燃煤煙氣碳捕集系統壓縮、干燥與液化設備選型

李 偲,龔海艇,楊 陽,鄭旭帆

(1.國家能源集團泰州發電有限公司,山東 泰州 253200;2.國家能源集團新能源技術研究院有限公司,北京 102211)

0 引 言

自國務院頒布《能源發展戰略行動計劃2014—2020》以來,我國大力開展能源消費結構改革,效果顯著。但在能源消費結構方面,我國仍以煤炭和石油為主,截至2019年,煤炭在一次能源消費總量中占比約57.7%,石油約占18.9%,煤炭和石油消費占整個能源結構消費的比例仍達76.6%[1]。

2020年11月國網能源研究院發布的《中國能源電力發展展望》對碳達峰、碳中和情景下的中國未來能源電力進行深入分析。一次能源低碳化轉型明顯,2025年、2035年、2050年、2060年非化石能源占一次能源消費比重分別有望達到約22%、40%、69%、81%。2035年前后非化石能源總規模超過煤炭[2]。因此,在未來10 a中,電力部門將在節能減排方面發揮重要作用。而根據國家統計局公開的信息統計,截至2021年6月底,以燃煤為主的火力發電量占全國發電總量仍達73%[3],未來10 a內火力發電單位規模化減排CO2才能支撐實現終端用能碳排放大幅降低。

占據絕對主導地位的燃煤發電行業中減排 CO2是當前我國減排的關鍵,而CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage,碳捕集、利用與封存)是目前實現這種減排的重要技術手段。預計到2025年,煤電CCUS減排量將達到600萬t/a,2040年達到峰值,為2億～5億t/a,隨后保持不變[4]。燃煤電廠加裝CCUS可捕獲90%的碳排放量,使其變為一種相對低碳的發電技術。在中國目前裝機容量中,到2050年仍將有約9億kW運行[5],CCUS技術的部署有助于充分利用現有煤電機組,適當保留煤電產能,避免一部分煤電資產提前退役而導致資源浪費;現役先進煤電機組結合CCUS技術實現低碳化利用改造是釋放CCUS減排潛力的重要途徑[6]。

技術適用性標準和成本是影響現役煤電機組加裝CCUS的主要因素[7],CO2捕集后的壓縮、液化成本占CCUS應用成本的1/4,故適用于火電廠的CO2高效壓縮、冷卻、安全存儲成為CCUS技術推廣應用的重要因素。筆者依據某1 000 MW等級火力發電廠的50萬t/a規模煙氣二氧化碳濕法捕集項目,研究適用于火力發電廠-化工聯合體的CO2氣體壓縮、液化及冷卻工藝,對所需的CO2壓縮機、冷凍液化機等設備選型進行比型分析,探討不同等級、不同區域火力發電廠工業運行實際對CCUS裝置CO2氣體壓縮系統運行的影響。

1 某1 000 MW等級火力發電廠50萬t/a規模CCUS項目簡介

華東某1 000 MW級燃煤火力發電廠50萬t/a規模CCUS項目為“二氧化碳捕集與資源化能源化利用技術研究及示范項目”,基于本項目研究形成50萬t級CCUS低能耗技術集成方案,并在此基礎上積極開展火電企業CCUS技術實施路徑及策略研究,為現役/新建燃煤電廠深度耦合百萬噸級CCUS全流程提供參考。

項目依托火電廠廠區條件建設,CO2捕集工藝為液態醇胺化學吸收法,設計捕集率超過90%,工藝所需用電、蒸汽、冷卻水等均為電廠產品或自制,抽取煙囪入口前經超低排放處理的近零煙氣,通過水洗、吸收、再生、壓縮、干燥、液化、精制等工藝,生成液態CO2通過槽罐車、船運、管道等運輸方式銷售,產品用途主要有驅油、加氫制甲醇、焊接保護及食品行業應用等。

