基于技術經濟學的氨水脫碳工藝參數影響分析

韓中合，　白亞開

(華北電力大學 電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室， 河北保定 071003)

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基于技術經濟學的氨水脫碳工藝參數影響分析

韓中合，白亞開

(華北電力大學 電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室， 河北保定 071003)

摘要：為了合理評價氨水脫碳工藝與燃煤電廠集成后的運行性能，基于脫碳系統仿真模型和燃煤電廠變工況模型，利用技術經濟學方法建立了脫碳機組評價體系.考察了CO2捕集系統主要參數(氨水質量分數、貧液CO2負荷、吸收塔入口溫度、再生塔壓力、氨氣逃逸率和CO2捕集率)對機組運行性能的影響，選取了氨水脫碳系統可行運行參數.結果表明：氨水質量分數為11%、貧液負荷為0.36以及吸收塔入口溫度為15 ℃為該系統可行運行參數，此時脫碳機組相對于優化前發電效率提升了0.712 7%，發電煤耗降低了6.959 4 g/(kW·h)，發電成本降低了0.011元/(kW·h)，脫碳成本降低了16.756 3元/t.

關鍵詞：冷凍氨法； 二氧化碳； 發電成本； 脫碳成本

符號說明：

G——CO2捕集系統或氨氣捕集系統再沸器所需蒸汽量，t/h

hext——從熱力系統中所抽蒸汽的焓，kJ/kg

hout——從再沸器中流出的疏水的焓，kJ/kg

Gg——煙氣量，t/h

wCO2——煙氣中CO2的質量分數，%

qre——CO2捕集系統再生能耗，GJ/t

ηcap——CO2的捕集率，%

CF——年燃料費用，萬元

CAI——設備折舊費用，萬元

COM——年運行維護費用，萬元

Wnet——凈輸出功，MW

t——機組年運行時間，h

COE——系統的等額年度化分期償還成本，元

φ——系統維護因子

f——年度化償還因子

Z——子系統的基建投資，元

j——利率，%

r——通貨膨脹率，%

k——投資回收期，a

COA——集成系統的捕碳成本，元/t；

COE,cap——脫碳機組的發電成本，元/(kW·h)

COE,ref——參考電站的發電成本，元/(kW·h)

QCO2,cap——脫碳機組的CO2排放量，t/(kW·h)

QCO2,ref——參考電站的CO2排放量，t/(kW·h)

wNH3——氨水的質量分數，%

mNH3——氨水溶液中所含氨氣的質量，kg

mH2O——氨水溶液中水的質量，kg

αCO2——貧液CO2負荷

單乙醇胺(MEA)常被用于燃燒后脫碳吸收工質的參考溶液，但是采用MEA作為吸收工質存在很嚴重的缺點和不足：首先，MEA溶液試劑價格昂貴，且在氧氣和CO2的作用下易發生降解；其次，MEA溶液有腐蝕性，只可以在稀釋到一定程度后使用；再次，MEA的再生過程對熱量要求較高，會使電廠出力大幅度降低[1].這些缺點嚴重阻礙了濕法脫碳技術的進一步發展，尋找再生能耗小、腐蝕性弱且不易降解的吸收工質是目前研究的一個重點.由于氨水吸收法具有可以降低CO2捕集過程再生能耗、氨水與CO2混合物穩定、氨水成本較低且降解不會產生有機產物的優點，因此該工藝具有很好的應用前景.

國內外學者對氨水脫碳過程進行了實驗和仿真研究.孫龍[2]對氨法捕碳過程中氨氣逃逸規律進行了研究，提出了有效控制氨逃逸的系統和方法.張民楷等[3-6]利用Radfrac方法和Ratefrac方法對常溫法氨水脫碳工藝進行了系統流程仿真和建模，優化了吸收塔和再生塔的尺寸和CO2捕集過程的運行參數.馬雙忱等[7-8]通過實驗方法研究了氨法捕集過程的逃逸控制方法和吸收液再生規律，并對氨水捕集煙氣中的CO2進行了實驗和理論研究，對比了MEA與氨水脫碳工藝的異同點.齊國杰等[9]總結了氨水脫碳工藝的研究進展，搭建了氨水脫碳的實驗研究平臺，基于Aspen Plus提出了氨水吸收CO2的吸收熱預測模型，對氨水脫碳的再生能耗進行了研究，證明氨水脫碳過程能耗無法達到理論上的最低值26.88 kJ/mol.

