塔式太陽能輔助燃氣蒸汽聯合循環鈣基碳捕集系統設計

劉蘭華，王瑞林，洪慧

塔式太陽能輔助燃氣蒸汽聯合循環鈣基碳捕集系統設計

劉蘭華1，王瑞林1，洪慧2*

（1．南京師范大學能源與機械工程學院，江蘇省 南京市 210042；2．中國科學院工程熱物理研究所，北京市 海淀區 100080）

化石能源電站是最大的CO2集中排放源，開展燃煤、燃氣等化石能源電站碳減排是實現碳中和的必經之路。相較于其他碳捕集技術，堿金屬基固體碳捕集具有捕集效率高、反應能耗低等優勢，但其過高的再生能耗仍會大幅影響燃煤電站性能。對此，提出了利用塔式太陽能聚光集熱輔助燃氣蒸汽聯合發電煙氣碳捕集的系統。以某467MW燃氣蒸汽聯合循環電站為原型開展系統設計并完成性能分析。與原始系統相比，設計系統發電功率提升42.43MW，發電效率達到63%。相較于依靠化石能源自身捕集CO2的參比系統，設計系統發電功率提升148.5MW，發電效率提升約18個百分點。選取春分日作為典型日進行系統變工況分析，結果表明：系統可實現全天6h以上的額定工況運行，累計碳捕集量達到1452t，累積增發電量381MW·h。所提出的系統在避免降低電站自身發電效率條件下，借助太陽能完成CO2捕集，實現化石能源的零碳排放利用。此外，還將鈣基碳捕集碳酸化過程釋放的高溫熱重新應用于燃氣蒸汽聯合循環系統發電，進一步提升系統性能。研究結果可為可再生能源與化石能源的多能互補綜合利用提供新的思路及方法。

碳中和；太陽能熱發電；鈣基碳捕集；多能互補；碳減排

0 引言

CO2等溫室氣體排放導致海平面上升、氣候變化等一系列問題[1-2]。各類CO2排放源中，燃煤、燃氣等化石能源電站集中排放占CO2總排放量的30%以上[3]，開展化石能源電站的CO2捕集已勢在必行。CO2捕集方式眾多，可分為燃燒前捕集、富氧燃燒捕集及燃燒后捕集3種[4]。3種技術之中，燃燒后CO2捕集具有技術原理相對簡單、易于與已有化石能源電站相結合等特點，因而受到廣泛關注。

燃燒后碳捕集主要包括吸收、吸附和膜分離法3種[5]。其中，以MEA為代表的溶劑吸收法目前發展最成熟，具有吸收容量大、選擇性高等優勢[6]，并且已開始了初步的示范應用[7]。但MEA碳捕集再生過程能耗極高，為3.2～3.8GJ/t，僅依靠電站自身能量捕集CO2會造成性能大幅下降(發電效率降低6～14個百分點[8])。對此，學者們嘗試從碳捕集材料及工藝優化入手，提出了堿金屬基固體吸收的碳捕集技術，即利用K2CO3/ KHCO3、Mg(OH)2/MgCO3、CaCO3/Ca(OH)2等堿基金屬化合物在不同溫度條件下與CO2的可逆的碳酸化/再生反應實現CO2的煙氣捕集[9]。與MEA捕集技術相比，該技術具有再生能耗低、對設備腐蝕性小等優點[10]。與MEA等溶劑吸收碳捕集技術相比，堿金屬基碳捕集過程再生能耗明顯降低，達到2.7GJ/t左右。但是該能耗需求對于化石能源電站仍較高，仍會導致電站發電性能大幅下降。