經捕集裝置再生后進壓縮系統前的CO2氣體具有純度高(98%以上)、溫度高(45 ℃)、濕度大(含水率5%)特點,且含有微量N2、O2、SOx、Ox及粉塵雜質,壓縮系統一般指升壓、干燥、液化工序所需設備,考慮到電廠運行工況變化,壓縮系統裝置按照額定生產能力50%～110%平穩運行設計,裝置設計最大負荷為正常的110%,裝置連續年操作時間8 000 h。

2 CO2氣體壓縮、液化工藝

為便于運輸和使用,產品CO2生產中一般將其制成液體或固體產品。理論上,CO2達到臨界溫度31.06 ℃以下,在特定壓力下即可液化,壓力越高,液化溫度越高。但不同來源CO2原料氣中的雜質及含量不同,液化后對產品質量有重大影響。依據原料氣來源不同,可分成不同生產工藝路線,需根據具體情況選擇不同的凈化方法和液化條件。

一般來說,CO2液化生產工藝主要按系統壓力不同分為高壓法、中壓法和低壓法[8]。

1)高壓法。將原料CO2氣體通過壓縮機提壓至7.28 MPa(臨界壓力)以上高壓,充入鋼瓶,用低于31.4 ℃(臨界溫度)冷卻水噴淋使瓶內氣體液化。該方法工藝簡單、流程短、不需制冷機、操作方便。但加壓后直接裝瓶,產品不經凈化過程,導致CO2產品純度低、雜質多,只用于一般工業用途。如果加壓后凈化,則凈化過程設備需在8 MPa高壓下操作,設備投資成倍增加,操作危險性增加。液化只能在鋼瓶中進行,無法存儲于大型儲罐,更不能裝入槽車進行遠途運輸,嚴重限制了大規模工業生產。

燃煤火電廠CO2排放總量大,CO2捕集項目年產量一般都在萬噸級以上,高壓法因產能限制不適用于燃煤火電廠項目。

2)中壓法。中壓法適合于生產CO2純度≥90%的原料氣。系統壓力為2.5～4.5 MPa,用制冷機冷卻至-20 ℃液化,得到液體CO2。由于該工藝對原料氣適應性較廣(原料氣品質波動對產品質量影響較小),目前被國內大多數CO2生產企業采用。較高壓法而言,雖然增加了一套制冷系統,操作復雜,但中壓法可大幅減少二氧化碳壓縮機的電耗。在投資方面,高壓壓縮機價格比中壓壓縮機高2.6倍,遠超中壓壓縮機和制冷機價格總和。故中壓法可降低成本,提高經濟效益。所得液體CO2產品可用管道輸送到儲罐中,便于大規模儲存和裝車運輸。

采用中壓法,CO2原料氣經壓縮、冷卻、干燥脫水、吸附脫除微量飽和水、吸附脫除雜質、冷凝液化、精餾分離脫低沸點組分,塔釜即可制得純度≥99.99%的高純度食品級液體CO2。

目前,國內火電廠已投或在建10萬t/a及以上CO2捕集項目均采用濕式化學吸收法,再生裝置出口CO2純度可保證≥90%。較高純度的CO2產品除驅油(地下封存)外,還可廣泛應用于化工產品生產、工業焊接生產,中壓法后精制處理的CO2還可應用于食品生產行業,此類用途的CO2對于壓力要求一般在2 MPa左右,因此,中壓法是目前火電廠CO2捕集項目的主流氣體壓縮方法。

3)低壓法。該工藝適合CO2純度≥98%的原料氣生產。系統壓力為1.8 MPa,CO2液化溫度≤-35 ℃。雖然該工藝制冷系統較復雜,但由于壓縮機功耗低,設備耐壓要求低,投資較低。然而,由于該工藝所允許的原料氣品質波動范圍很窄,生產條件較苛刻,只適用于原料氣純度較高,且雜質基本以水溶性含氧有機物為主的酒精廠發酵氣生產工藝。

作為火電廠CO2捕集項目主流工藝的濕式化學吸收法,如選取高效醇胺吸收劑,工藝上再生裝置出口CO2純度達98%以上難度不大[9],以選取樣本火電廠為例,其壓縮機入口CO2純度即為98%,此品質CO2經簡單精餾即可作為食品級CO2。因此,燃煤電廠CO2捕集項目如以食品CO2作為主要產品,可選取低壓法為氣體壓縮方法。

