燃气-蒸汽联合循环机组碳捕集方案及优化

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化石燃料发电会排放大量的CO2气体,这必将加剧温室效应,对排放的CO2气体进行碳捕集,符合我国的节能减排政策。燃气-蒸汽联合循环(Natural Gas Combined Cycles,NGCC)机组具有比燃煤机组更高的效率,同时排放更少的CO2气体,其未来必将发挥更大的作用。NGCC电厂碳捕集所需的高能耗是目前该机组进行碳捕集技术的最大挑战。本文基于Aspen Plus软件,对单乙醇胺吸附法(MEA)和钙基循环煅烧/碳酸化法碳捕集系统流程进行了模拟研究。模拟结果表明:(1)随着CO2捕集率增大,吸收剂流量、再沸器的热能耗和富液负荷都增加;随着MEA溶液的浓度增加,再沸器的热耗降低,解析塔的温度升高,富液负荷增大,吸收剂流量减小;在碳捕集率为90%时,设计状态下选得MEA溶液的质量浓度为22 wt.%,其最小的热能耗为3.9 GJ/tCO2,耦合后的机组输出功率降低了62 MW,热效率降低9.5%;75%负荷下选得MEA溶液得质量浓度为25 wt.%其最小的热能耗为4.6GJ/tCO2,耦合后的机组输出功率降低了39 MW,热效率降低8.7%。(2)弛放率的降低,会使循环固体物料、CaO、CaCO3的质量流量增加,并且也会使煅烧能耗增加,但是向碳捕集系统中补充的新鲜的钙基吸收剂的质量流量会降低;气固分离系数的升高,会使循环固体物料、CaO、CaCO3的质量流量增加,并且也会使煅烧能耗增加,但是向碳捕集系统中补充的新鲜的钙基吸收剂的质量流量会降低;钙碳比的升高,会使碳捕集系统中各个部分的固体物料的质量流量增加,同时煅烧能耗也会增加;合理的利用洁净烟气和高温CO2的热量可以提高输出功率,降低捕集能耗。对原有机组进行碳捕集后,设计工况下热效率降低了11.6%,热耗率较参考电厂升高了1898.9 KJ/(kW?h);75%负荷下时热效率降低了12.7%,热耗率增加了1782.8 KJ/(kW?h)。从耦合系统的热力性能、脱碳成本、发电成本等方面对两种碳捕集方案进行对比分析。结果表明,在设计状态下,MEA法碳捕集工艺比钙基吸收剂碳捕集工艺的热效率高1.3%,热耗率减少了862 KJ/(kW?h);但MEA法碳捕集工艺所需设备大且会从机组的中低压缸抽大量的蒸汽来为解析塔的再沸器提供热源,增加了系统的复杂程度,这导致了整个耦合系统的初投资成本、等额年度分期偿还成本、运行维护成本、发电成本、脱碳成本分别高于钙基吸收剂法碳捕集方案24900万元、2931万元、995万元、0.014万元/(MW?h)、0.045万元/t CO2。综上分析,在热力性能方面,MEA法更优;在经济性方面,钙基吸收剂法更优。
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