汽輪機低壓抽汽用于二氧化碳減排的分析與探討

陳海平，任 兵，郭紅龍

（1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003；2.山西電力科學研究院，山西 太原 030001）

汽輪機低壓抽汽用于二氧化碳減排的分析與探討

陳海平1，任 兵1，郭紅龍2

（1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003；2.山西電力科學研究院，山西 太原 030001）

闡述了在基于單乙醇胺吸收CO2方法中，為了使吸收劑循環利用，需要消耗大量的熱量。針對國內某600 MW機組，通過對使用三種不同的抽汽熱源情況下的計算，比較由于多抽汽引起的做功損失、機組熱效率變化以及再生塔產生的損，得出最佳用于再生塔所引起的汽機做功損失、機組熱效率變化較小的抽汽段熱源。

抽汽熱源；做功損失；熱效率；損

0 引言

我國是一個富煤少油的國家，在未來幾十年內，煤炭在我國一次能源構成的主導地位仍不會改變。目前，煤的主要利用方式是直接燃燒，火力發電、工業鍋爐和城鄉居民生活用煤，占煤炭總產量的80%以上，其中發電與熱電聯產用煤總量占煤炭總產量的50%以上[1]。隨著我國經濟的不斷發展，整個社會對電力的需求量不斷增大，截止2009年底，我國發電裝機容量達87 410萬kW，到2010年9月底發電裝機容量突破9億kW[2]；其中火電裝機容量為6.52億kW[3]，從而導致CO2排放量巨大。由于溫室效應逐漸嚴重，我國面臨著CO2減排的壓力巨大[4]。目前，CO2捕集技術可分為三類：燃燒前捕捉、燃燒后捕捉和富氧燃燒捕捉。燃燒前捕捉技術主要和IGCC技術聯合使用，但由于其成本過高以及該技術的尚待完善等原因限制了它的應用；富氧燃燒技術是目前的一個研究熱點，多停留在實驗室和中試階段；燃燒后捕捉技術是目前最成熟的技術，已投入應用[5]。燃燒后捕捉的主要優點在于其實用性廣，系統原理簡單，在運行電廠中比較容易應用。在燃燒后捕捉的多種方法中，基于單乙醇胺（MEA）吸收CO2是目前比較成熟的化學吸收法[6]。燃燒后捕捉技術的能量損失在于MEA溶液的再生，所需的能量通常來自汽輪機的低壓抽汽[7]。因此，研究從汽輪機中、低壓缸的不同抽汽段抽汽用于MEA溶液再生的經濟性具有重要意義。

1 基于單乙醇胺（MEA）吸收CO2技術

從煙氣中分離二氧化碳技術被劃分為吸收技術、吸附技術、膜分離技術及其他物理和化學分離方法。化學吸收技術的歷史悠久，技術成熟，運行穩定，并不斷地推陳出新，氣體回收率和純度可達99%以上，是一種具有工程可行性的CO2減排方案。該技術在化工行業已較為普遍和成熟，對CO2的捕獲效果好。經過研究證明，基于單乙醇胺吸收二氧化碳是目前比較成熟的技術。乙醇胺屬于有機胺，將其用于吸收二氧化碳屬于有機胺法工藝。有機胺法工藝出現于20世紀30年代，實現工業化后成為工業凈化的主要方法之一，與其他方法相比具有吸收量大、吸收效果好、成本低、洗滌劑可以循環使用的優點，并能回收到高純產品。

基于單乙醇胺吸收CO2的具體過程為：電廠鍋爐煙氣先經過脫硫、脫氮裝置，再經冷卻、除水后進入胺吸收塔，塔內裝有填料，MEA溶液和煙氣逆流通過吸收塔。在此過程中MEA溶液吸收煙氣中的CO2，除去CO2后的煙氣經水洗后排入大氣。吸收了CO2的富液進入熱交換器預熱后進入再生塔，再生塔工作溫度為100～120℃，在再生塔中解析出CO2的貧液經過濾、冷卻后再回到吸收塔循環利用。塔頂出口CO2經壓縮、脫水后回收存儲。

2 再生塔耗熱量計算

以國內某NZK600-16.7/538/538機組為例，額定工況下其煙氣流量為63 794.84 kmol/h，其中CO2占18.26%[8]，所以該煙氣中所含CO2為11 648.937 8 kmol/h。目前，已開發了一種活性胺，形成了以MEA為主體的復合胺吸收溶劑。該活性胺與CO2反應后生成不穩定的氨基甲酸鹽，其吸收CO2的最大容量為1[9]。設CO2的吸收率為80%，則理論上用于吸收CO2的MEA溶液所含的MEA為11 648.937 8 kmol/h×80%=9 319.15 kmol/h。由參考文獻[9]可知在再生塔中每再生1 mol MEA所需熱量為204.09 kJ/mol，則每h再生塔需要消耗的熱量為：

3 抽汽引起的汽輪機做功變化

在額定工況下，該機組低壓各段抽汽的熱力參數如表1所示。

表1 汽輪機低壓抽氣參數

一般情況下，在再生塔中，來自汽輪機中、低壓抽汽與已吸收CO2的富液進行逆流換熱，為了使再生塔底部溫度維持在120℃，再生塔熱源可以采用汽輪機的第4、5、6段抽汽。這三段抽汽進入再生塔時的壓力分別為：0.7 MPa、0.29 MPa、0.186 MPa，經再生塔放熱后變為相應壓力下的飽和水。三種情況下飽和水的焓值分別為697.32 kJ/kg、556.65 kJ/kg、495.056 kJ/kg，則為滿足再生塔的耗熱量，需要從各段多抽的蒸汽量為Q/（hi-h′i），（i=4，5，6），h′i為汽輪機焓飽和水焓。

