缸做很大的改造，相應(yīng)其他部分也得改造。從第4段抽汽比較容易實(shí)現(xiàn)，即從中壓缸排汽管道連接一分支管即可以實(shí)現(xiàn)，但這種方法的經(jīng)濟(jì)性較從第6段抽汽差。

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The Analysis and Research of Using Low-pressure Extraction Steam of Turbine for Carbon Emission Reduction

CHEN Hai-ping1，REN Bing1，GUO Hong-long2
（1.North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China；
2.Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China)

In the way of absorbing carbon dioxide by MEA，it is much heat-consuming to achieve cycling use of absorbent.Calculations are done under three different heat sources of extraction to compare power loss caused by excessive extraction,thermal efficiency of the turboset，and exergy loss of regenerative tower.The result shows us the most economical heat source for a domestic 600 MW unit in terms of power loss caused by regenerative tower and the heat source with the least change of thermal efficiency．

the heat source of extraction steam；power loss；thermal efficiency；exergy loss

TK229

A

1671-0320（2011）04-0043-04

2011-03-12，

2011-05-23

陳海平（1963-），男，內(nèi)蒙古人，畢業(yè)于華北電力大學(xué)熱能工程專業(yè)，博士，從事火電廠節(jié)能領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作；

任 兵（1984-），男，山西榆社人，華北電力大學(xué)在讀碩士，從事火電廠節(jié)能的研究；

郭紅龍（1964-），男，山西霍州人，1987年畢業(yè)于清華大學(xué)熱能工程系熱能工程專業(yè)，總工程師，高級工程師，從事工程設(shè)計(jì)、工程項(xiàng)目管理與科技管理工作。