脱碳对燃煤机组性能的影响研究

鞠付栋，朱大宏，冯静，聂会建，孙永斌

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京100120)

脱碳对燃煤机组性能的影响研究

鞠付栋，朱大宏，冯静，聂会建，孙永斌

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京100120)

燃煤机组燃烧后脱碳所面临的最大问题是脱碳带来的效率损失。主要对全脱碳、不同脱碳容量以及脱碳再生能耗对机组性能的影响进行了研究，研究发现全容量脱碳条件下，机组供电效率下降约11.2%。随着脱碳容量的增加，机组发电量、发电效率、供电量、供电效率等主要性能指标也均逐渐降低，脱碳容量每提高10%，机组供电效率平均降低约1.24%。脱碳再生能耗的降低依赖于节能型吸收剂的开发和更合理的系统集成优化，当单位脱碳再生能耗降低时，脱碳带来的机组性能降低也逐渐减少。

燃煤机组;燃烧后脱碳;机组性能

0 引言

电站锅炉是常规燃煤火力发电产生CO2的主要设备。燃煤电站实现碳减排的途径主要有两条，其一是通过技术进步提高能源效率，降低单位电力生产过程中的碳排放;其二是通过主动减排，包括富氧燃烧、燃烧后碳捕集等方法，捕集电力生产过程中排放的CO2。近年来，超临界机组、超超临界机组等技术的应用，有效地降低了燃煤电站的碳排放水平，CO2排放量从亚临界机组的约900g/(kW·h)降低到超超临界机组的约750g/(kW·h)，碳排放强度大约降低15%～20%。未来随着更为先进的700℃超超临界燃煤发电技术的开发和应用，供电效率将提高至50%，碳排放强度将继续下降至约680g/ (kW·h)。燃烧后碳捕集方法适用于现有常规燃煤电厂的改造或者新建常规燃煤电厂，应用范围较广。根据目前的技术水平，燃烧后碳捕集技术可将燃煤发电碳排放减少90%。相比来说，燃烧后碳捕集技术的减排潜力更大。

燃烧后碳捕集技术主要包括化学吸收法、膜法和生物固碳法等。目前已经建立的大规模燃煤电站燃烧后碳捕集示范装置的应用的主要技术为化学吸收法技术，膜法分离和生物固碳法大规模应用目前还没有先例。以MEA为主要吸收剂的化学吸收法已经在国内建立了10万t级规模的示范装置，MEA为代表的醇胺类化学吸收法是目前大规模燃烧后CO2捕集的主要技术选择。醇胺类化学吸收法应用于燃煤机组的最大问题是脱碳带来的效率损失，其中对于燃煤机组烟气全容量脱碳来说，脱碳再生过程中大量低压蒸汽消耗和脱碳系统辅机能耗增加使得机组电力输出降低约20%，机组发电效率降低8%～13%［1］。从当前的CCS发展趋势以及燃烧后脱碳技术本身的技术特点来看，全容量脱碳是较难在短时间内进行大范围的推广，燃煤机组部分碳捕集则是实现碳捕集和减少碳捕集对燃煤发电能效降低的影响的折衷方案。

本文主要考虑了不同脱碳容量对燃煤机组性能的影响。其次，考虑到化学吸收剂技术的进步，脱碳能耗有望逐步降低，脱碳对机组性能的影响也将逐渐减小，因此本文也对不同脱碳能耗对机组性能的影响进行了计算和分析。

1 全脱碳对机组性能的影响

本文以我国北方地区带燃烧后脱碳的660MW级纯凝燃煤机组为模拟对象，利用通用流程模拟软件Thermoflex建立带燃烧后脱碳燃煤发电系统的系统模型，计算全系统的能量平衡和质量平衡。

模拟的660MW级燃煤发电机组为超临界一次再热机组，主蒸汽参数为24.2MPa/566℃，再热蒸汽参数为4.837MPa/566℃。机组回热系统采用3低加+3高加(3号高加设置外置式蒸汽冷却器)+ 1除氧的给水加热方案。锅炉采用三级过热和二级再热的方案。三级过热分别为低过、屏过及高过。二级再热分别为低再及高再。其中给水泵和引风机均采用汽驱拖动方案。

无脱碳的660MW级超临界燃煤机组的性能计算结果如表1所示。无脱碳时机组辅机电耗主要为泵、风机、磨煤制粉等的电耗。其中，送风机、一次风机、脱硫辅机、磨煤、循环水泵、凝结水泵电耗占据机组电耗的大部分。

表1 无脱碳模型主要性能计算结果

在PC机组模型中加入脱碳模块，并增加相应的蒸汽、水等物流的连接，建立了全容量脱碳系统的燃煤机组计算模型。脱碳单元的蒸汽消耗抽自中低压缸联通管，脱碳单元的冷却水取自循环冷却水系统。脱碳单元中包含了CO2压缩单元。脱碳单元的CO2压缩出口压力设定为110bar。

全容量脱碳660MW级超临界燃煤机组的性能计算结果如表2所示，计算得到的机组发电效率为35.14%，供电效率为29.29%(LHV)，较未脱碳时分别减少7.11%和11.2%。从机组性能计算结果分析，机组效率的降低一方面是由于脱碳再生的抽汽使得机组低压缸蒸汽流通量减少导致发电量降低;另一方面新增脱碳单元辅机电耗，也使得机组的供电量降低。全脱碳时辅机电耗增加63.80MW，其中新增脱碳单元辅机电耗总量59.94MW，包括增压风机、CO2压缩机及溶液循环泵等电耗，占新增电耗的90%以上。