經計算得出，需要從各段多抽的蒸汽量分別為：781 t/h、807 t/h、820 t/h。

根據等效焓降法，由于多抽汽引起的做功損失為

式中：αf——抽汽系數；

hf——汽輪機抽汽焓；

hn——汽輪機排汽焓且為2 426.1 kJ/kg。

計算可得4、5、6段引起的做功損失，如表2所示。

表2 抽汽引起的做功損失

為了減小熱量損失，將上述情況下生成的飽和水經減壓后分別引入3號低加疏水管路、2號低加疏水管路和凝結水箱中，設回水率為100%。根據等效熱降法，計算得熱水從疏水管路進入系統的做功增益為

經計算，三種情況下的飽和水進入系統的做功分別為：17.483 kJ/kg、15.122 kJ/kg、0。

所以，由于多抽汽引起的汽輪機做功變化總量為 ΔH=（-ΔH1）+ΔH2。

代入計算可得三種情況下做功變化總量分別為-280.9 kJ/kg、-196.6 kJ/kg、-171.99 kJ/kg。

分析上述計算結果可得，要使鍋爐排放煙氣中二氧化碳的80%被吸收，則從第6段抽汽為再生塔供熱所引起的汽輪機做功損失最小。

4 機組循環熱效率變化計算

假設鍋爐循環吸熱量不變，則新蒸汽的毛等效熱降為

考慮熱系統各種輔助成分的做功損失ΣΠ后，可得凈等效熱降為

式中：h0——新蒸汽焓；

τr——每kg水在加熱器r中的焓升；

σ——每kg蒸汽的再熱吸熱量；

ηr——加熱器r的抽汽效率。

表3 計算所得τi、qi、γi、ηi

經計算得新蒸汽毛等效熱降

凈等效熱降為

經計算得從4、5、6段抽汽引起的機組熱經濟性相對變化量分別為30.7%、19.7%、16.8%。

所以，從第6段抽汽對機組的循環熱效率的影響比第4、5段小，經濟性相對較好。

則由于多抽汽引起的機組熱經濟性相對變化為

5 再生塔中產生的損

若再生塔為逆流式換熱器，質量為mH的蒸汽從狀態1放熱至狀態2，質量為mL的冷流體從狀態3吸熱至狀態4。在整個再生塔內任一截面，蒸汽的溫度大于復合胺溶液的溫度。以整個換熱器為系統，設換熱器與大氣環境無熱量交換，且不計冷、熱流體的動能和位能變化。設環境溫度為20℃、壓力為105Pa，查表得：hhj（環境）=84.0 kJ/kg，shj（環境）=0.296 3 kJ/（kg·K）。查表得各段抽汽的熵以及對應的再生塔出口飽和水的熵如表4所示。

表4 各段抽汽的熵以及對應的再生塔出口飽和水的熵

表5 各段抽汽的以及對應的再生塔出口飽和水的

表5 各段抽汽的以及對應的再生塔出口飽和水的

圖1 再生塔平衡

因此得exl=T0（[s2-s）1+（s4-s3）]。

設i0=T0(s4-s）3，對于第4段抽汽，單位工質產生的損為

6 結論

a）由上述計算可得：在滿足用于解析CO2的再生塔熱耗的前提下，從第6段抽汽引起的汽輪機做功損失、機組循環熱效率相對變化量、再生塔產生的損都較小，比較經濟。

b）再生塔的耗熱，需要的抽汽量遠大于原抽汽段的抽汽量。對于已投產機組，往往達不到此熱量的需求，需要對汽輪機低壓缸做很大的改造，相應其他部分也得改造。從第4段抽汽比較容易實現，即從中壓缸排汽管道連接一分支管即可以實現，但這種方法的經濟性較從第6段抽汽差。

［1］ 陳昌和，王淑娟，趙博，等.煤的清潔利用技術的現狀與發展［J］.物理，2010，39（5）:301-306．

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The Analysis and Research of Using Low-pressure Extraction Steam of Turbine for Carbon Emission Reduction

CHEN Hai-ping1，REN Bing1，GUO Hong-long2
（1.North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China；
2.Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China)

In the way of absorbing carbon dioxide by MEA，it is much heat-consuming to achieve cycling use of absorbent.Calculations are done under three different heat sources of extraction to compare power loss caused by excessive extraction,thermal efficiency of the turboset，and exergy loss of regenerative tower.The result shows us the most economical heat source for a domestic 600 MW unit in terms of power loss caused by regenerative tower and the heat source with the least change of thermal efficiency．

the heat source of extraction steam；power loss；thermal efficiency；exergy loss

TK229

A

1671-0320（2011）04-0043-04

2011-03-12，

2011-05-23

陳海平（1963-），男，內蒙古人，畢業于華北電力大學熱能工程專業，博士，從事火電廠節能領域的教學和科研工作；

任 兵（1984-），男，山西榆社人，華北電力大學在讀碩士，從事火電廠節能的研究；

郭紅龍（1964-），男，山西霍州人，1987年畢業于清華大學熱能工程系熱能工程專業，總工程師，高級工程師，從事工程設計、工程項目管理與科技管理工作。