3 化工領域CCUS項目設備選型特點

近年來,全球范圍內規模化CCUS項目數目增多,根據《清潔高效燃煤發電技術》2022年發布的《CCUS技術發展現狀及應用前景》,截至2020年底,全球已投運的28個大型CCUS工業示范項目中,26個項目碳捕集類型為工業分離,集中在天然氣處理、化工生產、煉油及制氫等化工行業,僅2個項目為電力行業的燃燒后捕集類型。目前國內最大規模的齊魯化工-勝利油田百萬噸級CCUS項目也是應用于齊魯化工生產過程中排放的CO2捕集提純。

化工生產特別是石化生產由于連續、穩定、規模大的生產特性,使CCUS裝置設備在選型時,具有以下特點:

1)捕集、提純工藝簡單。化工單位原料煙氣一般為化學品生產尾氣,CO2體積分數在60%～90%[10],含一定雜質。齊魯石化-勝利油田CCUS項目為例,氣源為齊魯石化第二化肥廠煤氣化裝置尾氣,CO2體積分數達90%。來料氣較高的CO2濃度使提純工序僅需簡單的閃蒸罐設備等即可完成。

2)不需頻繁調節工況。化工生產在階段生產周期內一般為定量定產,CCUS裝置來料氣源流量、參數穩定,設備不需頻繁調節工況。

3)具備穩定的動力蒸汽來源。化工生產單位一般要建立蒸汽鍋爐或自備電廠,產出蒸汽參數在200～300 ℃、1～2 MPa[11],作為CCUS裝置風機、壓縮機等傳統電耗大戶動力源,節能效果較好。

4)遠程集中控制要求低。化工安全生產的原則要求從業人員不能過多依靠遠程集中控制,生產設備的操作、調整、故障處理需以人員實際確認為主。化工單位CCUS裝置運行可融入化工生產管理體系,無需增加單獨的遠程集中控制系統。

4 火電廠與化工單位CCUS項目設備的選型差異

相對化工企業CO2捕集設備選型,火電廠CO2捕集設備的選型受到機組運行影響,具有特殊性。

4.1 原料煙氣總量大

以本文1 000 MW級火電機組為例,該CCUS項目設計能力為處理發電機組排放煙氣量的10%,年捕集CO2量即可達到50萬t,如按100%煙氣處理量計,CCUS裝置處理能力需達500萬t/a,僅為單臺機組捕集量,若該火電機組所屬電廠的4臺1 000 MW火電機組均參與CO2捕集,即使按50%捕集量設計,單個火電廠CO2捕集量需達1 000萬t/a。

目前國內化工單位已投運的CO2捕集裝置,量級基本都在20萬t/a以下,2022年1月投運的齊魯石化-勝利油田百萬噸碳捕集和驅油示范項目,年處理能力僅為100萬t。CCUS技術成熟后,推廣應用單個火電廠CCUS裝置需壓縮處理的CO2氣體量遠超化工企業,傳統化工企業CO2壓縮機的選型經驗無法生搬硬套至火電行業。

4.2 原料氣供應不穩定

根據國家發展改革委、國家能源局聯合印發的《關于開展全國煤電機組改造升級的通知》(發改運行〔2021〕1519號):現役機組純凝工況調峰能力一般要求最小發電出力達到35%額定負荷,采暖熱電機組在供熱期運行時通過熱電解耦力爭實現單日6 h最小發電出力達到40%額定負荷的調峰能力。火電機組40%額定負荷以下深度調峰工況運行已成為常態,在華北、華東電網等地區火電機組中,已在推行20%額定負荷深度調峰。

火電機組深度調峰運行時,在數小時內機組負荷波動可達額定負荷的60%～80%,火電機組煙氣排放量波動極大,最低時煙氣量低至額定量的1/3以下,調峰結束后機組煙氣排放量即恢復至額定量的90%以上。這種短時大幅波動是目前火電機組常態,與化工設備所需的穩定工況要求相反。

