基于天然氣聯合循環發電廠CO2捕集與選擇性廢氣再循環的Exergy分析

張振東, 唐佑寧, 伍卓漢

(1. 上海交通大學中英國際低碳學院, 上海 201306; 2. 馬來西亞南安普頓大學工程與物理科學學院, 馬來西亞伊斯甘達經濟特區 79100)

根據《全球碳捕集與封存現狀2021》[1]報告,隨著碳捕集與封存設施建設的快速發展,全球碳封存能力在2021年增長了32%。我國是典型富煤貧油少氣型國家,煤炭占能源總消耗的57.7%[2],因此我國提出力爭于2030年前實現“碳達峰”,于2060年前實現“碳中和”的戰略目標,隨后國內雙碳“1+N”頂層設計出臺,中共中央國務院聯合發布《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》,提出到2025年單位GDP二氧化碳排放量比2020年下降18%[3]。根據2015年亞洲開發銀行(ADB)與國家發改委(NDRC)合作發布的《中國碳捕集與封存示范和推廣路線圖研究》報告,目前碳捕集與封存技術(CCS)是唯一能夠大幅減少電力與工業CO2排放的技術,如果不采用CCS技術,達到國家減緩氣候變化遠期目標的整體成本將會上升25%[4],因此我國十分重視CCS技術的發展,并已在國內建立多個不同規模和路線的全流程示范項目[5]。

碳捕集技術主要分為燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒捕集,其中燃燒后捕集較為靈活,不需要對現有電廠進行較大改造,因此適用范圍更廣。燃燒后捕集[7]是指通過液體溶劑分離、固體吸附劑吸附、氧氣循環燃燒等方式從廢氣中去除碳,捕集燃燒后煙氣中的CO2,可應用于電廠或煉焦、鋼鐵、水泥和煉油等工業[6]。目前比較常見的燃燒后捕集方式之一是化學吸收法,該方法將來自燃氣透平的煙氣通入吸收塔,利用化學吸附劑乙醇胺溶液(MEA)將煙氣中的CO2吸收,之后在汽提塔內解吸獲得較為純凈的CO2。但是由于煙氣中CO2的體積分數(俗稱“CO2濃度”)較低,分壓較小,所以對化學吸附劑的需求量較大,意味著對設備和資金的需求隨之增加,導致碳捕集成本較高,但這部分成本可以通過提高碳捕集效率或者循環增加CO2吸收比例來降低。

聯合循環燃氣輪機的排煙攜帶了大量的熱量和Exergy,其占比接近燃氣輪機總輸出Exergy的30%,因此與燃燒后碳捕集技術集成既有助于降低排煙溫度,減少其對大氣環境的擾動[8],還可以再利用煙氣攜帶的熱量捕集CO2,提高能量利用率。對于燃燒后碳捕集技術而言,一個很大的難題在于由于燃燒的過量空氣系數較大,導致煙氣中的CO2體積分數過低(通常只有3%～4%),降低了吸收塔的工作效率,增加了捕集成本。因此選擇性廢氣再循環(S-EGR)技術被提出,該技術對廢氣中的CO2進行選擇性收集并循環輸送至壓氣機入口,通過再次利用來提高透平煙氣中CO2的體積分數,有助于提高吸收塔內的驅動力,降低捕集成本。

聯合循環與S-EGR集成后,可以減少煙氣流量、降低PCC(公共連接點)負荷、提高CO2體積分數、提高碳捕集效率、減少PCC中的溶劑循環,從而節省泵功[9]。不過煙道氣中可達到的最高CO2體積分數會受到燃燒室中O2體積分數的約束,為保證燃燒過程穩定運行,降低廢氣循環裝置對排放的負面影響,保證排氣中的CO、UHC(未燃碳氫)和NOx的水平需要符合當地的環境法規,燃燒室中的O2體積分數通常具有一個最低水平的閾值[10],例如為實現干式低氮氧化物(DLN)燃燒器系統的高效燃燒,GE-F級燃氣透平發動機所需的最低氧氣體積分數為16%～17%[11]。ELKADY等[11]的研究結果表明,在過量空氣系數為1.5、再循環水平為35%下運行的GE-F級燃氣輪機燃燒室中的氧氣體積分數為17%,此時廢氣中的CO2體積分數增加至6%,O2體積分數降至7.5%,同時燃燒產生的NOx體積分數減少了50%。