Versteeg等[10]對燃煤機組氨水脫碳工藝進行了技術經濟學分析，結果表明：脫除率在90%的情況下，脫碳成本為73 美元/t；脫除率在95%的情況下，脫碳成本為88 美元/t.Linnenberg等[11-12]對氨水脫碳過程進行了仿真，結果表明：脫碳能耗為2.05 GJ/t，明顯低于MEA脫碳的能耗.Jilvero等[13-14]的仿真結果則顯示氨水脫碳再生能耗為2.5 GJ/t.Hanak等[15]基于Ratefrac模型建立了氨水脫碳工藝的仿真模型，對CO2捕集系統運行參數進行了優化，并分析了主要參數對燃煤電廠運行性能的影響.

國內關于CO2捕集系統參數變動影響的分析多以MEA脫碳為背景[16]，而分析參數變動對冷凍氨法脫碳工藝的影響，實現該工藝在生產中的應用具有重要意義.

1冷凍氨法脫碳工藝仿真模型

根據脫碳所處溫度的不同，氨水脫碳分為低溫法和常溫法，低溫法的典型代表為ALSTOM公司的冷凍氨(CAP)法脫碳工藝[15].低溫下吸收CO2增強了碳酸銨鹽和碳酸氫銨鹽之間的反應，降低了CO2吸收塔頂部氨蒸氣的分壓，降低氨氣的逃逸率[17-18]，但同時增加了冷卻氨水和煙氣的制冷能耗，且在循環過程中會產生不溶于水的鹽類阻塞管道.

參考ALSTOM公司提出的冷凍氨法脫碳工藝，提出了可行脫碳流程.冷凍氨法脫碳工藝可以分為CO2捕集系統和氨氣捕集系統2部分，其中CO2捕集系統如圖1所示，60 ℃的煙氣通過壓縮機和冷卻器進入CO2吸收塔，與同樣被冷卻的氨水溶液混合，吸收煙氣中的CO2；凈化后的煙氣從塔頂排出進入氨氣捕集系統，氨水富液從塔底流出經富液泵和貧富液熱交換器進入再生塔，通過再沸器的加熱釋放吸收的CO2，高濃度的CO2從塔頂排出，氨水貧液從再生塔排出，通過貧富液熱交換器和冷卻器并補充溶液后返回吸收塔.

圖1　CO2捕集系統基本流程圖

冷凍氨法脫碳工藝采用低溫吸收工藝,雖然大大降低了吸收塔塔頂氨氣的逃逸率，但是再生塔塔頂排煙中仍含有大量的氨氣，為了進一步降低排煙中氨氣的濃度，防止因氨氣逃逸造成對環境的二次污染，在塔頂增加了氨氣捕集裝置.

從CO2吸收塔塔頂排出的煙氣進入氨氣捕集系統，在氨氣吸收塔內與濃度較低的氨水溶液接觸以吸收煙氣中的氨氣，使排煙中氨氣的濃度低于0.01‰，吸收了氨氣的氨水富液從氨氣吸收塔塔底流出，經貧富液熱交換器進入再生塔，經過再沸器中氨蒸氣的加熱，從塔頂氨蒸氣中回收濃度較大的氨氣，返回CO2捕集系統.釋放了氨氣的氨水貧液從再生塔塔底流出，經貧富液熱交換器換熱，補充流失的水分并冷卻后，進入吸收塔完成一個循環.具體流程如圖2所示.

圖2　氨氣捕集系統基本流程圖

在化工流程仿真軟件Aspen Plus中搭建冷凍氨法脫碳工藝流程，采用Aspen Plus自帶的物性包，物性包通過RK方程計算工質的氣相成分性質，通過活度系數模型NTRL計算溶液的性質，NH3、CO2、N2和O2均被設置為亨利組分，關于該模型準確性的討論可以參考文獻[19].實際反應涉及到三元體系NH3-H2O-CO2，吸收和再生過程涉及到的反應主要有6個,如表1所示.