原料氣源供應不穩定,必然會導致CO2壓縮機處理氣量不穩定。對于大容量機組而言,以選取1 000 MW級火電機組為例,該CCUS項目CO2年捕集量為50萬t,按照90%捕集率折算,每分鐘捕集至CO2壓縮機入口的體積為583.3 m3,火電機組額定工況下CO2排放總量為5 800 m3/min,CO2捕集裝置僅需處理機組滿負荷工況下10%的煙氣量即可。如機組進行20%額定負荷深度調峰,CO2排放量仍可達1 160 m3/min,遠超項目設計的583.3 m3/min滿額處理量,CO2壓縮機可始終保持高效率滿負荷運行;如將CCUS裝置擴容至100萬t/a,以90%捕集率計,發電機組20%負荷深度調峰時,CO2壓縮機入口將出現工質短缺,壓縮機需降參數運行,壓縮機驅動裝置將無法保持在最高效率點,導致CO2捕集單位能耗上升,且頻繁調整工況也會影響壓縮機的使用壽命和安全性;若600 MW以下等級火電機組(此類機組在火電機組中占比過半)采用100萬t/a捕集能力的CCUS裝置,可推算出發電機組調峰運行對捕集裝置的影響更顯著。

隨CO2捕集技術逐步成熟,火電機組煙氣將實現50%乃至100%的CO2捕集,為適應發電機組的調峰運行,CO2捕集系統的壓縮機對于變工況運行的適應性、可調節性顯得尤為重要。

4.3 動力蒸汽源不穩定

化工企業自備小型鍋爐長期供應穩定的低參數蒸汽,從能源利用節約成本角度考慮其裝置動力源一般選取蒸汽動力,背壓式小汽輪機是化工企業設備的主流動力裝置[12]。而以發電為主的燃煤火電廠提供的高/低參數蒸汽的流量、壓力及溫度,隨機組運行工況調整波動較大。

以本文1 000 MW級火電機組為例,設計初期對機組能夠提供的汽源進行了詳細核算。

1)2臺鄰機汽動引風機排汽。汽動引風機排汽參數見表1,發電機組設計引風機排汽回汽機除氧器,可部分排擠除氧器抽汽。根據運行參數,機組70%負荷以下時,可抽蒸汽量約100 t/h,參數為0.67 MPa/301 ℃,為保證蒸汽經壓縮機做功后仍可滿足再生裝置工作(0.4 MPa、144 ℃、75 t/h),壓縮機需削減輸出功率,限制CO2捕集裝置整體出力[13]。經統計,機組70%額定負荷以下運行時間占機組總運行時間的30%左右,此種波動以1 d為周期。如選取此路汽源,無法保證壓縮機出力穩定。

表1 汽動引風機排汽參數Table 1 Steam exhaust parameters of steam driven induced draft fan

2)供熱汽源。該火電廠自4臺機組抽汽匯總后對外供熱,約70 t/h左右,運行壓力1.5 MPa(a),運行溫度280 ℃;設計壓力1.8 MPa(g),設計溫度300 ℃。此路蒸汽流量無法滿足壓縮機做功需求(150 t/h)。

3)汽機中壓缸排汽。汽機中壓缸排汽參數見表2,可知中壓缸排汽壓力不能滿足本工程脫碳捕集的蒸汽壓力需求。

表2 某1 000 MW火電廠汽機中壓缸排汽Table 2 Exhaust steam from the steam turbine medium pressure cylinder of a 1 000 MW thermal power plant

4)汽機二次再熱冷段。二次再熱冷段參數見表3,二次再熱冷段壓力較高,為高壓缸排汽,但二次再熱冷端抽取蒸汽量較大時,可能引起鍋爐二次再熱器超溫,另外此路汽源壓力較高,經濟性差。

