塔式太阳能辅助燃气蒸汽联合循环钙基碳捕集系统设计

刘兰华，王瑞林，洪慧

塔式太阳能辅助燃气蒸汽联合循环钙基碳捕集系统设计

刘兰华1，王瑞林1，洪慧2*

（1．南京师范大学能源与机械工程学院，江苏省 南京市 210042；2．中国科学院工程热物理研究所，北京市 海淀区 100080）

化石能源电站是最大的CO2集中排放源，开展燃煤、燃气等化石能源电站碳减排是实现碳中和的必经之路。相较于其他碳捕集技术，碱金属基固体碳捕集具有捕集效率高、反应能耗低等优势，但其过高的再生能耗仍会大幅影响燃煤电站性能。对此，提出了利用塔式太阳能聚光集热辅助燃气蒸汽联合发电烟气碳捕集的系统。以某467MW燃气蒸汽联合循环电站为原型开展系统设计并完成性能分析。与原始系统相比，设计系统发电功率提升42.43MW，发电效率达到63%。相较于依靠化石能源自身捕集CO2的参比系统，设计系统发电功率提升148.5MW，发电效率提升约18个百分点。选取春分日作为典型日进行系统变工况分析，结果表明：系统可实现全天6h以上的额定工况运行，累计碳捕集量达到1452t，累积增发电量381MW·h。所提出的系统在避免降低电站自身发电效率条件下，借助太阳能完成CO2捕集，实现化石能源的零碳排放利用。此外，还将钙基碳捕集碳酸化过程释放的高温热重新应用于燃气蒸汽联合循环系统发电，进一步提升系统性能。研究结果可为可再生能源与化石能源的多能互补综合利用提供新的思路及方法。

碳中和；太阳能热发电；钙基碳捕集；多能互补；碳减排

0 引言

CO2等温室气体排放导致海平面上升、气候变化等一系列问题[1-2]。各类CO2排放源中，燃煤、燃气等化石能源电站集中排放占CO2总排放量的30%以上[3]，开展化石能源电站的CO2捕集已势在必行。CO2捕集方式众多，可分为燃烧前捕集、富氧燃烧捕集及燃烧后捕集3种[4]。3种技术之中，燃烧后CO2捕集具有技术原理相对简单、易于与已有化石能源电站相结合等特点，因而受到广泛关注。

燃烧后碳捕集主要包括吸收、吸附和膜分离法3种[5]。其中，以MEA为代表的溶剂吸收法目前发展最成熟，具有吸收容量大、选择性高等优势[6]，并且已开始了初步的示范应用[7]。但MEA碳捕集再生过程能耗极高，为3.2～3.8GJ/t，仅依靠电站自身能量捕集CO2会造成性能大幅下降(发电效率降低6～14个百分点[8])。对此，学者们尝试从碳捕集材料及工艺优化入手，提出了碱金属基固体吸收的碳捕集技术，即利用K2CO3/ KHCO3、Mg(OH)2/MgCO3、CaCO3/Ca(OH)2等碱基金属化合物在不同温度条件下与CO2的可逆的碳酸化/再生反应实现CO2的烟气捕集[9]。与MEA捕集技术相比，该技术具有再生能耗低、对设备腐蚀性小等优点[10]。与MEA等溶剂吸收碳捕集技术相比，碱金属基碳捕集过程再生能耗明显降低，达到2.7GJ/t左右。但是该能耗需求对于化石能源电站仍较高，仍会导致电站发电性能大幅下降。

对此，有学者尝试从系统集成角度入手，将太阳能等可再生能源与传统的化石能源电站相结合[11]，借助太阳能为碳捕集过程供能，进而避免碳捕集过程对化石能源电站综合性能的影响。Zhao等[12]提出了一种中温太阳能热与燃煤电站CO2捕集的耦合系统，利用约300℃的太阳能热替代电厂的高压抽汽加热给水，再通过低压抽汽为胺基吸收剂再生提供能量。Khalilpour等[13]提出，通过新型反应器可以实现太阳能直接加热胺基溶剂，不必借助其他传热流体，从而取消昂贵的解析单元，有效降低传热损失。Zhai等[14]通过Aspne Plus对太阳能塔式集热直接辅助钙循环脱碳进行了数值模拟，并对碳酸化环节的放热进行热回收利用。Zhang等[15]研究了煤–太阳能联合驱动钙循环碳捕集系统的性能，集成到超超临界 1019MW电站时的热效率为35.37%，整体效率损失9.63%，效率损失的主要原因是热回收效率低以及聚光集热的高温热损失。

