增壓富氧燃燒與捕集CO2電站的經濟性分析

閻維平， 董靜蘭， 任海鋒

（華北電力大學 能源動力與機械工程學院，教育部電站設備狀態監測與控制重點實驗室，保定071003）

全球變暖是由于以CO2為代表的溫室氣體大量排放導致溫室效應加劇而造成的.礦物燃料燃燒持續大量排放CO2是導致全球溫室效應加劇的最主要原因.根據國際能源署的統計，全球80%的能量來源于化石燃料的燃燒，美國電力生產的燃料50%來源于煤.2005年全球CO2的排放量為2.81×1010t，預計到2030年全球CO2的排放量會增加51%，達到4.23×1010t［1－2］.在火力發電領域，CO2的捕集與封存（CCS）技術的研究與工程示范在減排CO2領域起著非常重要的作用.富氧燃燒技術也稱為CO2／O2煙氣再循環煤燃燒技術，送入爐膛的氧氣純度一般在95%以上，為維持一定的理論燃燒溫度和鍋爐流通煙氣的換熱量，一部分煙氣再循環回鍋爐以調節爐膛燃燒溫度并彌補富氧燃燒方式下煙氣量減小帶來的影響［3－4］.

富氧燃燒技術中，燃燒過程在CO2（或再循環煙氣）氛圍中進行，實際煙氣中CO2的體積分數達到85%以上.與其他減排CO2的技術（燃燒前捕集或燃燒后胺類吸收捕集）相比，煙氣中高濃度的CO2和很少量的N2使得富氧燃燒捕集CO2的能量及經濟成本下降［5－6］.閻維平等［7］對燃煤電廠采用富氧燃燒脫除CO2和常規空氣燃燒下采用單乙醇胺（MEA）法從煙氣中捕集CO2的經濟性進行了對比，采用MEA捕集CO2時，電廠凈效率下降15%～16%，而富氧燃燒方式下電廠凈效率下降12%，在考慮富氧燃燒捕集CO2全過程能耗后，300MW級電站的發電凈效率會降低至21%～22%.雖然與空氣燃燒的燃燒后捕集相比，富氧燃燒技術具有明顯的技術與經濟優勢，但是由于發電凈效率大幅度降低，基本不具備商業化應用的可能性，因此，提高富氧燃燒的發電凈效率成為該技術能否應用的關鍵.

針對目前常壓富氧燃燒存在高壓制氧和煙氣高壓壓縮導致的能量損失，近年來提出了增壓富氧燃燒與CO2捕集的整體化發電方案［8］.研究表明，高壓下的富氧燃燒比常壓下的富氧燃燒更具優勢.意大利電力公司（ENEL）與美國麻省理工大學（MIT）合作開展了高壓下5MW級增壓富氧燃燒發電系統的試驗研究，加拿大礦產與能源技術中心也在進行增壓富氧燃燒的技術與經濟性研究［9－10］.當鍋爐燃燒煙氣側的壓力提高到6～8MPa后，煙氣水分的凝結溫度提高到200℃以上，大量高品位凝結熱得以在汽輪機回熱系統中利用，從而使汽輪機發電量增加，高壓下煙氣中的CO2可以在常溫下直接液化，壓縮耗能大大降低，同時高壓下燃燒與傳熱設備的體積大幅度減小［11］.提高富氧燃燒的運行壓力具有提高電廠凈效率和降低發電成本的巨大潛力.

筆者以300MW級燃燒煙煤的煤粉鍋爐汽輪機發電系統為研究對象，全面、詳細地考察和計算了各項廠用電，對6～8MPa增壓富氧燃燒技術捕集CO2的經濟性進行了計算，并與常壓富氧燃燒的經濟性進行了對比分析.

1 增壓富氧燃燒系統

增壓富氧燃燒與CO2捕集的整體化發電方案中，空氣壓縮分離制氧、燃燒及煙氣直接液化的整體系統均在高壓下（約6～8MPa）進行.圖1為增壓富氧燃燒的系統圖.

圖1 增壓富氧燃燒的系統圖Fig.1 Systematic diagram of the pressurized oxy－fuel combustion

煤在增壓鼓泡流化床燃燒室中（6～8MPa，850～900℃）完成富氧燃燒、爐內脫硫與換熱，燃燒室出口高壓煙氣經過省煤器、氣－氣換熱器后，再到排煙冷凝器進行冷凝，釋放的煙氣顯熱與水分的潛熱用于加熱汽輪機凝汽器出來的低溫鍋爐給水，冷凝后的煙氣一部分作為再循環煙氣送回鍋爐燃燒室，其余煙氣被常溫循環冷卻水冷卻即得到液態CO2，再經過CO2凈化處理，將其他不凝結氣體（Ar、O2和N2）和污染物（SOx，NOx）等分離脫除或利用，實現了CO2減排與污染物一體化脫除［12］.