由于煙氣中CO2體積分數偏低、MEA需求量大、溶劑再生所需的能量大,導致碳捕集裝置的能量損失顯著以及裝置整體能效的下降,因此要對現有發電廠進行碳捕集系統的集成與改造進行深入分析,尋求通過創新技術降低能耗。例如李晗等[12]通過模擬MEA吸收CO2的熱力學過程找到了一種降低能源消耗的方式。該研究結果表明:再沸器可以在MEA溶劑質量分數為30%、CO2去除率為90%和液氣質量流量比為2的條件下獲得最低的能量輸入需求。BELLAS等[13]通過模擬集成S-EGR評估了微型燃氣輪機的性能,在功率輸出水平為100 kW和6.4 kW時,煙氣體積分數分別增加到8.4%和10.1%。盡管發電效率略有下降,不完全燃燒和部分氧化產物略有增加,但降低NOx體積分數和提升CO2體積分數的積極影響將有利于節省下游能源消耗,提高經濟效益。

該研究集化計算與分析了實際聯合循環與模擬碳捕集和CO2混合循環裝置集成后的Exergy流,通過熱力學方法評估系統的可行性和性能,同時分析評估了選擇性廢氣再循環集成對整個系統性能的影響,為電廠未來集成碳捕集系統提供理論參考。

1 研究方法

1.1 集成系統

研究體系集成了選擇性廢氣再循環系統、國內某實際聯合循環電廠機組,集成電廠的總輸出功率為400 MW級,包括300 MW級燃氣輪機以及100 MW級蒸汽輪機。表1列出了燃氣輪機聯合循環(CCGT)發電系統各環節的基況運行參數,系統圖如圖1所示。

圖1 聯合循環碳捕集與選擇性廢氣再循環集成系統圖

表1 CCGT、PCC和CO2選擇性循環裝置單元運行工況Table 1 CCGT, PCC and selectively CO2 recycle unit operating conditions

本系統以天然氣為燃料,天然氣與空氣在燃燒室中混合燃燒,產生溫度高達1 473 K的高溫煙氣。入口空氣中的CO2體積分數低至0.03%,燃燒室的過量空氣系數為2.9。燃燒后的煙氣進入燃氣輪機做功發電,來自壓氣機的旁路空氣會幫助冷卻廢氣至透平葉片能夠承受的溫度。完成膨脹做功的廢氣先流入余熱鍋爐與液態水進行熱交換,吸收廢氣余熱的液態水轉化為水蒸氣并驅動汽輪機做功,做功后的蒸汽冷凝為低溫液態水(298.15 K),液態水循環至余熱鍋爐再次參與熱交換。

碳捕集系統接收和處理來自燃氣輪機的煙氣,并消耗蒸汽輪機的輸出功。煙氣在余熱鍋爐換熱后流入碳捕集系統,在碳捕集的吸收塔中參與CO2吸收,吸收劑為MEA,其CO2吸附能力為0.458 mol/mol(MEA)[15],MEA可以在20～50 ℃的溫度范圍內與CO2反應并形成穩定的氨基甲酸酯。自下而上的煙氣與自上而下的貧溶劑接觸反應以分離CO2,其余氣體從吸收塔頂部排出。CO2和貧溶劑結合后形成富溶劑,從吸收塔底部流出,與來自汽提塔的貧溶劑換熱,汽提塔內的溫度要求更高(378.15 K),壓力更小。CO2與MEA在汽提塔內解吸,水蒸氣與CO2共同從汽提塔頂部流出。一部分CO2進入壓縮系統被壓縮儲存,另外一部分進入CO2選擇性循環裝置參與下一次循環。水蒸氣在汽提塔頂部的凝汽器中冷凝后再次流入汽提塔。解吸后的貧溶劑被分為2支:一支流入再沸器,吸收來自汽輪機的蒸汽熱量后進入汽提塔,為CO2提供解吸熱;另一支與來自吸收塔的富溶劑換熱并回流至吸收塔。

對于MEA吸收和解吸CO2的反應:

(1)

(2)

