基于Aspen Plus的CCRs碳捕捉系統過程模擬

陳海平，王忠平，吳文浩，童家麟

（華北電力大學 能源動力與機械工程學院，保定071003）

CO2溫室氣體的大量排放是導致全球變暖的主要原因，而以礦物燃料為主要能源的電力生產中排放出的CO2量已經超過CO2排放總量的30%，燃煤電廠CO2的捕捉與封存技術對于解決全球變暖和溫室效應問題具有重要意義.近年來，國內外專家對碳捕捉技術進行了深入研究，其中發展比較迅速的碳捕捉技術有IGCC、富氧燃燒和單乙醇胺（MEA）技術.這些方法在實現CO2捕捉過程中需要消耗大量的能量，結果導致機組效率大幅下降，降幅達到10%～14%［1］.而石灰石以其價格低廉、儲量大、可循環利用，實現CO2循環脫除而引起人們的廣泛關注.鈣基吸收劑循環煅燒／碳酸化法（CCRs）是一項很有發展潛力的燃燒后CO2捕捉技術，Strohle等［2］和Hawthorne等［3］初步研究了基于氧化鈣的碳捕捉系統與電廠相結合后對電廠的影響，其中Strohle等計算得到的能量懲罰為2.75%，遠遠低于其他CO2捕集方法產生的能量懲罰.

氧化鈣循環煅燒／碳酸化法捕捉CO2是在一個雙流化床反應器內實現的，其中一個反應器為碳化器（Carbonator），煙氣中的CO2在650 ℃的高溫條件下與吸收劑CaO 反應；另一個反應器為煅燒爐（Calciner），在900 ℃的高溫環境下將CaCO3煅燒分解，產生的高濃度CO2被壓縮封存，再生CaO 被送回碳化器繼續循環吸收.圖1為氧化鈣循環煅燒／碳酸化過程簡圖.

圖1 氧化鈣循環煅燒／碳酸化過程簡圖Fig.1 Flow chart of the carbonate looping process

隨著鈣基吸收劑煅燒／碳酸化循環次數的增加，CaO 發生燒結現象，使得內部孔隙結構發生改變，CaO 活性逐漸降低.在實驗室條件下，循環次數N＝500次以上時，CaO 活性還可以維持在XN＝15%～20%［4］.為了保證CO2的高效吸收，在循環過程中需要連續補充新鮮的CaCO3并及時排出失活的吸收劑（CaCO3／CaO）.CCRs碳捕捉系統的主要能量消耗在煅燒爐和氧氣分離設備（ASU）上.Abanades等人對國外某1 000 MW 機組進行了計算與分析，得出引入CCRs技術后，在80%的CO2捕捉率下，機組效率從46%下降到38.8%［2］.Romeo等人將300MW 火電機組與CCRs技術進行耦合，通過計算得出改進型電廠的CO2回避成本為14.5歐元／t.在不考慮CO2壓縮與封存的情況下，影響機組效率和CO2捕捉率的主要因素是新鮮Ca-CO3的補充流率和吸收劑的循環流率.

筆者在總結國內外相關研究的基礎上，利用商業軟件Aspen Plus進行過程模擬，討論CCRs碳捕捉過程中的熱量回收問題和新鮮CaCO3補充量的變化對系統的影響.

1 CCRs碳捕捉過程模擬

1.1 模型描述

選用國內某600 MW 超臨界機組鍋爐排煙作為研究對象，CO2捕捉過程在脫硫之后進行.表1給出了該600 MW 超臨界機組的部分參數.

表1 某600 MW 超臨界機組部分參數Tab.1 Main operating parameters of a 600 MW supercritical power unit

首先應對經過脫硫的煙氣進行升壓和預熱，捕捉過程中為了保證碳化器始終在最佳反應溫度，必須及時將碳化反應的反應熱導出.模擬過程中忽略SO2的影響，假設煙氣經過脫硫設備后含硫量為零.脫除CO2的煙氣經過旋風分離器和熱交換器后，最終以100 ℃終溫排向大氣，分離出的固體混合物進入煅燒爐熱解.圖2為CCRs碳捕捉技術雙流化床循環系統圖.

煅燒爐內溫度維持在900 ℃，熱量由富氧燃燒提供.與此同時，新鮮石灰石進入煅燒爐內與從碳化器來的CaCO3（Fd）一起進行熱解.經過煅燒分離出高濃度的CO2，高溫高濃度CO2經過熱交換器回收利用熱量后，再進行壓縮封存處理.

圖2 CCRs碳捕捉技術雙流化床循環系統圖Fig.2 Schematic diagram of a dual CFB system for CO2 capture by CCRs process

1.2 模型假設與建立

根據圖2的模型描述，采用商業軟件Aspen Plus進行能流和物流建模，并對模擬結果進行靈敏度分析.模擬流程如圖3所示.

假設煙氣中CO2的捕捉率為80%，碳化器中CaO 的活度采用Abanades等［5］提出的式（1）進行計算：

圖3 CCRs碳捕捉系統模擬流程圖Fig.3 Flow chart of CCRs process for CO2capture

式中：fm和fw取決于石灰石的類型，本文選用天然石灰石，fm＝0.77，fw＝0.17；F0為補充新鮮碳酸鈣的流量；FR為循環氧化鈣流量.

對于煅燒爐，假設煤的燃燒效率為98%，空氣分離裝置產生的氧氣純度為95.2%，補充的新鮮CaCO3純度為100%，圖3中2個旋風分離器的效率為100%.主要模擬輸入參數見表2，輸出參數見表3.