對此，有學者嘗試從系統集成角度入手，將太陽能等可再生能源與傳統的化石能源電站相結合[11]，借助太陽能為碳捕集過程供能，進而避免碳捕集過程對化石能源電站綜合性能的影響。Zhao等[12]提出了一種中溫太陽能熱與燃煤電站CO2捕集的耦合系統，利用約300℃的太陽能熱替代電廠的高壓抽汽加熱給水，再通過低壓抽汽為胺基吸收劑再生提供能量。Khalilpour等[13]提出，通過新型反應器可以實現太陽能直接加熱胺基溶劑，不必借助其他傳熱流體，從而取消昂貴的解析單元，有效降低傳熱損失。Zhai等[14]通過Aspne Plus對太陽能塔式集熱直接輔助鈣循環脫碳進行了數值模擬，并對碳酸化環節的放熱進行熱回收利用。Zhang等[15]研究了煤–太陽能聯合驅動鈣循環碳捕集系統的性能，集成到超超臨界 1019MW電站時的熱效率為35.37%，整體效率損失9.63%，效率損失的主要原因是熱回收效率低以及聚光集熱的高溫熱損失。

由以上研究可知，目前太陽能輔助化石能源電站碳捕集多集中于燃煤電站的煙氣CO2捕集，而對于燃氣–蒸汽聯合循環電站的CO2捕集則較少涉及。另外，當前的系統集成多集中于太陽能為碳捕集再生過程供能。事實上，在煙氣CO2捕集的再生過程吸收大量高溫熱量的同時，其在碳酸化過程中亦會對外釋放大量熱量，如何將這部分釋放的熱量與化石能源系統相互集成仍待進一步研究。基于此，本研究提出了塔式太陽能輔助鈣基碳捕集與燃氣蒸汽聯合循環相互集成的系統，其中塔式太陽能聚焦所得的高溫熱量用于驅動鈣基碳捕集的再生過程，鈣基碳酸化過程釋放能量與燃氣蒸汽聯合循環相互集成，進一步提升系統發電性能。本文基于某467MW燃氣蒸汽聯合電站，研究了關鍵參數的影響規律，對系統在設計點以及典型日條件下的性能進行了綜合分析比較。

1 塔式太陽能碳捕集–燃氣蒸汽聯合循環集成系統建模

1.1 系統介紹

本文所設計的系統基本結構如圖1所示。太陽光被定日鏡聚焦于塔頂吸熱器，轉化為900℃左右的高溫。所收集的高溫太陽熱能用于驅動鈣基CO2捕集系統再生過程，再生后的氧化鈣用于捕集余熱鍋爐低溫煙氣的CO2(碳酸化反應)。整個碳酸化反應溫度維持在600～700℃，所釋放出的余熱用于與燃氣輪機的高溫排煙一起驅動蒸汽朗肯循環。相較于初始的燃氣蒸汽聯合循環，用于驅動蒸汽朗肯循環的能量更多，因而蒸汽朗肯循環發電量隨之增加。

圖1 塔式太陽能驅動燃氣蒸汽聯合循環煙氣碳捕集系統示意圖

1.2 燃氣布雷頓循環

燃氣輪機內的布雷頓循環過程為：常壓常溫空氣在壓縮機內被壓縮至高壓狀態，在燃燒室與燃料混合燃燒升溫，之后高溫高壓煙氣在渦輪內膨脹做功，推動渦輪高速旋轉，對外輸出機械功。

