一種基于太陽能供能的CCRs捕捉CO2方案研究

王忠平，陳海平，石志云，童家麟

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

隨著社會經濟的發展，人類對礦物燃料的需求量越來越大，造成了越來越嚴重的全球環境問題，其中尤以全球氣候變暖問題影響范圍最大、問題最嚴重，而且最不容易解決。全球變暖是由于以CO2為主的溫室氣體大量排放導致溫室效應的加劇而造成的。CO2主要產生于礦物燃料的燃燒過程。在以礦物燃料為主要能源的電力生產中排放出的CO2量超過其總排放總量的30%，控制和減緩電力生產中CO2排放對于解決全球變暖和溫室效應問題具有重要意義[1～2]。

火電廠CO2捕捉迫在眉睫，目前，國內的華能北京熱電和上海石洞口二電廠進行了示范性質、實驗性質的部分CO2捕捉。他們均采用現在技術比較成熟的甲基乙醇胺(MEA)法進行捕捉，由于煤燃燒的煙氣排放量大，其中所含CO2的分壓低，所以該技術仍舊是高耗能、高成本的分離技術，而且煙氣中所含的SO2、NOx也會與MEA形成熱穩定性的鹽類，對吸收劑造成一定的損害，從而每分離1 t CO2需33～73美元，另外吸收劑的再生也需要耗能[3]。

近年來，CaO以其高的CO2吸附容量和低廉的成本、較長的使用壽命并具有良好的抗磨特性而成為優選的高溫CO2脫除劑，CCRs技術也因此得到了國內外專家學者的重視。但是，CCRs技術中的碳酸化反應的反應控制溫度是600～700℃，鍛燒反應的反應控制溫度850～900℃，而主要的能源消耗在鍛燒反應這一過程，如果這個過程在電廠中采用抽氣或者電加熱，無形中又會增加CO2的排放。因此，基于以上的考慮提出一種基于太陽能供能的CCRs捕捉火電廠CO2的回收系統，該系統將太陽能集熱技術和鈣基吸收劑循環煅燒/碳酸化法(CCRs)進行耦合，采用太陽能作為CCRs的能量來源，如圖1。

圖1 基于太陽能供能的CCRs捕捉CO2流程簡圖Fig.1 multiple cyclic CCRs process for CO2separation based on solar energy supply

1 高溫太陽能集熱技術

近年來隨著傳統能源危機以及環境、氣候變暖等問題日益突出，各國專家學者十分重視太陽能的研究，促進了太陽能集熱技術的發展。目前，按集熱器類型的不同，聚光式太陽能集熱系統可分為3大類:槽式系統、塔式系統和碟式系統[4～5]。三種太陽能集熱系統的數據參數，如表1所示。

表1 三種太陽能集熱系統的性能比較Tab.1 The performance compares of three solar energy systems

通過表1可知塔式和碟式集熱系統的溫度范圍符合煅燒反應的要求，但槽式集熱系統發展較成熟且技術開發風險低，目前已實現商業化運行。綜合以上考慮，文中選用槽式和塔式兩種太陽能集熱系統串聯的方式進行耦合。

2 CCRs反應機理

鈣基吸收劑循環煅燒/碳酸化法的主要過程如圖1所示。煙氣中的CO2與CaO在吸收反應器中進行氣固反應，生成CaCO3。

由化學方程式(1)可知，碳酸化反應的標準摩爾反應焓變ΔrHθm=－178 kJ/mol，說明這是一個強放熱反應，在進行吸收反應時需要將這部分熱量及時導出，以維持吸收反應器一直處于最佳反應溫度(600～700℃)。吸收劑CaO在整個過程中是循環使用的，因此需要將生成的CaCO3送至再生反應器進行煅燒，分解生成CaO和高濃度的CO2。由化學方程式(2)可知，再生反應是一個耗能過程，這部分能量在實驗狀態下由電加熱或燃料燃燒提供。再生的CaO再次進入到吸收反應器循環吸收CO2。由于CaO的活性隨著循環次數的增加而遞減，因此在整個循環過程中為了保持較高的CO2脫除率，需要補充新鮮的吸收劑并排出失活的吸收劑[6～7]。