表3 二次再熱冷段參數統計Table 3 Parameter statistics of secondary reheat cold section

樣本項目在最終設計中,為保證壓縮機穩定安全運行,壓縮機選擇純電驅輔以變頻調節。火電廠壓縮機動力源的選擇,需結合電廠主產業實際設計,如電廠為供熱機組或有合適參數的抽汽來源,且供汽量穩定不受調峰運行影響,選取汽動或汽電雙驅作為動力可有效降低CO2捕集裝置的單位生產成本,且對于電廠整體而言,也是節能降耗的優選。

4.4 裝置冷卻對發電機組的影響

壓縮、液化設備需消耗大量冷卻水,以樣本項目為例,壓縮、液化所需冷卻水量約3 200 t/h。冷卻水一般升溫至42 ℃左右,該部分余熱屬于低品位熱,一般可用于化工單位化工原料預熱,電廠單位對這部分余熱利用比較困難。

為保證壓縮、液化裝置冷卻水≤32 ℃,北方地區一般采用空冷塔對其冷卻,空冷塔新增用電變相提高了電廠廠用電率;南方高溫地區需通過發電機組循環水對冷卻水進行冷卻,或將發電機組循環水直接作為CO2捕集系統的直接冷源,新增冷卻水量提高了火電廠循環水泵用電,也變相提高了廠用電率[14]。

火電廠CO2捕集裝置的冷卻裝置設計時應結合電廠運行實際綜合考慮,以CO2壓縮機為例,壓縮機一般采用三級冷卻,每級冷卻裝置出口冷卻水溫升至42 ℃左右,該部分低品位熱可用于加熱機組低溫省煤器入口來水、凝汽器補水等。冷卻裝置應結合電廠系統協調布置,設計時確認冷卻器的冷熱邊界條件,方便電廠設備充分利用捕集裝置余熱。

5 CO2氣體升壓設備選型

CO2升壓需使用壓縮機,按照工作原理,壓縮機分為容積式和動力式[15]。容積式壓縮機具有容積可周期性變化的工作腔,工作時通過縮小氣體容積提高壓力,包括往復式(如活塞式、隔膜式)和回轉式(如螺桿式、羅茨式、滑片式等)。動力式壓縮機具有驅動氣體獲得流動速度的葉輪,通過提高氣體流動速度,從而增加氣體動能,有序降低氣流速度,使動能轉化為壓力能,同時氣體體積相應減小,包括透平式(如離心式、軸流式和混流式)和噴射式。主要壓縮機的實用范圍[16]如圖1所示。

圖1 壓縮機的適用范圍Fig.1 Applicable scope of compressor

選取樣本項目設計CO2需處理氣量為35 000 m3/h(583.3 m3/min,標況下),壓縮機進口吸氣壓力0.13 MPa,出口壓力2.6 MPa,冷卻水源采用預處理長江水,出口CO2溫度小于42 ℃。對照圖1,往復式、離心式和螺桿式均可滿足出口壓力使用要求,但壓縮機的選取還需結合生產造價、場地布置、出力調節、維護陳本等綜合考慮[17],通過調研國內知名的往復式、螺桿式和離心式壓縮機的廠家,對3種壓縮機進行技術經濟比較,具體見表4,可知螺桿壓縮機設備價格最低,但單臺螺桿壓縮機處理量無法達到設計值17 250 m3/h,需4臺壓縮機,增大了廠房占地面積和總耗電量。出口壓力達2.5 MPa(g),無油螺桿壓縮機價格昂貴,廠家普遍采用微油的螺桿壓縮機,對于食品級CO2產品,增加了部分雜質,須單設油吸附系統,增加運維成本。往復式壓縮機應用廣泛,其價格、運行費用和占地面積均適中,但運行維護周期較短,易損件、定期工作較多,維護工作量大。離心壓縮機占地面積小、功率小,但設備價格最高。對于本項目的流量出口壓力,其效率較高,運行費用低,與往復式壓縮機相比,3.6 a節省的運行費用可抵消設備價格的差異。且離心式壓縮機,易損件少,正常運行周期長。通過電機變頻調節,每臺離心式壓縮機最小流量可降至13 800 m3/h,輔助回流調節最小流量可達8 350 m3/h,通過變頻調節流量時更加節能,適合產品負荷變化較大的情況。綜合考慮,本工程最終選取使用離心式壓縮機。