布雷頓循環壓縮過程耗功計算方法[16]如下：

式中：air為空氣質量流量；c,air為空氣的定壓比熱容；1、2為分別壓氣機入口、出口的空氣溫度；c為壓氣機壓比；c為壓氣機效率；為空氣的絕熱指數。

燃燒室內的能量平衡關系式[16]如下：

式中：fuel為燃氣的質量流量；fuel為燃氣的低位發熱量；c,gas為煙氣的定壓比熱容；cc為燃燒室的保溫系數；為空燃比；3為燃燒室出口的煙氣溫度。

透平膨脹過程中，其輸出的機械功表示為

式中：gas為煙氣質量流量；4為透平排煙溫度；turb為透平相對內效率；turb為透平膨脹比。

燃氣輪機對外凈輸出的機械功為

1.3 蒸汽朗肯循環

本文的燃氣蒸汽聯合發電的蒸汽朗肯循環為再熱型蒸汽朗肯循環，該過程吸熱量為

汽輪機內工質的對外發電量表示為

汽輪機內工質流量會隨著負荷要求變化而波動，其相對內效率亦會隨之發生變化，兩者之間的計算關系式[17]為

1.4 塔式太陽能聚光集熱

塔式太陽能聚光集熱鏡場參見圖1。太陽輻射被成千上萬的定日鏡聚焦于塔頂吸熱器之上，輻射能量進一步被顆粒以及熔鹽等傳熱工質吸收并轉化為高溫熱量，在本系統中用于驅動鈣基碳捕集的再生過程。

塔式太陽能聚光集熱過程的光熱轉化效率計算公式[15]如下：

塔式太陽能所聚集的高溫熱量計算公式為

1.5 鈣基CO2捕集

本文研究的碳捕集系統選用CaO/CaCO3工質對來實現CO2捕集。具體流程如下：余熱鍋爐尾部的煙氣進入鈣基碳捕集系統碳酸化反應器，CaO與煙氣中的CO2生成CaCO3，并釋放出600～700℃的熱量，完成CO2捕集；之后的CaCO3于再生爐內在900℃左右的高溫下吸熱分解為CaO，并釋放出高濃度CO2用于封存。再生后的CaO重新被用于捕集煙氣中的CO2。反應方程式如下：

本研究在Aspen Plus 軟件內采用吉布斯自由能反應器對鈣基碳捕集再生/捕集反應過程進行模擬(如圖2所示)，并采用氣固反應中較多的PR-BM方法進行計算求解。由此計算得到不同溫度下CaCO3的反應率以及捕集/再生過程中釋放/吸收的熱量。

2 系統綜合性能分析

2.1 系統集成設計

2.1.1 系統參數

基于某467MW的典型燃氣蒸汽聯合循環發電廠[18]，開展了相應的系統集成設計。該燃氣蒸汽聯合循環發電站的主要初始參數如表1所示。基于表1中參數進一步進行計算，可得到該電站消耗的燃料量為16.5kg/s，相應所產生的CO2量為45.4kg/s。

圖2 鈣基碳捕集再生/捕集反應過程模型

表1 燃氣蒸汽聯合循環輪主要參數

2.1.2 碳捕集過程

純氧化鈣難以直接用于CO2捕集，易于高溫處發生燒結現象。一般鈣基碳捕集會選取氧化鎂作為惰性載體，以減緩高溫再生過程中的燒結。添加劑氧化鎂和氧化鈣質量比可取3:7[19]。基于此，于Aspen Plus中構建鈣基碳捕集模型如圖3所示。

鈣基碳捕集包括碳酸化(煙氣CO2被捕集)以及再生(釋放高濃度CO2用于封存)2個過程。其中再生過程只要溫度較高，就可保證在較快的反應速率下100%再生[19]，此處基于Aspen Plus軟件模擬結果，設定再生溫度為900℃。碳酸化過程反應性能受溫度影響較大，其中CO2捕集率隨溫度變化關系如圖3所示。參考典型碳捕集電站的CO2捕集率[20]，此處選取碳酸化過程的反應溫度為650℃，對應的碳捕集率為84.52%。

圖3 鈣基碳捕集碳酸化過程碳捕集效率與溫度關系

氧化鈣及氧化鎂在碳酸化及再生2個反應過程中循環。隨著反應溫度的變動，隨之產生顯熱的釋放與吸收。此外，再生放熱后的煙氣溫度較高，而余熱鍋爐的低溫排煙溫度較低，亟需預熱以避免過多的熱量損耗。由此，在所構建的Aspen Plus模型內布置2處熱交換器以實現熱量回收，提升系統綜合性能。基于以上設計，根據Aspen Plus計算得出單位質量CO2所需的高溫熱量為3.477MJ。由此計算可得，該燃氣蒸汽聯合循環電站發電煙氣碳捕集所需的太陽高溫熱量為157.75MW。