3 雙流化床反應器

3.1 雙流化床反應器的結構

由Shimizu T等人提出的雙流化床反應器可以很好的應用在CCRs技術上，它由吸收反應器和再生反應器組成，通過連接管實現了物料在反應器和再生器之間連續循環煅燒/碳酸化。目前，國內對基于CCRs的雙流化床反應器的研究剛剛開始，清華大學房凡等人在此基礎上提出了雙鼓泡床用于CCRs的設計思路，并對雙鼓泡床的形式與結構進行設計，進而建造冷態實驗裝置，反應器結構如圖2所示。反應器由鼓泡床、固體噴射管、提升管、分離器與下降管等組成[11]。

圖2 CaO吸收CO2/CaCO3煅燒再生過程Fig.2 CaO carbonation － calcination cycle to capture CO2

圖3 雙流化床反應器示意圖Fig.3 Schematic of dual fluidized － bed reactors

3.2 雙流化床反應器的設計理論

在雙流化床的設計中，反應器的大小和吸收劑的循環量是兩個重要參數。反應器的大小設計參見房凡等人的基于CCRs過程的雙流化床反應器設計與冷態實驗[11]。本文重點討論吸收劑循環量的確定，定義在吸收反應器內，單位時間被CaO吸收的CO2質量為

式中 FCO2，in——進口 CO2摩爾流率/kmol·s－1;

FCO2，out——出口 CO2摩爾流率/kmol·s－1;

FCO2——單位時間CaO吸收CO2的摩爾量。

定義吸收劑的轉化率為

式中 Mactual——吸收劑循環煅燒/碳酸化過程的實

際質量;

Mf，abs——CaO 完全轉化 CaCO3后的質量;

Mf，reg——CaCO3完全煅燒后的質量。

經過推導，采用公式(6)來確定雙流化床中吸收劑的循環量FR(細節可參見Li[9])

式中 FR——吸收反應器向再生反應器傳輸的固

體循環量/kmol·s－1;

F0——新鮮吸收劑的加入量/kmol·s－1;

a、b、f——常數。

3.3 案例設計與分析

現運用推導公式6進行算例分析，具體設計參數見表2，如果要求90%的CO2吸收率，通過計算得出固體循環量m=4.56 g/s。將計算結果與國外相關研究[10－11]進行比對，誤差在可控范圍內，誤差來源主要是因為所選參數略有不同造成的，說明推導公式(6)具有一定可靠性。

表2 設計參數表Tab.2 Design parameter

4 太陽能集熱技術與CCRs系統耦合分析

根據以上對太陽能集熱器與雙流化床CCRs反應器的分析與討論，結合電廠實際情況，提出一種基于太陽能供能的CCRs捕捉CO2工藝流程，如圖4。

圖中太陽能集熱系統采用槽式和塔式串聯的混合集熱器，通過定日鏡循環工質先在槽式集熱器內預熱之后進入汽水分離器，分離出的干飽和蒸汽進入塔式集熱器內加熱到煅燒所需溫度后，輸送至煅燒反應器進行熱交換。在一些特定情況下(陰雨天氣等)，當太陽能集熱器無法滿足煅燒條件時，采用電輔助加熱系統對反應器供能，以保證CO2捕捉可持續進行。CCRs碳減排系統部分主要以文中介紹的雙流化床反應器為基礎進行流程的設計，該套裝置實現了物料在反應器和再生器之間連續循環煅燒/碳酸化，CaO循環量可根據公式(6)進行確定。

圖4 太陽能與CCRs系統耦合簡圖Fig.4 Diagram of solar energy is cascaded with CCRs

5 結論

文中討論與分析了CCRs技術與太陽能集熱技術，并從電廠的實際情況進行系統耦合，將太陽能用于CCRs碳減排系統。在減排過程中沒有化石燃料的消耗，實現了真正意義上的CO2減排。

但是，這一方案的應用還有一些需要考慮的問題:

(1)太陽能集熱器:塔式集熱技術目前處于示范研究階段，集熱性能不穩定，對于如何保證它的能量供應能符合煅燒反應，還有待進一步解決;

(2)能量合理利用:CCRs技術中的碳酸化反應是一個強放熱過程，完全可以將這部分能量合理利用，進一步實現節能減排這一目的;

(3)成本:新設備初投資、安裝、維修等方面都會影響成本，尤其是高溫太陽能集熱器。高溫太陽能集熱器成本較高，占地面積較大，也是目前國內外專家學者亟待解決的問題。

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