煙氣中CO2體積分數的增加有助于增加CO2分壓以實現更高的CO2去除率,提高PCC的運行效率。

S-EGR與碳捕集系統串聯,通過CO2選擇性循環裝置,依據“膜滲透”原理[16],利用煙氣和空氣之間的分壓差將CO2滲透到吹掃空氣中。攜帶CO2的空氣代替一部分空氣進入壓氣機,因此燃燒后煙氣中CO2體積分數較大,導致進入PCC煙氣中的CO2體積分數較大。但是煙氣中CO2體積分數不會持續增大,因其受到O2體積分數的限制,燃燒室中的O2體積分數需要保持在17%以上,以確保燃燒過程穩定和完整。

1.2 Exergy分析

Exergy被認為是物理體系與周圍環境之間的不平衡或梯度所造成的最大有用功,反映了系統的可用性,能夠幫助識別和量化熱力系統中的低效率設備[17]。Exergy的提出基于將能量劃分為兩部分,可以無限轉化的被稱為Exergy(火用),不可轉化的被稱為Anergy(火無),Exergy和Anergy的定義:

Ex=(H-H0)-T0(S-S0),

(3)

An=T0(s-s0),

(4)

其中,H代表焓,S代表熵,s代表比熵,下標“0”代表基準狀態。Exergy分析法將熱力學第一定律和第二定律結合,通過Exergy平衡方程式計算部件的Exergy損失和Exergy效率,不僅能得到能流和物流攜帶的Exergy,還可以揭示由過程不可逆性導致的Exergy損失,從而更精準地定位系統的薄弱環節和改良方向。

Exergy分析基于如下假設:系統處于穩態,忽略勢能和動能;不考慮摩擦損失;通過透平和管道的壓力損失可忽略;管道中的過程為等溫過程;假設發電機的效率為100%;假設該系統中的天然氣為純甲烷。

本文計算的Exergy包括物理Exergy和化學Exergy。物理Exergy被定義為在與環境的熱交換和機械相互作用中可獲得的最大功[18],表達式[14]:

Eph=(hi-h0)-T0(si-s0),

(5)

其中,h0為比焓,h0=h(T0,P0);s0為比熵,s0=s(T0,P0),T0和P0分別是環境溫度(298.15 K)和壓力(101.3 kPa)。

化學Exergy是由物質與環境的熱傳遞和交換引起的,這與系統的化學成分與環境的化學成分的偏離有關。氣體混合物的標準化學Exergy計算公式[18]:

(6)

PCC系統中所用溶劑MEA的Exergy可以采用官能團貢獻法計算[19]。MEA(C2H7NO)被認為是2個CH2RX官能團的結合,因此計算氣體混合物的標準摩爾化學Exergy[19]:

(7)

有機化合物的化學Exergy可采用不同元素的標準Exergy(表2)計算:

表2 不同氣體的實驗標準化學Exergy

(8)

標準生成焓、標準生成熵方程:

(9)

(10)

-42.183 5-T×(-0.139 1)+410.26a+118.05b+

0.36c+1.985d。

(11)

本研究將每個部件作為控制體積,采用Exergy平衡方程[19]計算:

(12)

Exergy效率定義為產品Exergy與過程燃料Exergy之比,其表達式[14]為:

(13)

集成S-EGR前后系統的Exergy流如圖2所示。余熱鍋爐和蒸汽透平的部分Exergy進入PCC單元,分別為吸收塔和再沸器供熱,凝汽器的部分Exergy循環以冷卻余熱鍋爐中的高溫煙氣。表3顯示了用于計算系統中部件設備Exergy損失的Exergy平衡方程。不可逆性造成的Exergy損失包括吸收、整流、溫差傳熱等內部Exergy損失以及通過冷卻水、廢氣、廢液、冷凝水等形式排放到周圍的外部Exergy損失,平衡方程中的數字對應于圖1系統中的狀態條件。

圖2 集成系統加入S-EGR前后的Exergy流圖

表3 關鍵部件的Exergy損失平衡方程Table 3 The exergy destruction equation of key equipments

2 結果與分析

2.1 Exergy損失和效率分布

對比S-EGR加入前后,其對聯合循環的影響微小,導致PCC單元的入口Exergy增加了71%,PCC單元的Exergy效率提升了6.9%。CCGT和PCC集成系統中的Exergy損失分布如圖3所示。燃燒室是聯合循環中Exergy損失最大的部件(占44.8%),其次是蒸汽輪機、凝汽器和余熱鍋爐。當燃料與空氣發生反應時,燃燒溫度高達2 000 ℃,而燃燒室入口處混合氣的溫度相對較低(577 ℃),因此存在較大的溫度梯度,燃燒和傳熱過程的化學反應和不可逆性最終導致了燃燒室Exergy損失偏大[20]。溫差同樣作用于蒸汽輪機,本系統采用的是兩缸凝汽式汽輪機,汽輪機的進口溫度在250～560 ℃范圍,低壓缸排出的蒸汽溫度在60 ℃左右,二者之間的溫差是造成Exergy損失的主要原因。