2.1.3 塔式聚光集熱鏡場設計

本文選用塔式太陽能聚光集熱滿足鈣基碳捕集的高溫熱需求，塔式太陽能聚光集熱相關參 數[15]如表2所示。依據表2數據及式(9)，可計算得到設計條件下塔式聚光集熱效率為56.8%。基于計算所得需捕集的CO2總量以及單位質量CO2的捕集能耗，可得出單位時間所需太陽輻射總能量為277.73MW。選取設計太陽直射輻射(direct normal irradiance，DNI)為600W/m2，可得到所需塔式太陽能定日鏡的總面積為0.46km2。

表2 塔式太陽能聚光集熱參數

2.1.4 系統綜合性能

基于塔式太陽能及碳捕集過程的設計參數，最終通過計算可以得到集成系統的發電功率為509.68MW，其發電效率達到63%(總發電功率/化學能投入)。為了進一步得到系統的綜合性能，將集成系統與原始的燃氣蒸汽聯合循環以及參比系統的性能參數進行比較分析，結果如圖4所示。其中，參比系統為完全借助化石能源驅動燃氣蒸汽聯合循環煙氣碳捕集過程的發電系統。相較于原始系統，參比系統的總發電功率從467.25MW降低至361.10MW，效率亦因之從58%降低至45%，其核心的原因在于燃燒釋放的很大一部分能量被用于驅動煙氣的碳捕集過程，導致系統的總發電功率及性能的下降。與原始系統相比，設計系統引入太陽能聚光集熱為碳捕集系統提供能量，因此燃氣輪機部分并未受到影響，碳捕集的碳酸化過程為蒸汽朗肯循環額外供能，因而蒸汽朗肯循環部分發電量反而增加。總體而言，集成系統的總發電功率為509.68MW，比原始系統高42.43MW，設計系統發電效率為63%，比原始系統高5個百分點。

上述計算過程中將系統發電增量全部歸于燃料投入側，而事實上系統發電量的增加是因為太陽能輔助碳捕集過程而產生的。因而此處可計算太陽能的發電效率為15.27%(系統增發功率/單位時間接收太陽直射輻射總量)。相較于典型塔式太陽能熱發電效率(約20%)[21]，太陽能發電效率相對較低。但在本系統內，所引入的太陽能在發電的同時實現了聯合循環電站的CO2捕集。若將太陽能的發電功率(本系統為增發功率，塔式為發電功率)折合為碳減排量，則同樣太陽能輸入條件下，本系統碳減排量約為塔式太陽能熱發電的9.2倍，取得了較好的環境收益。綜合考慮引入本系統太陽能帶來的增發電量及環境收益(碳捕集)，可認為本系統實現了太陽能的綜合高效利用。

2.2 典型日變工況運行

太陽入射角和太陽輻射強度都會隨時間變化，塔式太陽能系統最終可以提供的熱量也會隨之改變。上述研究的塔式太陽能輔助燃氣蒸汽聯合循環發電碳捕集系統是在確定的輻照和負荷條件下完成設計的，基于前文，選取華北某地春分日作為典型日，計算其全天碳捕集量及太陽能增發功率，結果如圖5所示。

圖5 不同時刻輻照、碳捕集量、增發功率變化趨勢圖

由圖5可見，隨著時間推移，太陽輻照于正午時刻上升至最大值(892.46W/m2)，并在下午時刻隨時間推移逐漸降低。與之相比，在08:00—11:00期間，碳捕集量隨時間增加逐漸升高，并在11:00—17:00期間保持在163.31t/h，此后隨時間增加迅速降低。在08:00—11:00期間，增發功率隨時間增加逐漸升高，并在11:00—17:00期間保持在42.42MW，此后隨時間增加迅速降低。換言之，太陽輻照與碳捕集量和太陽能增發功率并不同步。