仿真時采用某國產600 MW超臨界機組的煙氣作為研究對象，其參數如表2所示.

表1吸收和再生過程涉及到的化學反應

Tab.1Chemical reactions in the absorption and regeneration process

編號化學反應12H2O?H3O++OH-2CO2+2H2O?H3O++HCO-33HCO-3+H2O?H3O++CO2-34NH3+H2O?NH+4+OH-5NH3+HCO-3?H2NCOO-+H2O6NH+4+HCO-3?NH4HCO3(s)

表2　煙氣參數

根據上文提出的氨水脫除CO2的流程，在Aspen Plus中搭建了冷凍氨法脫碳工藝流程仿真模型，模型中各設備采用的模塊及其基線設置如表3和表4所示.

2脫碳工藝與熱電廠耦合模型

2.1耦合方案

由于冷凍氨法脫碳系統由CO2捕集系統和氨氣捕集系統2部分構成，因此需從燃煤電廠抽取2股不同參數的抽汽分別為2個系統提供熱量.根據仿真結果，CO2捕集系統再沸器內工質的溫度在144 ℃左右，設置再沸器內換熱溫差為10 K，則所需飽和蒸汽的壓力為0.53 MPa.圖3為某國產600 MW超臨界機組的系統結構圖，圖中標出了系統中各段抽汽的抽汽參數.由圖3可知，僅有機組的4段及4段以前的抽汽滿足要求.根據能量的梯級利用原則，使用機組的4段抽汽是最理想的抽汽方式，參照抽汽供熱機組和MEA作為吸收劑的CO2捕集機組，采用中、低壓缸連通管作為CO2捕集系統抽汽的引出位置，選取回熱系統5號加熱器入口作為疏水的返回位置，脫碳機組耦合方式如圖4所示.

表3CO2捕集系統采用的模塊及其基線設置

Tab.3Baseline case and modules used in the carbon capture system

編號設備模塊操作條件①煙氣壓縮機Compr出口壓力0.13MPa,等熵效率0.72②煙氣冷卻器Heater忽略壓降,出口溫度25℃③接觸式冷卻器Radfrac5層塔板,出口壓力0.12MPa,出口溫度10℃④吸收塔Radfrac20層塔板,壓力0.12MPa⑤富液泵Pump出口壓力1MPa,等熵效率0.8⑥⑦貧富液熱交換器熱段貧富液熱交換器冷段HeaterHeater冷端溫差5K,忽略壓降⑧再生塔Radfrac壓力2MPa,忽略壓降⑨混合器Mixer絕熱混合⑩貧液冷卻器1Heater出口溫度25℃,忽略壓降貧液冷卻器2Heater出口溫度10℃,忽略壓降再生氣分離器Flash2溫度40℃,忽略壓降

表4氨氣捕集系統采用的模塊及其基線設置

Tab.4Baseline case and modules used in the NH3capture system

編號設備模塊操作條件①吸收塔Radfrac5層塔板,壓力0.12MPa②富液泵Pump出口壓力0.14MPa,等熵效率0.8③④貧富液熱交換器冷段貧富液熱交換器熱段HeaterHeater冷端溫差5K,忽略壓降⑤貧液泵Pump出口壓力0.14MPa,等熵效率0.8⑥再生塔Radfrac5層塔板,壓力0.12MPa⑦混合器Mixer絕熱混合⑧貧液冷卻器Heater出口溫度40℃,忽略壓降

由仿真結果可知，氨氣捕集系統再沸器內工質的溫度為104 ℃，同樣設置換熱溫差為10 K，則所需飽和蒸汽的壓力為0.168 MPa，機組的6段及6段以前的抽汽滿足蒸汽參數的要求，按照能量的梯級利用原則，使用6段抽汽是最理想的抽汽方式，選取7號加熱器入口作為疏水的返回位置.

2.2熱力學模型

CO2捕集系統需要從熱力系統抽取蒸汽，根據本文中所述的2個再沸器對熱量的需求，均有：

圖3　600 MW超臨界機組熱力系統結構圖

圖4　冷凍氨法脫碳工藝與熱力系統集成方案

(1)

根據所需抽汽量，利用弗留格爾公式和熱力系統矩陣模型便可實現脫碳機組的變工況計算，求解流程如圖5所示.