計算采用的O2與CO2質量分數比為27%∶73%，煙氣中的過量氧氣的體積分數為4.8%，假設SO2在爐內近似全部脫除.某煙煤的元素分析與工業分析數據如表1所示，鍋爐主要額定參數如表2所示.

表1 煤的元素分析與工業分析Tab.1 Ultimate and proximate analysis of coal

表2 鍋爐主要額定參數Tab.2 Main rated parameters of boiler

2 經濟性計算與分析

2.1 不同壓力下增壓富氧燃燒鍋爐的熱效率

增壓富氧燃燒系統的壓力維持在6MPa、7 MPa和8MPa時，燃用同一煤種燃燒產生的煙氣組分的摩爾分數見表3，系統的主要熱力參數見表4，計算得到的不同壓力下增壓富氧燃燒鍋爐的熱效率見表5.

2.2 不同壓力下制氧和CO2壓縮液化的功耗

現有的制氧技術中，空氣深冷分離裝置（ASU）是唯一可用的大規模生產高純度氧氣以滿足富氧燃燒需要的技術.根據計算，300MW富氧燃燒發電系統中，氧氣消耗量為1.64×105m3／h，按目前的商業制氧單耗（0.247～0.244kW·h／kg）［13］，ASU的電耗可達到輸出毛功率的20%左右.在增壓富氧燃燒的情況下，需要將供氧壓力直接提高到6～8 MPa，然后制取液態氧，并提升液氧的壓力，但是，相對于常壓富氧燃燒，其制氧單耗增加.

表3 不同壓力下增壓富氧燃燒煙氣組分的摩爾分數Tab.3 Flue gas composition of the pressurized oxy－fuel combustion at different pressures %

表4 不同壓力下系統的主要熱力參數Tab.4 Main thermal parameters of the system at different pressures

表5 不同壓力下增壓富氧燃燒鍋爐的熱效率Tab.5 Boiler efficiency of the pressurized oxy－fuel combustion at different pressures %

在常壓300MW富氧燃燒捕集CO2系統中，需要將CO2壓縮到10MPa以上以備輸送或埋存，氣態CO2壓縮至液態功耗巨大，連同凈化與純化，約占機組發電輸出毛功率的7%～9%.增壓富氧燃燒下，由于煙氣側的壓力提高到6～8MPa，直接采用25℃左右的電廠循環冷卻水就可使CO2冷卻液化，進一步壓縮液態CO2至10MPa以上，其功耗會呈數量級減小.

流程模擬商業軟件Aspen Plus是一個生產裝置設計、穩態模擬和優化的大型通用流程模擬系統，提供單元操作模型到裝置流程模擬.利用Aspen Plus對ASU和CPU的功耗進行了模擬，得到不同系統壓力下ASU與CPU的功耗，結果見表6.

表6 不同壓力下ASU和CPU的功耗Tab.6 ASU and CPU power consumption at different pressures

由表6可以看出，與常壓富氧燃燒相比，增壓富氧燃燒下，ASU與CPU二者功耗之和下降.壓力提高到6～8MPa后，供氧壓力提高，ASU的功耗增加，CPU的功耗卻呈數量級下降，這是因為增壓富氧燃燒下，采用電廠循環水先將CO2冷卻液化后再進行升壓，使得CPU的功耗大大降低.

2.3 不同壓力下煙氣再循環（FGR）的功耗

在富氧燃燒系統中，約70%～80%的煙氣再循環回爐膛用于調節燃燒火焰溫度.由于煙氣流經各受熱面后產生一定的壓降，因此需要通過再循環壓縮機對其升壓后再循環回燃燒系統，再循環煙氣的功耗比較大.再循環煙氣的流量、系統的總壓降等直接影響再循環壓縮機的功耗.定義再循環壓縮機的出口壓力與進口壓力的比為再循環壓縮機的壓縮因子，根據文獻［14］中增壓富氧燃燒再循環煙氣壓縮因子與系統壓力的關系曲線和再循環壓縮機的能耗公式（式（1））計算不同壓力下FGR的功耗，計算結果如表7所示.

