基于鎂基燃煤煙氣碳捕集的太陽(yáng)能-燃煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王雨豪，朱巖林，劉文卓，邢晨健，王瑞林，趙傳文

(南京師范大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210046)

0 引 言

近年來(lái)，CO2等溫室氣體過(guò)量排放導(dǎo)致海平面上升、氣候變暖和自然災(zāi)害頻發(fā)等一系列問(wèn)題[1-2]。各類溫室氣體中，CO2排放量占比最大。據(jù)《2021世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》[3]報(bào)道，2020年我國(guó)化石燃料燃燒排放CO2共9 899.3 Mt。在各類CO2排放源中，煤等化石能源電站的排放量占比達(dá)47%[4]，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)，開展燃煤電站煙氣碳捕集迫在眉睫。碳捕集方式分為燃燒前捕集、燃燒中捕集和燃燒后捕集[5]。燃燒后捕集因捕集原理簡(jiǎn)單、適用范圍廣、改造方便等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。

燃燒后捕集以單乙醇胺(MEA)為代表的溶劑吸收法由于吸附量大，已獲得一定工業(yè)應(yīng)用[6]。由于其再生過(guò)程能耗較高，需使用發(fā)電廠本身能量驅(qū)動(dòng)，造成發(fā)電性能明顯降低。對(duì)此，研究人員提出了基于堿金屬基固體吸收的碳捕集技術(shù)。該碳捕集技術(shù)通過(guò)碳酸化和再生2個(gè)反應(yīng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠排放煙氣中CO2的脫除。較常見的捕集方式有鈣基(CaCO3/Ca(OH)2)、鉀基(K2CO3/KHCO3)、鎂基(MgCO3/Mg(OH)2)和鈉基(NaCO3/NaHCO3)等，與MEA捕集技術(shù)相比，基于堿金屬基固體吸收的碳捕集技術(shù)具有所需能量更低、選擇性高等優(yōu)點(diǎn)[7]。相較于鈉基和鉀基，鎂基吸附劑具有較高的吸附能力[8]。相較于鈣基，鎂基吸附劑在300 ℃左右反應(yīng)，不易出現(xiàn)高溫?zé)Y(jié)等現(xiàn)象[6]。HARADA等[9]和ZHANG等[10]通過(guò)研究鎂基吸附劑負(fù)載熔鹽，改進(jìn)了鎂基吸附劑碳捕集存在的反應(yīng)速率慢等問(wèn)題，有效提高了吸附能力，證明了鎂基碳捕集應(yīng)用于燃煤煙氣碳捕集的廣闊前景。需注意的是，盡管鎂基煙氣碳捕集具備一定性能優(yōu)勢(shì)，再生反應(yīng)能耗相對(duì)較低。由于電站煙氣排放量巨大，僅依靠電站自身供能仍會(huì)導(dǎo)致燃煤電站性能大幅降低。

對(duì)此，部分研究人員提出將太陽(yáng)能集熱與燃煤電站碳捕集相結(jié)合，碳捕集再生過(guò)程能耗由太陽(yáng)能提供。ZHAO等[11]利用300 ℃左右太陽(yáng)能代替抽汽加熱給水，再通過(guò)低壓回?zé)峒訜崞鞒槠麨樘疾都偕磻?yīng)提供能量，耦合后的電站系統(tǒng)發(fā)電量增加了17.2%。邢晨健等[12]提出用光伏電池的余熱來(lái)驅(qū)動(dòng)鉀基吸附劑碳捕集的再生反應(yīng)，相較于單一燃煤碳捕集系統(tǒng)，集成系統(tǒng)發(fā)電效率提升6.5%，總發(fā)電量提升約50%。錢煜等[13]利用槽式太陽(yáng)能聚光集熱為碳捕集再生反應(yīng)提供熱量，將該系統(tǒng)集成于330 MW燃煤電站，系統(tǒng)發(fā)電功率增加29.85 MW。