圖5　熱力系統變工況求解流程圖

Fig.5Calculation flow chart of the thermal system under variable conditions

3技術經濟學評價指標

基于CO2捕集系統仿真結果和熱力系統變工況結果，根據技術經濟學分析方法，分析影響CO2捕集系統運行的技術和經濟參數，以達到優化碳捕集電廠的目的.技術經濟學中的發電成本能反映機組運行的經濟性，本研究中不考慮出售CO2的收益Cs，其表達式如下[20]：

(2)

設備折舊費用采用等額年度化分期償還成本來計算，其表達式如下：

(3)

(4)

(5)

式中：p為建造周期，參考國內已有的脫碳項目，設置為1.

文中涉及到的經濟性評價標準見表5.

表5　經濟性評價標準

年運行維護費用主要包括設備檢修費用和工人工資等，可通過年運行維護費用COM占其初始投資的比例rOM來確定各個設備的年運行維護費用,即：

(6)

本文中取rOM=4%.

在發電成本的基礎上，提出了集成系統的捕碳成本的概念，其定義式如下：

(7)

碳捕集電廠主要設備的初始投資參考文獻[20].Versteeg等[10]的研究結果表明冷凍氨法脫碳系統的初始投資成本為普通燃煤電廠初始投資費用的55%，基于冷凍氨法的脫碳機組主要設備的初始投資費用見表6.

4參數影響分析

影響CO2捕集系統運行性能的參數主要有氨水質量分數、貧液CO2負荷、吸收塔入口溫度、氨氣逃逸率、再生塔壓力以及CO2捕集率.其中，氨水質量分數指的是氨水中氨氣所占的質量分數，定義式如下：

表6碳捕集電廠主要設備初始投資費用

Tab.6Initial investment of main facilities in the carbon capture power plant萬元

(8)

貧液CO2負荷是指進入吸收塔的氨水貧液中CO2與NH3的物質的量的比值，其定義式如下：

(9)

為了分析氨水脫碳系統中各個參數對CO2捕集系統能耗大小的影響，氨水質量分數分別取9%、10%、11%和12%，貧液CO2負荷分別取0.30、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35和0.36，吸收塔入口溫度分別取5 ℃、7 ℃、9 ℃、10 ℃、11 ℃、13 ℃和15 ℃，再生塔壓力分別取0.1 MPa、0.4 MPa、0.7 MPa、1.0 MPa、1.3 MPa、1.6 MPa和1.9 MPa，CO2捕集率分別取60%、65%、70%、75%、80%、85%和90%，對冷凍氨法脫碳工藝進行了仿真，計算了各部分能耗的大小，分析系統中各參數的影響時保持其他參數不變.由于氨氣捕集系統不是筆者討論的重點，所以未對氨水吸收系統參數變動的影響進行分析.參考文獻[3]，氨氣吸收塔入口的貧液采用碳化度為1.2、質量分數為0.002%的氨水溶液，吸收塔和再生塔均為常壓操作.

5結果分析

利用流程仿真軟件Aspen Plus搭建了CO2捕集系統的仿真模型，以氨水脫碳系統的總能耗作為評價指標，對氨水脫碳系統的氨水質量分數、貧液CO2負荷和吸收塔入口溫度等參數對總能耗的影響進行了分析.

5.1基線案例

基線設置下CO2捕集系統中主要參數的設置見表7，通過仿真軟件計算了氨水脫碳系統各部分能耗的大小，結果見表8.

由表8可知，在冷凍氨法脫碳系統中，CO2捕集系統再沸器和氨氣捕集系統再沸器的熱耗分別為1.256 0 GJ/t和1.417 2 GJ/t，二者的熱耗遠低于MEA脫碳工藝通常所需的4 GJ/t.氨水脫碳系統能耗之和為2.673 2 GJ/t，這與其他學者的仿真和實驗結果相一致[13].但是冷凍氨法脫碳工藝增加了CO2捕集系統冷卻功，這些功量是相當巨大的(如表8所示)，該工藝冷卻功為0.137 3 GJ/t，CO2捕集率在85%的情況下將消耗廠用電57.278 8 MW.