式中：R為煙氣的氣體常數，J／（kg·K）；T 為煙氣的溫度，K；p1、p2分別為煙氣壓縮前、后的壓力，Pa；ρv為煙氣的質量流量，kg／s；ηT為再循環壓縮機的等溫效率，ηT＝0.75；ηM為再循環壓縮機的機械效率，ηM＝0.98.

表7 不同壓力下FGR的功耗Tab.7 FGR power consumption at different pressures

2.4 不同壓力下的毛發電功率

常壓富氧燃燒時，煙氣中水蒸氣的飽和溫度很低，難以利用，而在6～8MPa增壓富氧燃燒下，鍋爐排煙中的水分凝結溫度提高到200℃左右，因此，可采用鍋爐排煙冷凝器將原本無法利用的水分凝結熱量加熱給水、替代部分汽輪機抽汽，與常壓富氧燃燒相比，不僅降低了排煙損失，提高了鍋爐效率，而且使汽輪機出力增加.

不同壓力下煙氣中水蒸氣的飽和溫度、可回收的凝結熱與汽輪機的毛發電功率見表8.

表8 不同壓力下的毛發電功率Tab.8 Gross power output at different pressures

由表8可知，系統壓力提高到6MPa后，煙氣中水蒸氣的凝結熱得以回收利用，代替部分汽輪機抽汽，汽輪機毛輸出功率明顯增加，由常壓下的300 MW增加到319.01MW.隨著壓力的繼續升高，鍋爐效率略有提高，燃燒產生的煙氣量減少，煙氣中水蒸氣的飽和溫度提高，但是單位質量水蒸氣的凝結熱減小，在計算過程中保持不同壓力下煙氣冷凝器的入口、出口煙氣溫度一致，溫差一定時，隨著壓力的升高，煙氣的焓差增大，顯熱放熱量增加，而回收的煙氣中水蒸氣的凝結熱減少，7MPa、8MPa壓力下回收利用的煙氣顯熱與潛熱的和比6MPa壓力下略有增加，汽輪機發電機組的毛發電功率也略有增加，但增加量很小.

2.5 不同壓力下的電廠凈效率

參考某300MW級的循環流化床鍋爐原煤破碎與篩分等的功耗（近似認為6MPa、7MPa和8 MPa壓力下鍋爐燃煤量相同），對6MPa、7MPa和8MPa壓力下增壓富氧燃燒技術捕集CO2的電廠凈效率進行了計算，并與常壓富氧燃燒的經濟性進行了對比分析.不同壓力下的凈輸出功率及輔助設備的額外功耗見圖2，不同壓力下富氧燃燒的電廠凈效率見表9.其中，常壓富氧燃燒的風機功耗是煙氣再循環風機與引風機的功耗之和.

圖2 不同壓力下的凈輸出功率和額外功耗Fig.2 Net power output and additional power consumption at different pressures

表9 不同壓力下的電廠凈效率Tab.9 Net efficiency of the power unit at different pressures%

由圖2可以看出，與常壓富氧燃燒相比，增壓富氧燃燒由于供氧壓力提高，ASU的功耗增加，ASU的功耗與毛輸出功率的比由19.4%上升到26%左右；而CO2凈化處理單元的功耗大大降低，CPU的功耗與毛輸出功率之比由10.1%下降到0.2%左右.常壓富氧燃燒中煙氣水蒸氣的凝結熱不能加以利用，而在6～8MPa富氧燃燒下，煙氣中水蒸氣的凝結熱得以回收利用，使得汽輪機出力增加，毛輸出功率提高6.4%左右，其中，8MPa下的毛輸出功率最高，達到319.33MW.

由表9可知，綜合計算各輔助設備的功耗后，常壓富氧燃燒的電廠凈效率為25.89%，壓力提高到6～8MPa后，電廠凈效率提高4%～4.5%，其中，8 MPa下的電廠凈效率最高，為30.35%.

3 結 論

（1）富氧燃燒系統壓力提高后，煙氣中水蒸氣的凝結熱得以回收利用，毛輸出功率增加，8MPa壓力下毛輸出功率可達到319.33MW.

（2）常壓下ASU的功耗占毛輸出功率的19.4%，壓力提高到6～8MPa后，ASU的功耗占毛輸出功率的26%左右.

（3）常壓下CPU的功耗占毛輸出功率的10.1%，壓力提高到6～8MPa后，先將CO2液化后再進行升壓，CPU的功耗占增壓下毛輸出功率的0.2%左右.

（4）綜合考慮各輔助設備的功耗后，6～8MPa壓力下增壓富氧燃燒系統的電廠凈效率比常壓富氧燃燒時提高4%～4.5%.

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