從燃煤電站角度分析，太陽(yáng)能集熱直接驅(qū)動(dòng)燃煤煙氣碳捕集方式避免了效率衰減，實(shí)現(xiàn)了燃煤發(fā)電零碳排放。但從太陽(yáng)能角度分析，太陽(yáng)能僅轉(zhuǎn)化為低品位熱能驅(qū)動(dòng)再生反應(yīng)，并未得到高效利用。若將太陽(yáng)能與燃煤發(fā)電相互集成，在實(shí)現(xiàn)零碳排放、保證燃煤發(fā)電效率不衰減的同時(shí)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能高效利用成為挑戰(zhàn)。

雖然鎂基碳捕集再生過(guò)程中大部分高溫?zé)崮軙?huì)被吸收，其碳酸化過(guò)程中的一定量低溫?zé)崮芤矔?huì)被放出。如硝酸鹽改性的鎂基進(jìn)行碳捕集需430 ℃左右熱能驅(qū)動(dòng)其再生，碳酸放熱溫度達(dá)300 ℃[14]。拋物槽式太陽(yáng)能聚光集熱技術(shù)是我國(guó)目前發(fā)展最成熟的太陽(yáng)能利用技術(shù)，其聚光集熱溫度可達(dá)350～550 ℃[15]，滿足碳捕集再生過(guò)程的需求。改性后碳酸化過(guò)程釋放的熱能品位較高，可與燃煤電站相互集成，實(shí)現(xiàn)高效利用。基于此，筆者針對(duì)基于鎂基燃煤煙氣碳捕集的太陽(yáng)能與燃煤電站互補(bǔ)集成開展研究，提出了互補(bǔ)系統(tǒng)的集成形式，構(gòu)建了相應(yīng)模型。以某330 MW燃煤發(fā)電機(jī)組為例，研究不同參數(shù)的影響規(guī)律，并對(duì)比系統(tǒng)性能，探究典型日下變工況對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

1 槽式太陽(yáng)能碳捕集-燃煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)建模

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文設(shè)計(jì)的槽式太陽(yáng)能碳捕集-燃煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。拋物槽式集熱器聚焦太陽(yáng)輻射，產(chǎn)生高溫?zé)崮?。高溫?zé)崮茯?qū)動(dòng)CO2捕集系統(tǒng)中的再生反應(yīng)，生成的MgO送至吸收塔參與碳酸化反應(yīng)，捕集電廠低溫?zé)煔庵蠧O2。碳酸化反應(yīng)釋放的熱量(300～350 ℃)替代部分燃煤電站主系統(tǒng)中的抽汽，用來(lái)加熱給水。被替代的高品質(zhì)蒸汽可繼續(xù)回到汽輪機(jī)做功。相較原電廠系統(tǒng)，可用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功的蒸汽流量增加，系統(tǒng)整體發(fā)電量增大。系統(tǒng)包括拋物槽式太陽(yáng)能聚光集熱、鎂基CO2捕集及燃煤發(fā)電熱功循環(huán)3部分，以下分別分析各部分建模過(guò)程。

圖1 基于鎂基燃煤煙氣碳捕集的太陽(yáng)能-燃煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意Fig.1 Schematic diagram of solar-coal complementary power generation system based on magnesium-based coal-fired flue gas carbon capture

1.2 槽式太陽(yáng)能聚光集熱

槽式聚光集熱系統(tǒng)中，太陽(yáng)輻射照射到反射鏡，經(jīng)反射鏡聚焦反射后，輻射能量被管內(nèi)導(dǎo)熱油等傳熱工質(zhì)吸收并轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崃?，隨后熱量驅(qū)動(dòng)碳捕集子系統(tǒng)中的再生反應(yīng)。拋物槽式集熱器的集熱效率計(jì)算方法[16]為

(1)

