汽轮机低压抽汽用于二氧化碳减排的分析与探讨

陈海平，任 兵，郭红龙

（1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003；2.山西电力科学研究院，山西 太原 030001）

汽轮机低压抽汽用于二氧化碳减排的分析与探讨

陈海平1，任 兵1，郭红龙2

（1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003；2.山西电力科学研究院，山西 太原 030001）

阐述了在基于单乙醇胺吸收CO2方法中，为了使吸收剂循环利用，需要消耗大量的热量。针对国内某600 MW机组，通过对使用三种不同的抽汽热源情况下的计算，比较由于多抽汽引起的做功损失、机组热效率变化以及再生塔产生的损，得出最佳用于再生塔所引起的汽机做功损失、机组热效率变化较小的抽汽段热源。

抽汽热源；做功损失；热效率；损

0 引言

我国是一个富煤少油的国家，在未来几十年内，煤炭在我国一次能源构成的主导地位仍不会改变。目前，煤的主要利用方式是直接燃烧，火力发电、工业锅炉和城乡居民生活用煤，占煤炭总产量的80%以上，其中发电与热电联产用煤总量占煤炭总产量的50%以上[1]。随着我国经济的不断发展，整个社会对电力的需求量不断增大，截止2009年底，我国发电装机容量达87 410万kW，到2010年9月底发电装机容量突破9亿kW[2]；其中火电装机容量为6.52亿kW[3]，从而导致CO2排放量巨大。由于温室效应逐渐严重，我国面临着CO2减排的压力巨大[4]。目前，CO2捕集技术可分为三类：燃烧前捕捉、燃烧后捕捉和富氧燃烧捕捉。燃烧前捕捉技术主要和IGCC技术联合使用，但由于其成本过高以及该技术的尚待完善等原因限制了它的应用；富氧燃烧技术是目前的一个研究热点，多停留在实验室和中试阶段；燃烧后捕捉技术是目前最成熟的技术，已投入应用[5]。燃烧后捕捉的主要优点在于其实用性广，系统原理简单，在运行电厂中比较容易应用。在燃烧后捕捉的多种方法中，基于单乙醇胺（MEA）吸收CO2是目前比较成熟的化学吸收法[6]。燃烧后捕捉技术的能量损失在于MEA溶液的再生，所需的能量通常来自汽轮机的低压抽汽[7]。因此，研究从汽轮机中、低压缸的不同抽汽段抽汽用于MEA溶液再生的经济性具有重要意义。

1 基于单乙醇胺（MEA）吸收CO2技术

从烟气中分离二氧化碳技术被划分为吸收技术、吸附技术、膜分离技术及其他物理和化学分离方法。化学吸收技术的历史悠久，技术成熟，运行稳定，并不断地推陈出新，气体回收率和纯度可达99%以上，是一种具有工程可行性的CO2减排方案。该技术在化工行业已较为普遍和成熟，对CO2的捕获效果好。经过研究证明，基于单乙醇胺吸收二氧化碳是目前比较成熟的技术。乙醇胺属于有机胺，将其用于吸收二氧化碳属于有机胺法工艺。有机胺法工艺出现于20世纪30年代，实现工业化后成为工业净化的主要方法之一，与其他方法相比具有吸收量大、吸收效果好、成本低、洗涤剂可以循环使用的优点，并能回收到高纯产品。

基于单乙醇胺吸收CO2的具体过程为：电厂锅炉烟气先经过脱硫、脱氮装置，再经冷却、除水后进入胺吸收塔，塔内装有填料，MEA溶液和烟气逆流通过吸收塔。在此过程中MEA溶液吸收烟气中的CO2，除去CO2后的烟气经水洗后排入大气。吸收了CO2的富液进入热交换器预热后进入再生塔，再生塔工作温度为100～120℃，在再生塔中解析出CO2的贫液经过滤、冷却后再回到吸收塔循环利用。塔顶出口CO2经压缩、脱水后回收存储。

2 再生塔耗热量计算

以国内某NZK600-16.7/538/538机组为例，额定工况下其烟气流量为63 794.84 kmol/h，其中CO2占18.26%[8]，所以该烟气中所含CO2为11 648.937 8 kmol/h。目前，已开发了一种活性胺，形成了以MEA为主体的复合胺吸收溶剂。该活性胺与CO2反应后生成不稳定的氨基甲酸盐，其吸收CO2的最大容量为1[9]。设CO2的吸收率为80%，则理论上用于吸收CO2的MEA溶液所含的MEA为11 648.937 8 kmol/h×80%=9 319.15 kmol/h。由参考文献[9]可知在再生塔中每再生1 mol MEA所需热量为204.09 kJ/mol，则每h再生塔需要消耗的热量为：

3 抽汽引起的汽轮机做功变化

在额定工况下，该机组低压各段抽汽的热力参数如表1所示。

表1 汽轮机低压抽气参数

一般情况下，在再生塔中，来自汽轮机中、低压抽汽与已吸收CO2的富液进行逆流换热，为了使再生塔底部温度维持在120℃，再生塔热源可以采用汽轮机的第4、5、6段抽汽。这三段抽汽进入再生塔时的压力分别为：0.7 MPa、0.29 MPa、0.186 MPa，经再生塔放热后变为相应压力下的饱和水。三种情况下饱和水的焓值分别为697.32 kJ/kg、556.65 kJ/kg、495.056 kJ/kg，则为满足再生塔的耗热量，需要从各段多抽的蒸汽量为Q/（hi-h′i），（i=4，5，6），h′i为汽轮机焓饱和水焓。