6 CO2氣體干燥設備選型

CO2氣體壓縮過程中溫度升高,壓縮機每級之間設有冷凝器和氣液分離器,壓縮過程除去部分水后,仍含有飽和的水蒸氣。后續液化過程中,在低溫條件下,水會與CO2結合形成一種松散冰狀或致密雪狀的水合物,這種水合物會造成設備或管道堵塞,很難處理。因此,需對原料CO2氣體進行干燥提純處理,結合產品用戶的質量需求,一般要求干燥處理后常壓水露點達-40 ℃以下。

根據樣本項目操作彈性和預期的產品銷量,設置2套CO2干燥系統,每套處理能力25萬t/a。產品銷量較少時,只開1套設備。CO2氣體壓縮前后,產品含水量要求見表5。

表5 CO2含水量Table 5 CO2 moisture content

液體CO2含水量對應的露點為≤-40 ℃,可使用氧化鋁或分子篩吸附劑脫水。氧化鋁顆粒具有許多毛細孔道,表面積大;分子篩是結晶狀的硅鋁酸或硅酸鹽,具有均勻的微孔結構。二者均具有較好的水吸附能力,結合已建項目的吸附劑使用經驗,分子篩對原料CO2氣體中的醇類、粉塵類具有較好的抗污染性,因此選取分子篩為脫水吸附劑。此外,分子篩中含有電價較低且離子半徑較大的金屬離子及化合態水。加熱后,水分子連續去除,但晶體骨架結構保持不變,形成了許多大小相同的空腔。這些空腔相互連接,并有很多直徑相同的微孔。這些均勻大小的微孔可吸附比孔道直徑小的分子,并將比孔道大的分子排斥在外,因此分子篩具有分離不同形狀、大小、極性和飽和度分子的特性。分子篩對極性、不飽和化合物和易極化分子特別是水有很強的親和力,可將水吸附后脫除。

分子篩脫水主要有2種工藝流程:變壓再生工藝(雙塔流程)和變溫再生工藝(三塔流程)[18]。

1)變壓再生工藝流程。常稱為雙塔工藝流程的變壓再生工藝,涉及2個塔的運作。一個塔用于脫水操作,另一個塔則負責吸附劑分子篩的再生和冷卻。工藝流程如圖2所示。

圖2 變壓再生工藝流程Fig.2 Pressure swing regeneration process flow

干燥塔負責充壓脫水,再生塔負責泄壓再生。干燥過程:經壓縮機壓縮升壓后的CO2進入脫水工作塔,為降低進氣對吸附劑堆料的干擾,壓縮氣需自上而下進入吸附塔,經吸附劑脫水后至制冷單元。再生過程:抽取部分干燥后的CO2氣泄壓回再生塔,通過加熱器預熱后自下而上進入再生塔,對含水飽和的分子篩堆料熱吹吸水,吸水后的再生氣經冷卻后去氣液分離器,通過離心力及重力分離水分后返回壓縮機入口,熱吹脫水后的分子篩還需通過未經加熱的干燥CO2冷吹降溫后才能具備較好的吸附能力。完成再生后的再生塔,即可轉為干燥塔進入吸附流程,此時其底部分子篩床層的干燥程度決定了流出床層的干氣質量,故再生流程中再生氣進入再生塔需保證自下而上的流動方向,確保底部分子篩床層完全再生。