表7　基線設置

表8基線設置下脫碳機組與原機組的對比

Tab.8Comparison between carbon capture power unit in baseline case and the original power unit

參數脫碳機組原機組冷卻功/(GJ·t-1)0.1373泵功/(GJ·t-1)0.0371煙氣輸送功/(GJ·t-1)0.0539CO2捕集系統再沸器溫度/℃144.2904CO2捕集系統再沸器熱耗/(GJ·t-1)1.2560氨氣捕集系統再沸器溫度/℃104.7887氨氣捕集系統再沸器熱耗/(GJ·t-1)1.4172輸出功降低量/MW103.0481凈輸出功/MW461.7919564.8400發電效率/%35.136042.9765發電煤耗/(g·kW-1·h-1)350.0483286.1863發電成本/(元·kW-1·h-1)0.55520.3530脫碳成本/(元·t-1)284.9633

由表8可知，脫碳機組相對于原機組凈輸出功降低了103.048 1 MW，發電效率降低了7.84%，發電煤耗增加了63.862 0 g/(kW·h)，脫碳成本為284.963 3 元/t，該結果與傳統的MEA脫碳工藝對機組的影響十分接近.

5.2氨水質量分數的影響

氨水質量分數會影響碳捕集吸收過程的反應速率和富液中CO2的含量，從而影響CO2捕集系統所需氨水的流量，影響CO2捕集系統再沸器的熱耗.一般來說氨水質量分數越大，CO2捕集系統所需再生能耗越少，但是，塔頂氨氣的逸出量會大幅增加，氨氣捕集過程的能耗增大，因此如圖6和圖7所示，脫碳機組的發電煤耗、發電效率、發電成本和脫碳成本存在一個最佳的氨水質量分數11%.在氨水質量分數為11%時，脫碳機組的發電煤耗為349.81 g/(kW·h)，發電效率為35.16%，發電成本為0.554 8元/(kW·h)，脫碳成本為284.39 元/t.

圖6　氨水質量分數對脫碳機組運行熱力性能的影響

圖7　氨水質量分數對脫碳機組運行經濟性的影響

5.3貧液CO2負荷的影響

氨水貧液CO2負荷的大小可以反映氨水富液的再生程度，貧液CO2負荷較低時，富液再生度較高，再沸器熱耗主要用于再生氨水溶液以使貧氨水溶液中的CO2達到較低負荷；貧液CO2負荷較高時，富液再生度較低，再沸器熱耗主要用于加熱大量的循環工質.所以氨水貧液CO2負荷從較低值向較高值變動時，存在一個最佳值使得再生能耗最小，從而使機組的運行性能最佳.但是受仿真軟件Aspen Plus的限制，當貧液CO2負荷高于0.37之后將不再收斂.如圖8和圖9所示，從仿真和計算結果可以看出，隨著貧液CO2負荷的增加，機組的熱力性能和經濟性能都逐漸變好，但是趨勢變得越來越緩慢，在0.36時機組的運行性能最佳，在0.37時機組運行性能又開始下降.貧液CO2負荷為0.36時，脫碳機組的發電煤耗為349.57 g/(kW·h)，發電效率為35.18%，發電成本為0.554 5元/(kW·h)，脫碳成本為283.82 元/t.

圖8　貧液CO2負荷對脫碳機組運行熱力性能的影響

Fig.8Effect of CO2load in lean ammonia on the thermal performance

圖9　貧液CO2負荷對脫碳機組運行經濟性的影響

Fig.9Effect of CO2load in lean ammonia on the economic performance

5.4吸收塔入口溫度的影響

貧液和煙氣的溫度會影響吸收塔內吸收過程的溫度，從而影響CO2吸收塔塔頂氨氣的逃逸率，影響氨氣再生和CO2再生過程的能耗以及冷卻功的大小，最終影響脫碳機組的運行性能.雖然再生塔入口溫度越低，制冷過程所需的能耗越大，但是吸收過程溫度的降低使吸收塔塔頂氨氣的逃逸量也減少，降低了氨氣再生過程的能耗.如圖10和圖11所示，冷卻功的影響遠大于氨氣捕集造成的影響，所以隨著吸收塔入口溫度的降低，機組的發電效率呈現降低趨勢，溫度越高對脫碳機組越有利.Linnenberg等[11]指出，在一定的氨水質量分數及貧液CO2負荷下，吸收塔入口溫度在10～15 ℃時機組的運行狀況最佳，所以選取吸收塔入口溫度為15 ℃.