经计算得出，需要从各段多抽的蒸汽量分别为：781 t/h、807 t/h、820 t/h。

根据等效焓降法，由于多抽汽引起的做功损失为

式中：αf——抽汽系数；

hf——汽轮机抽汽焓；

hn——汽轮机排汽焓且为2 426.1 kJ/kg。

计算可得4、5、6段引起的做功损失，如表2所示。

表2 抽汽引起的做功损失

为了减小热量损失，将上述情况下生成的饱和水经减压后分别引入3号低加疏水管路、2号低加疏水管路和凝结水箱中，设回水率为100%。根据等效热降法，计算得热水从疏水管路进入系统的做功增益为

经计算，三种情况下的饱和水进入系统的做功分别为：17.483 kJ/kg、15.122 kJ/kg、0。

所以，由于多抽汽引起的汽轮机做功变化总量为 ΔH=（-ΔH1）+ΔH2。

代入计算可得三种情况下做功变化总量分别为-280.9 kJ/kg、-196.6 kJ/kg、-171.99 kJ/kg。

分析上述计算结果可得，要使锅炉排放烟气中二氧化碳的80%被吸收，则从第6段抽汽为再生塔供热所引起的汽轮机做功损失最小。

4 机组循环热效率变化计算

假设锅炉循环吸热量不变，则新蒸汽的毛等效热降为

考虑热系统各种辅助成分的做功损失ΣΠ后，可得净等效热降为

式中：h0——新蒸汽焓；

τr——每kg水在加热器r中的焓升；

σ——每kg蒸汽的再热吸热量；

ηr——加热器r的抽汽效率。

表3 计算所得τi、qi、γi、ηi

经计算得新蒸汽毛等效热降

净等效热降为

经计算得从4、5、6段抽汽引起的机组热经济性相对变化量分别为30.7%、19.7%、16.8%。

所以，从第6段抽汽对机组的循环热效率的影响比第4、5段小，经济性相对较好。

则由于多抽汽引起的机组热经济性相对变化为

5 再生塔中产生的损

若再生塔为逆流式换热器，质量为mH的蒸汽从状态1放热至状态2，质量为mL的冷流体从状态3吸热至状态4。在整个再生塔内任一截面，蒸汽的温度大于复合胺溶液的温度。以整个换热器为系统，设换热器与大气环境无热量交换，且不计冷、热流体的动能和位能变化。设环境温度为20℃、压力为105Pa，查表得：hhj（环境）=84.0 kJ/kg，shj（环境）=0.296 3 kJ/（kg·K）。查表得各段抽汽的熵以及对应的再生塔出口饱和水的熵如表4所示。

表4 各段抽汽的熵以及对应的再生塔出口饱和水的熵

表5 各段抽汽的以及对应的再生塔出口饱和水的

表5 各段抽汽的以及对应的再生塔出口饱和水的

图1 再生塔平衡

因此得exl=T0（[s2-s）1+（s4-s3）]。

设i0=T0(s4-s）3，对于第4段抽汽，单位工质产生的损为

6 结论

a）由上述计算可得：在满足用于解析CO2的再生塔热耗的前提下，从第6段抽汽引起的汽轮机做功损失、机组循环热效率相对变化量、再生塔产生的损都较小，比较经济。

b）再生塔的耗热，需要的抽汽量远大于原抽汽段的抽汽量。对于已投产机组，往往达不到此热量的需求，需要对汽轮机低压缸做很大的改造，相应其他部分也得改造。从第4段抽汽比较容易实现，即从中压缸排汽管道连接一分支管即可以实现，但这种方法的经济性较从第6段抽汽差。

［1］ 陈昌和，王淑娟，赵博，等.煤的清洁利用技术的现状与发展［J］.物理，2010，39（5）:301-306．

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［3］ 朱法华，李辉，王强.高频电源在我国电除尘上的应用及节能减排潜力分析［J］.环境工程技术学报，2011（1）:26-32.

［4］ 肖琨，陈楠，甄飞强，等.火力发电厂CO2捕集技术［J］.锅炉技术，2010，41（1）:73-76．

［5］ 于强.CO2捕集与封存（CCS）技术现状与发展展望［J］.能源与环境，2010，（1）:64-66．

［6］ 李青，余云松，姜钧，等.基于热泵技术的化学吸收法二氧化碳捕集系统［J］.高校化学工程学报，2010（2）:29-36.

［7］ 周响球.燃煤电厂烟气二氧化碳捕获系统的仿真研究［D］.重庆大学，2008．

［8］ 翟融融.二氧化碳减排机理及其与火电厂耦合特性研究［D］.华北电力大学，2010．

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The Analysis and Research of Using Low-pressure Extraction Steam of Turbine for Carbon Emission Reduction

CHEN Hai-ping1，REN Bing1，GUO Hong-long2
（1.North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China；
2.Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China)

In the way of absorbing carbon dioxide by MEA，it is much heat-consuming to achieve cycling use of absorbent.Calculations are done under three different heat sources of extraction to compare power loss caused by excessive extraction,thermal efficiency of the turboset，and exergy loss of regenerative tower.The result shows us the most economical heat source for a domestic 600 MW unit in terms of power loss caused by regenerative tower and the heat source with the least change of thermal efficiency．

the heat source of extraction steam；power loss；thermal efficiency；exergy loss

TK229

A

1671-0320（2011）04-0043-04

2011-03-12，

2011-05-23

陈海平（1963-），男，内蒙古人，毕业于华北电力大学热能工程专业，博士，从事火电厂节能领域的教学和科研工作；

任 兵（1984-），男，山西榆社人，华北电力大学在读硕士，从事火电厂节能的研究；

郭红龙（1964-），男，山西霍州人，1987年毕业于清华大学热能工程系热能工程专业，总工程师，高级工程师，从事工程设计、工程项目管理与科技管理工作。