由以上研究可知，目前太阳能辅助化石能源电站碳捕集多集中于燃煤电站的烟气CO2捕集，而对于燃气–蒸汽联合循环电站的CO2捕集则较少涉及。另外，当前的系统集成多集中于太阳能为碳捕集再生过程供能。事实上，在烟气CO2捕集的再生过程吸收大量高温热量的同时，其在碳酸化过程中亦会对外释放大量热量，如何将这部分释放的热量与化石能源系统相互集成仍待进一步研究。基于此，本研究提出了塔式太阳能辅助钙基碳捕集与燃气蒸汽联合循环相互集成的系统，其中塔式太阳能聚焦所得的高温热量用于驱动钙基碳捕集的再生过程，钙基碳酸化过程释放能量与燃气蒸汽联合循环相互集成，进一步提升系统发电性能。本文基于某467MW燃气蒸汽联合电站，研究了关键参数的影响规律，对系统在设计点以及典型日条件下的性能进行了综合分析比较。

1 塔式太阳能碳捕集–燃气蒸汽联合循环集成系统建模

1.1 系统介绍

本文所设计的系统基本结构如图1所示。太阳光被定日镜聚焦于塔顶吸热器，转化为900℃左右的高温。所收集的高温太阳热能用于驱动钙基CO2捕集系统再生过程，再生后的氧化钙用于捕集余热锅炉低温烟气的CO2(碳酸化反应)。整个碳酸化反应温度维持在600～700℃，所释放出的余热用于与燃气轮机的高温排烟一起驱动蒸汽朗肯循环。相较于初始的燃气蒸汽联合循环，用于驱动蒸汽朗肯循环的能量更多，因而蒸汽朗肯循环发电量随之增加。

图1 塔式太阳能驱动燃气蒸汽联合循环烟气碳捕集系统示意图

1.2 燃气布雷顿循环

燃气轮机内的布雷顿循环过程为：常压常温空气在压缩机内被压缩至高压状态，在燃烧室与燃料混合燃烧升温，之后高温高压烟气在涡轮内膨胀做功，推动涡轮高速旋转，对外输出机械功。

布雷顿循环压缩过程耗功计算方法[16]如下：

式中：air为空气质量流量；c,air为空气的定压比热容；1、2为分别压气机入口、出口的空气温度；c为压气机压比；c为压气机效率；为空气的绝热指数。

燃烧室内的能量平衡关系式[16]如下：

式中：fuel为燃气的质量流量；fuel为燃气的低位发热量；c,gas为烟气的定压比热容；cc为燃烧室的保温系数；为空燃比；3为燃烧室出口的烟气温度。

透平膨胀过程中，其输出的机械功表示为

式中：gas为烟气质量流量；4为透平排烟温度；turb为透平相对内效率；turb为透平膨胀比。

燃气轮机对外净输出的机械功为

1.3 蒸汽朗肯循环

本文的燃气蒸汽联合发电的蒸汽朗肯循环为再热型蒸汽朗肯循环，该过程吸热量为

汽轮机内工质的对外发电量表示为

汽轮机内工质流量会随着负荷要求变化而波动，其相对内效率亦会随之发生变化，两者之间的计算关系式[17]为

1.4 塔式太阳能聚光集热

塔式太阳能聚光集热镜场参见图1。太阳辐射被成千上万的定日镜聚焦于塔顶吸热器之上，辐射能量进一步被颗粒以及熔盐等传热工质吸收并转化为高温热量，在本系统中用于驱动钙基碳捕集的再生过程。

