化學鏈高溫空分制氧與熱力發電系統集成性能評價

趙亞仙, 謝文霞, 張 軍， 解繼紅， 杜 勇， 閆海仙

(1. 晉中學院 機械學院， 山西晉中 030600； 2. 東南大學 能源與環境學院， 南京 210096)

在傳統的空氣燃燒方式下，煙氣成分絕大部分為N2，而CO2含量較低，直接分離的成本高，經濟性差。O2/CO2循環燃燒使用純氧代替空氣，可以較為經濟地直接將煙氣加壓使CO2液化，從而達到分離的效果，是一種很有發展潛力的CO2捕集技術。但傳統富氧燃燒需要大規模空分制氧，投資大、能耗高，使得富氧燃燒系統經濟性和能源利用效率下降，故研究新型高效、低成本的制氧方法是富氧燃燒進一步發展所急需解決的關鍵問題之一。

根據文獻[1]，以MexOy/MexOy-2載氧體為例，在高溫條件下，氧化反應器中，由于氧氣分壓較高，空氣可將MexOy-2氧化為MexOy，即反應式(1)；還原反應器中，由于氧分壓較低，CO2氣氛下，MexOy可還原為MexOy-2，并釋放出氧分子，即反應式(2)。

MexOy-2(s) +O2(g)→MexOy(s)

(1)

MexOy(s) →MexOy-2(s) +O2(g)

(2)

化學鏈高溫空分制取O2和CO2混合氣體與傳統制氧性能相比具有節能潛力，而富氧燃燒所需并非純氧，只是O2體積分數為20%～40%的O2和CO2混合氣體[2]。故基于Aspen Plus軟件，將常規富氧燃燒熱力發電系統中的低溫空分制氧單元用化學鏈高溫空分制O2和CO2混合氣體所取代，研究其集成性能，并對其做出評價。

1 系統簡介

圖1為化學鏈高溫空分制氧與熱力發電(CLAS- O2/CO2)系統示意圖。該系統由以下部分組成：化學鏈高溫空分制取O2和CO2混合氣體單元、爐膛、三壓再熱式尾部受熱面、汽水循環和CO2分離壓縮。基于Aspen Plus軟件，氧化反應器、還原反應器和爐膛均選用RGibbs反應器，設定還原反應器熱流量Q=0，CLAS- O2/CO2系統空分部分的氣流CO2是來自鍋爐的高溫煙氣，向空分部分提供反應所需熱量，氧化反應放熱通過熱載體帶入還原反應器，理論上載氧體一次循環過程的總反應熱為零。選用煤粉的工業分析和元素分析見表1，其低位發熱量為22.55 MJ/kg；表2列出了爐膛、尾部受熱面、汽輪機、泵和CO2壓縮系統的參數。

圖1 CLAS- O2/CO2系統示意圖

表1 煤粉工業分析和元素分析 %

表2 系統主要參數

表2(續)

2 性能評價方法

系統能量效率按照低位發熱量計算，其系統發電凈效率ηnet定義為：

(3)

式中：Wnet為系統發電凈功率，MW；mcoal為輸入的煤量，kg/s；Qnet為煤的低位發熱量，kJ/kg。

對于CLAS- O2/CO2系統和常規富氧燃燒熱力發電(ASU- O2/CO2)系統：

Wnet=W1-W2-W3-W4-W5-W6-W7

式中：W1為汽輪機做功，MW；W2為備煤能耗，MW；W3為鼓風機能耗，MW；W4為循環煙氣風機與泵能耗，MW；W5為其他能耗，MW；W6為空分能耗，MW；W7為CO2分離壓縮能耗，MW。

3 結果分析及性能比較

3.1 空分系統影響

以CoO- Co3O4為載氧體，通過Aspen Plus軟件模擬得到空分系統在不同氧化反應溫度TOX下，產物中O2體積分數φ(O2)隨煙氣抽氣溫度Tgas變化的關系圖(見圖2)。從圖2可以看出：在TOX分別為800 ℃、830 ℃和860 ℃時，φ(O2)<10%；在TOX為890 ℃、Tgas>980 ℃時，φ(O2)>10%。以Mn3O4- Mn2O3為載氧體的模擬結果與上述結果具有相似規律，故以CoO- Co3O4為例對空分系統的影響進行研究。

圖2 Tgas對產物中φ(O2)的影響

基于圖2，對TOX=870～890 ℃、Tgas=900～1 100 ℃各工況進行模擬計算，得到φ(O2)>10%的工況(見表3)。

表3 四種工況下模擬結果

對比四種工況可知：工況1和工況2的Tgas相同，TOX不同導致TO2/CO2溫度不同，且工況2略高于工況1，還原反應所需CO2質量不同，且工況2下反應所需CO2質量小于工況1下CO2質量，工況2下φ(O2)大于工況1下φ(O2)；工況3和工況4的Tgas相同，TOX不同導致TO2/CO2溫度不同，且工況4略高于工況3，還原反應所需CO2質量不同，且工況4下反應所需CO2質量小于工況3下CO2質量，工況4下φ(O2)大于工況3下φ(O2)。