圖10　吸收塔入口溫度對脫碳機組運行熱力性能的影響

圖11　吸收塔入口溫度對脫碳機組運行經濟性的影響

5.5再生塔壓力的影響

再生塔壓力會影響再生塔內吸收過程的相平衡，影響再生過程的溫度，從而影響CO2捕集系統的運行性能.隨著再生塔壓力的增大，CO2捕集系統再沸器熱耗會相應降低，但該變化趨勢隨著再生塔壓力增大而逐漸放緩.同時，再生塔壓力的增大往往會造成再沸器溫度的升高，增大對機組抽汽參數的影響，不能再采用前文所述的抽汽位置.如圖12和圖13所示，隨著再生塔壓力的增大，機組的熱力性能和經濟性能均呈現先提升后降低的趨勢，再生塔壓力為1 MPa時機組的運行性能達到最佳.

圖12　再生塔壓力對脫碳機組運行熱力性能的影響

5.6氨氣逃逸率的影響

以上分析均在氨氣捕集系統的氨氣逃逸率為定值0.01‰下進行，下面考察氨氣逃逸率的控制對機組運行性能的影響.CO2捕集系統氨氣逃逸率越低，氨氣捕集系統循環工質的流量越大，氨氣捕集系統再沸器的熱耗越大.但是，根據筆者對流程的設計，氨氣捕集系統回收的塔頂氨蒸氣直接通過升壓泵進入CO2捕集系統的再生塔，這在一定程度上降低了CO2捕集系統再沸器的熱耗.如圖14所示，在0.32‰之前，隨著氨氣逃逸率的增加，機組發電效率逐漸降低；在0.32‰之后，隨著氨氣逃逸率的增加，機組發電效率逐漸提高.但是從圖15所示的整體趨勢看，氨氣的捕集不僅增大了氨氣捕集系統的能耗，也增加了設備成本，分析結果顯示，當機組不進行氨氣逃逸率控制時，機組的運行性能將大幅度提升，發電效率、發電煤耗、發電成本以及脫碳成本將分別達到36%、341.68 g/(kW·h)、0.487 0 元/(kW·h)和187.785 元/t,此時氨氣脫碳工藝相對于MEA脫碳工藝的優勢將變得十分明顯.但是為了保護環境，根據相關標準和文獻[11]，設置CO2捕集系統的氨氣逃逸率為0.01‰.

圖13　再生塔壓力對脫碳機組運行經濟性的影響

圖14　氨氣逃逸率對脫碳機組運行熱力性能的影響

圖15　氨氣逃逸率對脫碳機組運行經濟性的影響

5.7CO2捕集率的影響

基于仿真結果，分析了CO2捕集率的變動對脫碳機組運行熱力性能和經濟性能的影響.如圖16所示，隨著CO2捕集率的提升，發電成本逐漸升高，發電煤耗逐漸增加，發電效率逐漸降低，說明CO2捕集率越高對機組的運行越不利.如圖17所示，脫碳成本隨CO2捕集率變化的趨勢與發電成本隨CO2捕集率變化的趨勢相反，這是由于采用相同的設備進行脫碳，降低CO2捕集率雖然降低了發電成本，但同時也減少了捕集到的CO2的量，而發電成本的變化往往要比CO2捕集量的變化小很多.所以，實際運行中的脫碳機組部分脫除CO2是不經濟的.這與MEA脫碳工藝的分析結果是一致的.

圖16　CO2捕集率對脫碳機組運行熱力性能的影響

圖17　CO2捕集率對脫碳機組運行經濟性的影響

5.8參數的選取

根據對CO2捕集系統參數變動的分析，選取了CO2捕集系統的可行運行參數，并且與基線案例下的運行結果進行對比，結果如表9所示.