式中，ηs-t、ηopt分別為集熱器集熱效率和光學(xué)效率；θ為入射角；kLAM為入射角修正系數(shù)；krow為管排遮擋系數(shù)；kcln為潔凈系數(shù)；Tabs為吸熱管表面溫度，℃；Tamb為環(huán)境溫度，℃；R為太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度，W/m2；A為集熱器開口面積,m2；α1、α2分別為吸熱管的熱損失系數(shù)，分別取0.4和1.25×10-8；L為槽式集熱器的長(zhǎng)度，m。

排間遮擋系數(shù)krow計(jì)算公式為

(2)

式中，θz為太陽(yáng)高度角；Lrow為集熱器排間距；W為集熱器開口寬度，m。

槽式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)所獲得的輻射能量與總鏡場(chǎng)開口面積有關(guān)，總鏡場(chǎng)開口面積Aa計(jì)算公式為

(3)

1.3 鎂基吸附劑捕集CO2

選用MgO/MgCO3為工質(zhì)捕集CO2,捕集過(guò)程為：燃煤電站鍋爐排放煙氣含少量SO2、NOx等雜質(zhì)氣體及粉塵等污染物，會(huì)影響捕集系統(tǒng)吸附劑。因此鍋爐排放的煙氣需經(jīng)過(guò)脫硫、脫硝及除塵預(yù)處理后進(jìn)入碳捕集的碳酸化反應(yīng)器，反應(yīng)產(chǎn)生MgCO3，約放出300 ℃熱量，實(shí)現(xiàn)CO2捕集；生成的MgCO3進(jìn)入再生塔，在約400 ℃高溫下分解成MgO，同時(shí)釋放高濃度CO2。再生后的MgO可循環(huán)利用，反應(yīng)式為

(4)

針對(duì)碳酸化反應(yīng)和再生反應(yīng)，在Aspen Plus中通過(guò)吉布斯自由能反應(yīng)器對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算。

1.4 電站汽水循環(huán)建模

燃煤電站主蒸汽采用再熱型蒸汽朗肯循環(huán)，該過(guò)程吸收熱量為

(5)

汽輪機(jī)內(nèi)工質(zhì)做功的對(duì)外發(fā)電量Wrank為

Wrank=Dmηmηg(hin-hout)=Dmηmηg(hin-hout,i)ηT，

(6)

式中，hin、hout、hout,i分別為汽機(jī)進(jìn)出口焓和工質(zhì)等熵膨脹出口焓，kJ/kg；ηm、ηg分別為汽機(jī)機(jī)械傳動(dòng)效率和發(fā)電機(jī)效率；ηT為汽機(jī)相對(duì)內(nèi)效率。

工質(zhì)流量改變，各級(jí)相對(duì)內(nèi)效率隨之變化。相對(duì)內(nèi)效率隨汽機(jī)流量變動(dòng)ηT[17]計(jì)算公式為

(7)

式中，Gm,r為額定工況下汽機(jī)內(nèi)工質(zhì)流量，kg/s；Gm為變工況下汽機(jī)內(nèi)工質(zhì)流量，kg/s；ηT,r為額定工況下汽機(jī)相對(duì)內(nèi)效率。

變工況下，汽輪機(jī)內(nèi)工質(zhì)流量隨壓力變化，可用弗留格爾公式計(jì)算：

(8)

式中，Pin、Pin,r分別為變工況和額定工況下工質(zhì)進(jìn)口壓力，MPa；Pout、Pout,r分別為變工況和額定工況下工質(zhì)出口壓力，MPa；T0、T0,r分別為變工況和額定工況下級(jí)前溫度，℃。

2 系統(tǒng)綜合性能分析

基于理論建模，以某典型燃煤電站為基礎(chǔ)，對(duì)基于鎂基碳捕集的太陽(yáng)能-燃煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)和變工況性能研究。

2.1 系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

2.1.1 系統(tǒng)參數(shù)