2)變溫再生工藝。變溫再生工藝流程即三塔工藝流程,工藝流程如圖3所示。

圖3 變溫再生工藝流程Fig.3 Variable temperature regeneration process flow

原料氣經干燥塔脫水、再生塔中吸附劑加熱再生,2個過程在相同壓力下完成。干燥過程:經壓縮機壓縮升壓后CO2進入脫水工作塔,為降低進氣對吸附劑堆料干擾,壓縮氣需自上而下進入吸附塔,經吸附劑脫水后至制冷單元。再生過程:再生用氣既可選擇壓縮機出口未經干燥的壓縮CO2氣體,也可選擇抽取部分已脫水干燥的CO2氣體,再生用氣進入吸附塔前,分為再生氣和冷吹氣2部分。變溫再生工藝含加熱、冷吹2個步驟:熱吹用再生氣通過預吸附塔部分干燥后進入加熱器,升溫至設計溫度后自下而上穿透再生塔,分子篩吸附劑受熱后,吸附的水解吸出來實現分子篩的干燥再生。再生氣攜帶水分出再生塔后,經冷卻進入氣液分離器,通過離心力及重力分離水分后,與主原料氣匯合,最后進入干燥塔脫水。冷吹時,冷吹氣由頂部自上而下進入再生塔,冷卻分子篩至常溫,冷吹后的氣體經加熱器加熱后至預吸附塔加熱再生其塔內吸附劑,預吸附塔出來的冷吹氣送往冷卻器及氣液分離器,再送往干燥塔入口。

兩塔和三塔工藝的對比見表6,可知:① 變壓再生工藝中干燥、再生塔頻繁互換,過程中充壓和泄壓導致分子篩床層松動,使分子篩顆粒出現流動摩擦磨損,縮短分子篩使用壽命,導致氣體粉塵含量增加,影響氣體品質及后續制冷單元的正常運行。而變溫再生塔內壓力不變,分子篩床層松動可能性降低,避免了顆粒磨損帶來的危害[19]。② 變壓再生工藝再生壓力低,再生溫度低(150 ℃左右),氣體加熱器能耗低,吸附劑壽命影響小;變溫再生壓力為壓縮機出口壓力(2 MPa左右),再生溫度高(210 ℃以上),氣體加熱器能耗高,吸附劑壽命影響大。③ 變壓再生工藝的再生氣壓力低,含水再生氣放空或返回壓縮機入口再次壓縮升壓,浪費產能,增加了壓縮機能耗;變溫再生工藝的再生氣也是系統壓力,避免了變壓工藝的浪費問題。④ 變壓再生工藝由于分子篩粉化,干燥塔出口過濾器易堵塞,影響正常生產,分子篩壽命僅2 a左右;變溫再生工藝可運行3 a以上,減少了更換損失及檢修成本。⑤ 變溫再生工藝的產品氣露點穩定,可長時間保持在-30 ℃以下,變壓再生工藝產品氣露點波動較大。

表6 兩塔和三塔工藝對比Table 6 Comparison of two towers and three towers processes

綜合對比變溫再生與變壓再生工藝可知,變溫再生工藝更適合大氣量、品質要求高的CO2氣體干燥工序。本項目采用兩干燥塔+預干燥塔脫水的三塔流程。設計切換周期為8 h,其中熱吹時間為5 h,冷吹時間為3 h。需要1臺干燥塔吸附、1臺干燥塔再生(預干燥塔輔助再生)。整個吸附與再生過程均在DCS上通過程序控制完成。

7 CO2液化設備選型

CO2氣體經壓縮壓縮機后,根據氣體壓強公式:

PV=nRT,

(1)

式中:P為壓強,Pa;V為氣體體積,m3;T為溫度,K;n為氣體物質的量,mol;R為摩爾氣體常數(普適氣體恒量),8.314 J/(mol·K)。

氣體體積與壓力呈反比,因設置冷卻裝置,壓縮前后溫度基本維持42 ℃不變,但壓力由0.1 MPa提升至2.6 MPa,氣體體積被壓縮了26倍,但在此溫度下CO2仍處于氣態,與液態相比體積偏大(CO2液態與氣態體積比為1∶557),體積過大嚴重影響CO2的貯存及運輸成本[20],因此干燥后的產品氣需通過制冷機系統液化,進一步壓縮體積。本項目液化單元進氣組成見表7。