由表9可知，氨水質量分數為11%、貧液CO2負荷為0.36以及吸收塔入口溫度為15 ℃為CO2捕集系統的可行運行參數.在該組參數下，脫碳機組相對于優化前發電效率提升了0.712 7%，發電煤耗降低了6.959 4 g/(kW·h)，發電成本降低了0.011元/(kW·h)，脫碳成本降低了16.756 3 元/t.

表9優化前后機組運行性能對比

Tab.9Comparison of unit operation performance before and after optimization

參數優化前優化后氨水質量分數/%1011CO2捕集率/%8585貧液CO2負荷0.330.36吸收塔入口溫度/℃1015再生塔壓力/MPa11氨氣逃逸率/‰0.010.01冷卻功/(GJ·t-1)0.13730.0937泵功/(GJ·t-1)0.03710.0346煙氣輸送功/(GJ·t-1)0.05390.0539CO2捕集系統再沸器溫度/℃128.2904124.4956CO2捕集系統再沸器熱耗/(GJ·t-1)1.25600.8481氨氣捕集系統再沸器溫度/℃104.7887104.7890氨氣捕集系統再沸器熱耗/(GJ·t-1)1.41721.8876輸出功降低量/MW103.048193.6809凈輸出功/MW461.7919564.8400發電效率/%35.136035.8487發電煤耗/(g·kW-1·h-1)350.0483343.0889發電成本/(元·kW-1·h-1)0.55520.5442脫碳成本/(元·t-1)284.9633268.2070

6結論

(1) 基線案例下，CO2捕集系統再沸器和氨氣捕集系統再沸器的熱耗分別為1.256 0和1.417 2 GJ/t，二者的熱耗遠低于MEA脫碳工藝通常所需的4 GJ/t，但是冷凍氨法脫碳工藝增加了CO2捕集系統冷卻功，在CO2捕集率為85%的情況下，制冷將消耗廠用電57.278 8 MW，添加脫碳系統后，脫碳機組凈輸出功相對于原機組降低了103.048 1 MW，發電效率降低了7.84%，發電煤耗增加了63.862 0 g/(kW·h)，脫碳成本為284.963 3元/t，該結果與傳統的MEA脫碳工藝對機組的影響十分接近.

(2) 分析了CO2捕集系統主要參數對脫碳機組的影響，并選取了該系統運行的可行參數.氨水質量分數為11%、貧液CO2負荷為0.36以及吸收塔入口溫度為15 ℃為該系統的可行運行參數.在該組參數下，脫碳機組相對于優化前發電效率提升了0.712 7%，發電煤耗降低了6.959 4 g/(kW·h)，發電成本降低了0.011元/(kW·h)，脫碳成本降低了16.756 3元/t.

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Analysis of Carbon Capture Process by Ammonia Based on Technical Economics

HANZhonghe,BAIYakai

(MOE's Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment,North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

Abstract：To reasonably evaluate the operation performance of a coal-fired power plant adopting the ammonia-based carbon capture process, a technical economic model was set up based on the simulation model of carbon capture system and the variable condition model of power plant, so as to analyze the effects of following parameters on operation performance of the unit, such as the ammonia concentration, lean solvent loading, chilled temperature, desorber pressure, ammonia slip rate and carbon capture rate, etc., and subsequently to determine the optimal variables of the carbon capture system. Results show that the optimal values of ammonia concentration, lean solvent loading and chilled temperature are respectively 11%, 0.36 and 15 ℃, when the power generation efficiency would be increased by 0.712 7%, and the coal consumption rate, power generation cost and carbon capture cost would be reduced by 6.959 4 g/(kW·h), 0.011 CNY/(kW·h) and 16.756 3 CNY/t accordingly, compared to the original power unit.

Key words：chilled ammonia process (CAP); CO2; power generation cost; carbon capture cost

收稿日期：2015-08-18

修訂日期：2015-09-24

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51076044,51306059);中央高?；究蒲袠I務專項資金資助項目(13XS38)

作者簡介：韓中合(1964-)，男，河北武邑人，教授，博士生導師，研究方向為熱力設備狀態監測與故障診斷、兩相流計算與測量.

文章編號：1674-7607(2016)07-0541-10中圖分類號：TQ028

文獻標志碼：A學科分類號：610.30

白亞開(通信作者)，男，碩士研究生，電話(Tel.)：13082367112；E-mail: footballses@163.com.