選取330 MW典型燃煤電站[18]，主要參數(shù)見表1。依據(jù)其能量需求，選取無(wú)煙煤作為燃料，具體參數(shù)參考OUYANG等[19]測(cè)量數(shù)據(jù)，低位發(fā)熱量為30.7 MJ/kg，碳元素占比為92.27%。

表1 電站主蒸汽循環(huán)參數(shù)

基于上述數(shù)據(jù)，得出設(shè)計(jì)工況下CO2排放量為79.9 kg/s，CO2排放量計(jì)算方法為

M(CO2)=Qin/Qcoalw(Car)·44/12，

(9)

式中，M(CO2)為CO2排放量，kg/s；Qin為燃燒投入能量，kW；Qcoal為煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg。

2.1.2 碳捕集過(guò)程

純MgO顆粒與CO2反應(yīng)時(shí)表面會(huì)生成堅(jiān)硬、不滲透CO2的碳酸鹽層，而MgO負(fù)載一定量堿金屬硝酸鹽可顯著提高對(duì)CO2的吸收[8]。選用MgO負(fù)載一定硝酸鉀參與碳酸化反應(yīng)，MgO與硝酸鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為0.9∶0.1。本文基于Aspen Plus軟件，構(gòu)建了負(fù)載硝酸鹽的鎂基碳捕集循環(huán)流程，如圖2所示。

圖2 模擬鎂基吸附劑碳捕集反應(yīng)過(guò)程Fig.2 Simulation of carbon capture reaction process of magnesium-based adsorbent

使用氣體和固體反應(yīng)中較常用的PR-BM方法測(cè)算不同反應(yīng)溫度下，碳捕集反應(yīng)過(guò)程的再生能耗及捕集率(圖3)。由圖3可知，再生反應(yīng)溫度對(duì)碳捕集能耗影響不大，溫度滿足條件即可確保在較快反應(yīng)速率下實(shí)現(xiàn)100%再生。但反應(yīng)能耗和碳捕集率則隨碳酸化(放熱)反應(yīng)溫度變化。捕集CO2的碳酸化過(guò)程為放熱過(guò)程，溫度越高越限制反應(yīng)進(jìn)行，降低碳捕集率。但碳酸化溫度過(guò)低，釋放出的熱能無(wú)法替代抽汽加熱給水。本文將碳酸化過(guò)程的反應(yīng)工況點(diǎn)溫度設(shè)為285 ℃，該溫度對(duì)應(yīng)的CO2捕集率為86.5%，高于典型碳捕集電站的CO2捕集率(85%[20])。同時(shí)該溫度高于選定電站的高壓加熱器第1級(jí)出口給水溫度(272 ℃)，能滿足加熱給水的溫度需求。CO2再生是一個(gè)吸熱過(guò)程，溫度越高越能促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。但溫度過(guò)高會(huì)帶來(lái)散熱損失等問(wèn)題。依據(jù)Aspen Plus模擬結(jié)果，再生溫度達(dá)390 ℃時(shí)即可實(shí)現(xiàn)100%再生。綜合考慮拋物槽式太陽(yáng)能集熱參數(shù)，選定再生過(guò)程反應(yīng)工況點(diǎn)溫度為400 ℃?；谝陨瞎r，計(jì)算得到單位質(zhì)量CO2捕集釋放的高溫?zé)崃繛?.79 MJ，單位質(zhì)量CO2解析所需高溫?zé)崃繛?.47 MJ。因此設(shè)計(jì)條件下，該電站排放CO2被捕集所需太陽(yáng)高溫?zé)崃繛?97.23 MW，釋放再生熱能為143.02 MW。

圖3 鎂基碳捕集捕集率與溫度關(guān)系Fig.3 Relationship between magnesium-based carbon capturerate and temperature

2.1.3 槽式聚光集熱鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)