圖3 聯合循環和碳捕集系統的Exergy損失分布

2.2 S-EGR循環比

S-EGR的加入改變了入口空氣混合物的組成,部分空氣被參與循環的CO2置換,主要目的是提高進入壓氣機的CO2體積分數。CO2置換了一部分空氣,但自身不參與燃燒過程,因此燃燒排出的煙氣中CO2體積分數較大,分壓較高,有利于MEA對其吸收,從而提高PCC系統的效率。S-EGR循環比(SRR):PCC單元捕獲的CO2與循環至聯合循環入口的CO2的體積比。值得注意的是,可循環的CO2體積取決于PCC單元中的部件尺寸、MEA的負荷和碳捕集效率?；诋斍暗腜CC單元設計,煙氣中CO2體積分數與SRR的函數關系如圖4A所示。當SRR為90%時,入口CO2體積分數從0.03%增加到2.7%。燃燒后煙氣中CO2體積分數增加到6.1%。

圖4 S-EGR循環比對CO2體積分數、CCGT及PCC Exergy損失分布的影響

燃燒室是聯合循環中受S-EGR影響最大的部件。當SRR從0提高到90%時,燃燒室的Exergy效率提高了7.6%(圖4B)。SRR的增加導致PCC單元中所有部件的Exergy損失增加(圖4C),變化最顯著的是吸收塔和汽提塔,主要來自于MEA在2個單元中的熱傳遞。煙氣中較大體積分數的CO2仍有利于碳捕集過程,因此當SRR從0增加到90%時,Exergy效率從40.6%增加到47.5%。

由于部分空氣被CO2替代,因此S-EGR的加入改變了入口空氣混合物的組成。分別從熱效率和Exergy效率2個角度評估S-EGR對聯合循環的影響,結果如圖5所示。較高的SRR導致聯合循環熱效率和Exergy效率的增加,這主要是因為隨著SRR的增加,供應給燃燒室的燃料逐漸減少。

圖5 S-EGR循環比對集成系統熱效率和Exergy效率的影響

S-EGR對PCC單元有明顯的正向影響,因為當SRR提高時,PCC單元的Exergy效率明顯提高。高SRR下,更多的CO2進入聯合循環,因此PCC入口處的CO2體積分數增加,有利于提高MEA溶劑對CO2的吸附性,有助于減少PCC的能量消耗,從而提高整體Exergy效率。PCC單元與聯合循環集成后,熱效率和Exergy效率都在SRR為10%時達到峰值而后逐漸降低。這是因為PCC單元中的再沸器需要消耗一部分蒸汽輪機的輸出功,為MEA汽化提供所需的熱量,這部分熱量最終會用于汽提塔內進行的CO2解吸附。由于PCC中的吸收塔和汽提塔都需要來自聯合循環的熱量,因此系統的整體效率會降低。盡管如此,集成循環的熱效率仍處于50%～52%范圍,Exergy效率位于45%～47%。

3 結論

通過建立Exergy分析模型對國內某實際電廠的運行狀況進行了評估和分析,對與S-EGR集成后的整體影響進行評估,得到以下結論:

(1)燃燒室是聯合循環中Exergy損失最大的部件,占44.8%,其次是蒸汽輪機、凝汽器和余熱鍋爐,造成Exergy損失的主要原因是溫差。

(2)當SRR為90%,S-EGR加入后能夠有效富集并提升煙氣中的CO2體積分數,入口CO2體積分數從0.03%增加至2.7%,煙氣中的CO2體積分數增加至6.1%。碳捕集和聯合循環的Exergy效率分別提升6.9%和1.3%。

(3)碳捕集單元與聯合循環集成后,熱效率和Exergy效率都在S-EGR循環比為10%時達到峰值而后逐漸降低。