表2 全容量脱碳模型主要计算结果

2 不同脱碳容量对机组性能的影响

不同脱碳容量对机组性能的影响应考虑不同脱碳率下所采用的不同技术方案本身的特点。主要涉及到流程配置和组织等问题。在某一确定的部分脱碳容量下，可以采用两种典型的技术方案，即分流法及完全通过法。分流法是根据脱碳容量确定所需进行全容量脱碳烟气占总烟气的比例，进而进行分流脱碳。完全通过法则是利用脱碳系统本身的调节性能对脱碳容量进行完全控制。一般来说，采用完全通过法时，单位脱碳能耗随着碳捕集率的升高而降低。因此，在部分脱碳时，完全通过法的能耗要比分流法要高。从当前的CCS发展趋势以及燃烧后脱碳技术本身的技术特点来看，全容量脱碳较难在短时间内进行大范围的推广，采用分流法的部分脱碳可结合脱碳需要的同时降低对机组性能的影响，因此本文对分流法条件下不同脱碳容量对机组性能的影响进行了分析。采用分流法时，不同脱碳容量条件下机组性能计算结果如表3所示。

表3 分流法时不同脱碳容量下机组性能计算结果

从机组性能计算结果来看，采用分流法时，随着脱碳容量的增加，机组发电量、发电效率、供电量、供电效率也均逐渐降低，脱碳容量每提高10%，机组供电效率平均降低约1.24%。这主要是随着脱碳率的增加使得脱碳再生系统用抽汽量的增加及辅机电耗(主要为CO2压缩机和贫液循环泵)增加所致，单位脱碳引起的供电减少值虽然随着脱碳率的降低而增加，但增加值很小，可认为几乎保持不变。

3 再生能耗对全容量脱碳机组性能的影响

脱碳再生能耗是采用全容量脱碳系统后燃煤机组性能下降的主要原因。针对脱碳再生能耗，国内外的相关研究机构逐渐加大了对低再生能耗的脱碳溶剂的研究，主要方法是采用混合溶剂或者新型的吸收剂［2－4］。从目前国内外的相关报道来看，采用胺法的燃烧后脱碳系统的再生能耗可有望降低到2500kJ/kg CO2的水平。本节主要考虑脱碳再生能耗对机组性能的影响(见表4)。

从表4可知，随着再生能耗的增加，再生所需的抽汽量也逐渐增加，机组发电量特别是低压缸轴功率大幅降低，使得整体的供电效率逐渐降低，当再生热耗从2500kJ/kg CO2增加到3489kJ/kg CO2时，机组供电效率下降约2.04%。

表4 不同单位再生能耗下机组性能计算结果

4 结语

(1)全容量脱碳条件下，燃煤机组供电效率下降11.2%，其中汽轮机抽汽供脱碳再生引起的低压缸做功能力降低以及新增脱碳辅机等电耗是引起机组供电效率降低的主要原因。

(2)随着脱碳容量的增加，机组发电量、发电效率、供电量、供电效率等主要性能指标也均逐渐降低，脱碳容量每提高10%，机组供电效率平均降低约1.24%。这主要是随着脱碳率的增加使得脱碳再生系统用抽汽量的增加及辅机电耗(主要为CO2压缩机和贫液循环泵)增加所致。

(3)脱碳再生能耗的降低依赖于节能型吸收剂的开发和更合理的系统集成优化，当单位脱碳再生能耗降低时，脱碳带来的机组性能降低也逐渐减少。

［1］气候组织.CCS在中国:现状、挑战和机遇［EB/OL］.http:// www.docin.com/p－705709005.html，2010－07－22.

［2］吕忠.化学吸收法分离CO2的新型吸收剂的实验研究［D］.杭州:浙江大学，2011.

［3］王金莲.吸收CO2的新型化学吸收剂和工艺研究［D］.杭州:浙江大学，2007.

［4］方梦祥，晏水平，王金莲，等.烟气中CO2化学吸收法脱除技术分析与进展［A］.二氧化碳减排控制技术与资源化利用研讨会论文集［C］.中华环保联合会能源环境专业委员会，2009.

Influence of carbon capture on coal fired power generating performance

The efficiency loss is the principal difficulties to coal fired power generation unit with carbon capture facility.In order to quantitative analysis the relationship with the efficiency loss and the carbon capture，a model was developed to simulate the whole coal fired power generating system with carbon capture module and the impaction of complete carbon capture，different capture capacity and the regeneration energy consumption on the unit performance was studied.The study found that full carbon capture for a 660MW power unit made a sharp drop of nearly 11.2%in net power efficiency and the increase of capture capacity cause the decrease of the main power unit performance index，and about every 10%increase in capacity decrease the net power efficiency 1.24%on average.The carbon capture energy consumption could be reduced to bring down the influence of post carbon capture on power unit performance via the energy conservation absorption solution development and process optimization.

coal－fired power generation unit;post combustion capture;unit performance

X701.7

B

1674－8069(2016)05－019－03

2016-05-20

鞠付栋(1981-)，男，山东德州人，高级工程师，主要从事清洁高效火力发电系统设计咨询。E－mail:Jufd@ncpe.com.cn

国家国际科技合作计划项目“中美二氧化碳捕集与封存技术的联合研究”(2013DFB60140)