選用槽式太陽(yáng)能聚光集熱來(lái)滿足鎂基再生反應(yīng)所需高溫?zé)?，ET-100型拋物槽式太陽(yáng)能集熱器參數(shù)[21]見表2。選址為華北地區(qū)39.93°N、116.33°E，設(shè)計(jì)時(shí)刻選為夏至日正午。基于NREL的SPA算法[22]得到其對(duì)應(yīng)入射角為16.4°。根據(jù)表2及式(1)，可得集熱器效率為56.8%。根據(jù)CO2總量和捕集單位質(zhì)量CO2所需能耗，得出單位時(shí)間所需太陽(yáng)輻射總能量為347.2 MW，取太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度R為800 W/m2，環(huán)境溫度為25 ℃，太陽(yáng)倍率SM取1.1[23]，可得到所需槽式太陽(yáng)能鏡場(chǎng)的總面積為0.48 km2。

表2 ET-100型拋物槽式太陽(yáng)能集熱器參數(shù)

2.1.4 燃煤發(fā)電能量集成

本系統(tǒng)內(nèi)鎂基碳酸化過(guò)程放熱用于替代電站抽汽加熱給水，節(jié)省的抽汽能繼續(xù)做功，額外發(fā)電。鎂基碳酸化過(guò)程放熱量為143.02 MW。HEYEN等[24]研究表明，被替代抽汽的參數(shù)越高，這部分抽汽做功能力越強(qiáng)，發(fā)電量越多。因此本文集成方案中釋放熱量?jī)?yōu)先替代高參數(shù)加熱器，結(jié)余后再順次替代其余加熱器。高壓加熱器1～3(不考慮替代除氧器)以及第1級(jí)低壓加熱器的總熱需求量為152.9 MW。故所選取方案為：1～3級(jí)高壓集熱器全部替代，第1級(jí)低壓加熱器的抽汽只替代一部分，具體匯算結(jié)果見表3。

表3 回?zé)峒訜崞鞒槠娲Y(jié)果

改造后的系統(tǒng)減少了抽汽，進(jìn)入汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽流量發(fā)生改變，排汽壓力不變，因此汽水系統(tǒng)中，高中低壓缸入口壓力、加熱器汽側(cè)壓力發(fā)生改變，結(jié)果見表4。

表4 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比

2.1.5 系統(tǒng)綜合性能

基于上述建模過(guò)程得到的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)計(jì)算得到集成系統(tǒng)發(fā)電功率為376.2 MW，較單一燃煤發(fā)電明顯提升。但本系統(tǒng)實(shí)質(zhì)為太陽(yáng)能和燃煤共同輸入條件下實(shí)現(xiàn)低碳捕集和電力產(chǎn)出。因此選取拋物槽式太陽(yáng)能光熱發(fā)電和單一燃煤碳捕集的簡(jiǎn)單疊加作為參比系統(tǒng)，對(duì)比分析集成系統(tǒng)、原始燃煤發(fā)電系統(tǒng)及參比系統(tǒng)三者綜合性能(圖4)。其中，參比系統(tǒng)中槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電的主蒸汽溫度為391 ℃，壓力為10 MPa，發(fā)電效率為14%[25]，對(duì)應(yīng)熱發(fā)電功率為48.6 MW。相較單一燃煤碳捕集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)發(fā)電功率回收46.4 MW。主要原因?yàn)閱我蝗济禾疾都愿咂焚|(zhì)蒸汽作為碳捕集驅(qū)動(dòng)能量，從而導(dǎo)致系統(tǒng)綜合發(fā)電功率和性能顯著降低。相比單一燃煤碳捕集和單一光熱發(fā)電的簡(jiǎn)單疊加系統(tǒng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)發(fā)電功率提升44 MW。系統(tǒng)太陽(yáng)能發(fā)電效率(汽輪機(jī)增發(fā)功率/太陽(yáng)能投入熱能)為13.3%，較單一槽式發(fā)電效率較低，但考慮其巨大的CO2減排收益，該系統(tǒng)集成方案仍實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能高效利用。