在CLAS- O2/CO2系統中，排煙成分90%以上為CO2，則將尾部煙氣循環通入空分制氧部分，將導致汽水換熱量減小，發電量下降。制取相同量O2，工況2比工況1所需煙氣量較小，對應的汽水換熱量的減少量較小，發電量的下降程度隨之減小，工況2比工況1具有優越性；同理，工況4比工況3具有優越性。因此，對工況2和工況4進行進一步研究，并對這兩種工況下的系統效率進行對比。

表4為工況2與工況4模擬結果，工況2與工況4相比，工況2空分的Tgas較低，循環煙氣量較多，排煙量較少，CO2分離壓縮能耗較小，泵耗能較小，其他能耗相當，系統凈功率較大，系統凈效率較高。

表4 工況2和工況4模擬結果

3.2 過量空氣系數影響

(4)

尾道煙氣φ(O2)分別為1%、2%、3%時，過量空氣系數α由式(5)[3]計算：

(5)

排煙φ(O2)增大，鼓風機能耗增大，CO2分離壓縮能耗先增大后略微減小，其他能耗幾乎不變，系統毛功率減小，系統凈功率減小，系統效率降低(見表5)。

表5 不同排煙φ(O2)下系統模擬結果

3.3 不同載氧體影響

與以CoO- Co3O4為載氧體相比，以Mn3O4- Mn2O3為載氧體的空分制氧能耗較低，φ(O2)體積分數較高[1]。

將CLAS- O2/CO2系統的空分單元參數設置為工況2，排煙φ(O2)取1%，模擬結果見表6。

結果表明：與以CoO- Co3O4為載氧體相比，以Mn3O4- Mn2O3為載氧體的空分產物中φ(O2)較大，則相同排煙φ(O2)下，O2和CO2混合氣體總量減小，風機能耗降低，煙氣總量減小，用于換熱煙氣量和循環煙氣量均降低，總功率減小，CO2分離壓縮能耗降低，系統凈功率增大，凈效率增大。因此，以Mn3O4- Mn2O3為載氧體的CLAS- O2/CO2系統性能較優。

表6 不同載氧體下集成模擬結果

3.4 系統性能比較

文獻[4]對ASU- O2/CO2系統進行建模分析，并與常規發電系統進行性能比較，文獻[5]對整體煤氣化聯合循環(IGCC)系統和帶有CO2捕集的IGCC(IGCC- CCS)系統進行性能研究與比較，表7列出其研究結果。

表7 系統結果比較

從表7看出：ASU- O2/CO2系統比常規發電系統凈效率下降12.4%；IGCC- CCS系統比IGCC系統凈效率下降9.4%；CLAS- O2/CO2系統比ASU- O2/CO2系統凈效率高13.5%，比IGCC- CCS系統凈效率高1.8%，且實現CO2零排放。因此，CLAS- O2/CO2系統具有明顯的節能優勢。

4 結語

基于Aspen Plus軟件，對CLAS- O2/CO2系統進行了模擬計算，分別分析了煙氣抽氣溫度、空氣過量系數和不同載氧體對系統性能的影響，得出煙氣抽氣溫度為1 000 ℃、排煙φ(O2)為1%和以Mn3O4- Mn2O3為載氧體的系統性能較優，并對不同形式的系統進行了性能比較，得出CLAS- O2/CO2系統具有明顯的節能優勢。

參考文獻：

[1] 趙亞仙, 向文國, 陳時熠. 化學鏈高溫空分制氧性能評價[J]. 東南大學學報(自然科學版), 2013, 43(4): 809-813.

[2] 張騰, 李振山, 蔡寧生. 利用鈣鈦礦型氧化物制取O2-CO2混合氣體的實驗研究[J]. 工程熱物理學報, 2008, 29(9): 1591-1594.

[3] 鄭體寬, 楊晨. 熱力發電廠[M]. 2版. 北京: 中國電力出版社, 2008.

[4] 孔紅兵, 柳朝暉, 陳勝, 等. 600 MW富氧燃燒系統過程建模及優化[J]. 中國電機工程學報, 2012, 32(2): 53-60.

[5] MARTELLI E, KREUTZ T, CONSONNI S. Comparison of coal IGCC with and without CO2capture and storage: shell gasification with standard vs. partial water quench[J]. Energy Procedia, 2009, 1(1): 607-614.

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