表2 主要模擬輸入參數Tab.2 Main input parameters in simulation test

表3 主要模擬輸出參數Tab.3 Main output parameters in simulation test

由表3可以看出，CO2的捕捉率從假設的80%提高到87.29%，這主要是由于補充的新鮮CaCO3煅燒熱解和富氧燃燒產生了新的CO2引起的.

2 結果分析與討論

2.1 補充CaCO3 流量（F0）的靈敏度分析

Aspen Plus為流程模擬計算提供了靈敏度分析功能，以檢驗過程如何影響設計變量和操作變量的變化.通過改變一個或幾個變量，觀察其對其他幾個過程變量的影響.根據Hawthorne等［3］的研究，新鮮CaCO3的補充流量（F0）在很大程度上影響著系統的其他參量，是CCRs碳捕捉系統的關鍵控制參數.在所建立的過程模型的基礎上，以新鮮Ca-CO3流量（F0）為自變量進行靈敏度分析.

2.1.1 補充CaCO3流量（F0）對煅燒固體流量（Fd）的影響

圖4給出了循環煅燒固體流量與補充碳酸鈣流量的關系.由圖4可以看出，在保證鍋爐尾部煙氣CO2脫除率為80%的前提下，隨著補充CaCO3流量（F0）的增加，循環煅燒固體流量（FR）有所下降，主要原因是增加新鮮CaCO3后，CaO 的活性隨之提高，需要進行循環煅燒的量自然就減少.

圖4 循環煅燒固體流量與補充碳酸鈣流量的關系Fig.4 Solids circulation rate vs.mass flow of make-up CaCO3

2.1.2 補充CaCO3流量對煅燒爐燃煤量的影響

圖5給出了煅燒爐燃煤量與補充碳酸鈣流量的關系.由圖5可以看出，隨著新鮮碳酸鈣流量（F0）的增加，煅燒爐燃煤量有所減少，這是因為循環煅燒固體量（Fd）減少，煤的消耗量也就隨之降低.

2.1.3 補充CaCO3流量對碳捕捉率的影響

CCRs碳捕捉系統中CO2的來源主要由兩部分構成，一是鍋爐排煙中的CO2（捕捉率80%），二是煅燒爐內富氧燃燒和補充的新鮮碳酸鈣產生的CO2（捕捉率100%）.其中，補充碳酸鈣量相對于電廠煙氣量而言很小，因此，保證電廠鍋爐側的煙氣在80%碳捕捉率條件下，隨著新鮮碳酸鈣流量（F0）的增加，總的CO2捕捉率仍然維持在88%左右（見圖6）.

圖5 煅燒爐燃煤量與補充碳酸鈣流量的關系Fig.5 Coal consumption of calciner vs.mass flow of make-up CaCO3

圖6 CO2 捕捉率與補充碳酸鈣流量的關系Fig.6 CO2capture rate vs.mass flow of make-up CaCO3

2.2 CCRs碳捕捉系統熱量回收的討論

2.2.1 回收余熱總量

根據國內外的相關研究可知，在目前所有CO2回收方式中CCRs碳捕捉系統的能量懲罰最低［6］，在實現80%CO2捕捉率的條件下，機組效率下降不到8%，主要歸功于對系統熱量的合理回收利用.在Hawthorne的計算中，由于加裝二氧化碳捕集系統并合理利用能量，改進后的電廠凈功率從1 052 MW 增加到1 533MW，使整體熱效率變為39.2%.從循環系統圖2可知，系統可回收熱量主要來自4個部分：碳化器內的化學反應熱（Q1）、脫碳后高溫潔凈煙氣的熱量（Q2）、高溫二氧化碳氣體熱量（Q3）和排渣熱量（Q4）.理論可回收總熱量為：

回收熱量可能的利用方式有以下三類［6］：

（1）利用余熱加熱產生蒸汽，供給高壓加熱器、除氧器或低壓加熱器，以減少汽輪機的抽汽，提高汽輪機的做功量.

（2）替代鍋爐的熱量，隨著鍋爐中被余熱所替代的熱量增加，所需煤的流量將減小.

（3）利用余熱加熱產生過熱蒸汽，推動汽輪機做功.

2.2.2 引入CCRs碳捕捉系統后的電廠效率

若將這部分從CCRs碳捕捉系統回收的高品質余熱用于產生蒸汽并推動汽輪機做功，可發電約441.90 MW（假設機組熱效率為46%），則引入CCRs碳捕捉系統后的改進型電廠的總效率為：

這一計算結果與Abanades等［5］的研究結論（46%→38.8%）基本吻合，同時也說明整個模擬過程具有一定可信度.

假設煤的低位發熱量為24 600 kJ／kg，則CCRs碳捕捉系統的能量回收系數θ為：

能量回收系數越大，說明系統能耗越低，引入CCRs碳捕捉系統后的能量懲罰越低.

3 結 論

（1）CCRs碳捕捉方法的能量懲罰低、原料分布廣泛，因而具有廣闊的發展潛力.對現有600 MW超臨界機組進行改進后，在80%的二氧化碳捕捉率下，機組效率下降6.59%.

（2）補充CaCO3流量對系統固體循環流量（Fd）和煅燒煤用量的影響較大，二者都隨著補充碳酸鈣流量的增加而減少.

（3）碳捕捉系統通過合理的能量回收利用后，將有960.65 MW 熱量可利用，能量回收系數達到0.72.

（4）為了最大程度利用這部分熱量，應基于能量品質梯級回收和利用二氧化碳吸收裝置中的余熱.如何實現與電廠在能量上的耦合，減少過程損失，還有待進一步研究.

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