圖4 系統(tǒng)綜合性能比較Fig.4 Comprehensive performance comparison of system

2.2 典型日變工況運(yùn)行

上述試驗(yàn)在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和入射角被設(shè)定條件下進(jìn)行，但現(xiàn)實(shí)中太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度和入射角不斷變化，導(dǎo)致槽式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提供的熱量改變。選取我國(guó)西北某地夏至日作為典型日，根據(jù)1 d中各時(shí)段太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度和入射角變化，計(jì)算其碳捕集量及增發(fā)功率變化，結(jié)果如圖5所示。

圖5 輻射強(qiáng)度、碳捕集量、增發(fā)功率變化趨勢(shì)Fig.5 Changing trend of radiation intensity,carbon captureand additional power

由圖5可知，隨時(shí)間變化，直射輻射強(qiáng)度先上升后降低，正午時(shí)分升至最大值(920.826 W/m2)。0:00—4:00期間，由于無(wú)太陽(yáng)，碳捕集量為0；5：00—9：00期間，碳捕集量隨輻射強(qiáng)度的增加而增加；10：00—14：00期間保持在287.6 t/h，此后隨輻射強(qiáng)度降低碳捕集量逐漸下降。同樣，增發(fā)功率也隨輻射強(qiáng)度增加先上升，10：00—14：00保持在46.2 MW，隨后隨輻射強(qiáng)度降低，增發(fā)功率逐漸降低。因此，碳捕集量、增發(fā)功率與直射輻射強(qiáng)度并不同步。

原因在于太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度在接近正午時(shí)會(huì)高于設(shè)計(jì)輻照(800 W/m2)，導(dǎo)致收集的熱能超過(guò)碳捕集所需熱量。此時(shí)利用提前再生MgO的方式吸收超出的熱量，集熱能量不足時(shí)，將該部分提前再生的MgO用于碳捕集，這與儲(chǔ)能系統(tǒng)中的削峰填谷類似。系統(tǒng)在典型日下運(yùn)行，工質(zhì)對(duì)太陽(yáng)能的儲(chǔ)存和釋放過(guò)程如圖6所示，可知經(jīng)儲(chǔ)存和釋放，太陽(yáng)能被高效利用。儲(chǔ)能作用也減少了太陽(yáng)能不穩(wěn)定、不連續(xù)對(duì)系統(tǒng)碳捕集量、增發(fā)功率的影響。

圖6 典型日太陽(yáng)能儲(chǔ)存和釋放過(guò)程Fig.6 Typical solar energy storage and release process

3 結(jié) 論

1)針對(duì)燃煤電站依靠自身能量捕集煙氣中CO2帶來(lái)的發(fā)電性能下降問(wèn)題，提出了將燃煤電站、槽式太陽(yáng)能集熱與鎂基碳捕集三者相耦合的集成系統(tǒng)，并以某330 MW燃煤電站為原型進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)計(jì)算。綜合考慮碳捕集、槽式太陽(yáng)能聚光集熱及給水回?zé)峒訜岣鬟^(guò)程相互間的匹配耦合，確立了本系統(tǒng)碳捕集過(guò)程碳酸化及再生反應(yīng)過(guò)程溫度分別為285和400 ℃。

2)設(shè)計(jì)系統(tǒng)相較單一燃煤碳捕集發(fā)電系統(tǒng)，避免了碳捕集導(dǎo)致的46.4 MW發(fā)電功率損失；相較單一燃煤碳捕集發(fā)電與單一光熱發(fā)電的簡(jiǎn)單疊加，發(fā)電功率增加了44 MW，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)1+1>2的互補(bǔ)集成效果。

3)本文提出的系統(tǒng)可通過(guò)調(diào)控碳捕集過(guò)程避免輻照過(guò)高/過(guò)低對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響，典型日下平均碳捕集量135.6 t/h，增發(fā)功率達(dá)23.2 MW/h，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的變工況高效運(yùn)行。