其原因在于，在接近正午時刻，太陽能直射輻射會超過額定輻照，進而導致塔式集熱量超過電站煙氣碳捕集所需熱能。而此時可利用固體的鈣基碳捕集以額外再生的方式將多余能量吸收，并在輻照較少、能量供應不足時將這部分再生的CaO釋放出來用于碳捕集和增發電量，起到類似于儲能的削峰填谷的作用。本系統典型日運行中，CaO/CaCO3工質對能量儲釋過程如圖6所示。該結果表明，本系統不僅可以高效利用太陽能量，還可以起到儲能的作用，從而避免太陽能不穩定、不連續的問題對燃氣蒸汽聯合循環系統性能的影響。

圖6 典型日太陽熱能儲釋變化圖

3 結論

針對化石能源電站依靠自身能量捕集煙氣CO2面臨的效率損失問題，提出了塔式太陽能輔助燃氣蒸汽聯合循環發電煙氣碳捕集系統，以某467MW燃氣蒸汽聯合循環電站為原型進行系統設計。相較于依靠化石能源自身捕集CO2的參比系統，設計系統發電功率提升148.5MW，發電效率提升約18個百分點。與原始系統相比，設計系統發電功率提升42.43MW，發電效率達到63%，實現了84%的CO2排放捕集率。選取華北某地典型年春分日進行設計系統的變工況計算，結果表明：通過在日照充足時段再生較多的固體吸收劑，實現碳捕集量在時段上的轉移，系統可實現全天6h以上的額定工況運行，累計碳捕集量達1452t，累積增發電量達381MW·h。

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Design of Calcium-based Carbon Capture System for Gas-Steam Combined Cycle Assisted by Solar Thermal Tower

LIU Lanhua1, WANG Ruilin1, HONG Hui2*

(1. School of Energy and Mechanical Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing 210042, Jiangsu Province, China; 2. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100080, China)

Fossil energy power stations are the largest centralized source of CO2emission, and the carbon emission reduction of fossil energy power stations such as coal and gas is the essential way to achieve carbon neutralization. Compared with other technologies, carbon capture based on the alkali metal has the advantages of high capture efficiency and low reaction energy consumption, but its high regeneration energy consumption will greatly affect the performance of coal-fired power stations. In this paper, a system of gas-steam combined cycle with flue gas carbon capture assisted by solar thermal tower was proposed. Taking a 467MW gas steam combined cycle power plant as the prototype, the system design and performance analysis were carried out. Compared with the original system, the power generation of the designed system was increased by 42.43MW, and the power generation efficiency reached 63%. Compared with the reference system relying on fossil energy to capture carbon dioxide, the designed power generation capacity of the system was increased by 148.5MW, and the power generation efficiency was increased by about 18 percent points. The vernal equinox day was selected as a typical day to analyze the off-design condition of the system. The results show that the system can operate at rated condition for more than six hours a day, the cumulative carbon capture capacity is 1452t, and the cumulative additional power generation is 381MW·h. The proposed system used solar energy to capture carbon dioxide without reducing the power generation efficiency of the power station itself, and realized the zero-carbon emission utilization of fossil energy. In addition, the high-temperature heat released by the calcium-based carbon capture and carbonation process was reused to the gas-steam combined cycle system for power generation to further improve the system performance. The research results can provide new ideas and methods for the multi-energy complementary and comprehensive utilization of renewable energy and fossil energy.

carbon neutralization; solar thermal power generation; calcium-based carbon capture; multi-energy complementation; carbon emission reduction

2021-06-16。

10.12096/j.2096-4528.pgt.21081

TK 51

江蘇省青年自然科學基金(BK20200731)。

Project Supported by Youth Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20200731).

(責任編輯 尚彩娟)