表7 液化單元進氣組成Table 7 Composition of liquefaction unit intake air

制冷系統中CO2氣體冷卻液化相變通過制冷劑朗肯循環實現,其工作原理為:在CO2液化器內吸熱蒸發出的制冷劑氣體,被制冷系統壓縮機吸入使其壓縮后升溫升壓,而后高溫高壓制冷劑氣體進入冷凝器,通過循環冷卻水使高壓氣態制冷劑降溫并相變成為高壓制冷劑液體,降溫的液態制冷劑通過膨脹閥節流后再次進入CO2液化器,在液化器內降壓蒸發并吸收殼層的CO2氣體熱量,制冷劑吸熱變成氣態返回壓縮機進入下一循環,殼層的氣態CO2被吸熱后溫度降至液化溫度以下相變為液態CO2,在壓力推動下送往儲存單元。制冷劑選用R507A,不含任何破壞臭氧層的物質。

項目設計年產工業級CO240萬t、食品級CO210萬t。工業級CO2液化部分制冷負荷為5 200 kW,食品級CO2液化所需制冷量為1 350 kW。2部分CO2液化溫度均為-20 ℃,可選用蒸發溫度-25 ℃的制冷機組。食品級CO2精餾過程中,塔頂冷凝器內液化溫度為-28 ℃,制冷負荷150 kW,需使用-30 ℃制冷機組。綜合比較總制冷負荷和設備投資,選用3臺制冷機組,工業級CO2液化選用2臺制冷機組,根據產銷情況靈活調整運行,食品級CO2液化和精餾選用1臺制冷機,參數見表8。

表8 制冷機參數Table 8 Parameters of refrigeration machine

項目制冷機機組成撬提供,CO2直接在撬塊內液化,減少了換熱器數量和管道,-30 ℃以下制冷機在國內屬成熟產品,各品牌國產制冷機在化工領域有大量應用,已形成較為完備的產品系列,本文對制冷機選型不做詳細分析。項目所在地區水資源豐富,直接利用發電機組循環水冷卻,節省了新建冷卻塔的建設備用。

8 結 論

1)火電廠CCUS項目壓縮、液化設備在選型時需充分考慮單臺機容量、能耗、占地、造價、運維成本等,選定合適容量和數量,使壓縮、液化設備在日常運行中始終處于最高效率點,降低壓縮、液化設備單位能耗。

2)CCUS裝置的大型化有助于降低CO2捕集單位能耗。為保證火電廠排放煙氣中CO2捕集率,百萬噸級以上規模的CCUS裝置已成為各發電集團的科技攻關項目。與大容量壓縮設備所需穩定運行條件對應的是火電廠波動性極強的調峰運行,因此火電廠CCUS項目在CO2壓縮機選型時需根據電廠是否為調峰運行機組、調峰運行深度、機組發電容量等選擇合適的機型及動力源。

3)火電廠CCUS項目對壓縮系統設備的配置,應充分考察CO2氣體市場需求類型,若產品氣通過管道運輸用于油田驅油或封存,可取消壓縮系統液化設備,降低工程造價;若產品氣作為食品級CO2出售,則必須配備精制裝置,壓縮機密封還要進行特殊設計以防潤滑油或密封氣體混入CO2造成污染。

4)與化工單位設備設置原則不同的是,火電廠CCUS項目不能一味強調降低單位能耗,在適應發電主機運行和保持CCUS裝置持續穩定輸出之間需尋找平衡點,設備選型需保證具有高效的調節性,才可避免因調節失效導致的系統反復啟停,減少吸收劑等不必要的損耗。

5)相對化工單位而言,火電廠CCUS項目裝置運行用電成本低,故壓縮系統設備動力源的選取不必局限于利用電廠余熱、廢汽,且系統建設應結合電廠已有設備改造開展,既要節約系統造價還要保證設備穩定運行。

6)化工單位CCUS項目一般屬于獨立的產品生產裝置工程,而火電廠CCUS項目一般屬于電廠環保項目,且與電廠主系統共用循環水、閉式水、壓縮空氣等,壓縮系統設備的選型需充分考慮這些材料用量,不影響主發電設備運行。

7)化工安全生產原則要求設備的操作、調整、故障處理需以人員實際確認為主,故化工單位CCUS項目一般不強調完全的自動化控制。而現場火電廠運維均依靠高度自動化的DCS系統,運維人員設置較少,火電廠CCUS項目設備選型時均以高可靠性、高冗余為原則。