塔式太阳能聚光集热过程的光热转化效率计算公式[15]如下：

塔式太阳能所聚集的高温热量计算公式为

1.5 钙基CO2捕集

本文研究的碳捕集系统选用CaO/CaCO3工质对来实现CO2捕集。具体流程如下：余热锅炉尾部的烟气进入钙基碳捕集系统碳酸化反应器，CaO与烟气中的CO2生成CaCO3，并释放出600～700℃的热量，完成CO2捕集；之后的CaCO3于再生炉内在900℃左右的高温下吸热分解为CaO，并释放出高浓度CO2用于封存。再生后的CaO重新被用于捕集烟气中的CO2。反应方程式如下：

本研究在Aspen Plus 软件内采用吉布斯自由能反应器对钙基碳捕集再生/捕集反应过程进行模拟(如图2所示)，并采用气固反应中较多的PR-BM方法进行计算求解。由此计算得到不同温度下CaCO3的反应率以及捕集/再生过程中释放/吸收的热量。

2 系统综合性能分析

2.1 系统集成设计

2.1.1 系统参数

基于某467MW的典型燃气蒸汽联合循环发电厂[18]，开展了相应的系统集成设计。该燃气蒸汽联合循环发电站的主要初始参数如表1所示。基于表1中参数进一步进行计算，可得到该电站消耗的燃料量为16.5kg/s，相应所产生的CO2量为45.4kg/s。

图2 钙基碳捕集再生/捕集反应过程模型

表1 燃气蒸汽联合循环轮主要参数

2.1.2 碳捕集过程

纯氧化钙难以直接用于CO2捕集，易于高温处发生烧结现象。一般钙基碳捕集会选取氧化镁作为惰性载体，以减缓高温再生过程中的烧结。添加剂氧化镁和氧化钙质量比可取3:7[19]。基于此，于Aspen Plus中构建钙基碳捕集模型如图3所示。

钙基碳捕集包括碳酸化(烟气CO2被捕集)以及再生(释放高浓度CO2用于封存)2个过程。其中再生过程只要温度较高，就可保证在较快的反应速率下100%再生[19]，此处基于Aspen Plus软件模拟结果，设定再生温度为900℃。碳酸化过程反应性能受温度影响较大，其中CO2捕集率随温度变化关系如图3所示。参考典型碳捕集电站的CO2捕集率[20]，此处选取碳酸化过程的反应温度为650℃，对应的碳捕集率为84.52%。

图3 钙基碳捕集碳酸化过程碳捕集效率与温度关系

氧化钙及氧化镁在碳酸化及再生2个反应过程中循环。随着反应温度的变动，随之产生显热的释放与吸收。此外，再生放热后的烟气温度较高，而余热锅炉的低温排烟温度较低，亟需预热以避免过多的热量损耗。由此，在所构建的Aspen Plus模型内布置2处热交换器以实现热量回收，提升系统综合性能。基于以上设计，根据Aspen Plus计算得出单位质量CO2所需的高温热量为3.477MJ。由此计算可得，该燃气蒸汽联合循环电站发电烟气碳捕集所需的太阳高温热量为157.75MW。

2.1.3 塔式聚光集热镜场设计

本文选用塔式太阳能聚光集热满足钙基碳捕集的高温热需求，塔式太阳能聚光集热相关参 数[15]如表2所示。依据表2数据及式(9)，可计算得到设计条件下塔式聚光集热效率为56.8%。基于计算所得需捕集的CO2总量以及单位质量CO2的捕集能耗，可得出单位时间所需太阳辐射总能量为277.73MW。选取设计太阳直射辐射(direct normal irradiance，DNI)为600W/m2，可得到所需塔式太阳能定日镜的总面积为0.46km2。

表2 塔式太阳能聚光集热参数

2.1.4 系统综合性能

基于塔式太阳能及碳捕集过程的设计参数，最终通过计算可以得到集成系统的发电功率为509.68MW，其发电效率达到63%(总发电功率/化学能投入)。为了进一步得到系统的综合性能，将集成系统与原始的燃气蒸汽联合循环以及参比系统的性能参数进行比较分析，结果如图4所示。其中，参比系统为完全借助化石能源驱动燃气蒸汽联合循环烟气碳捕集过程的发电系统。相较于原始系统，参比系统的总发电功率从467.25MW降低至361.10MW，效率亦因之从58%降低至45%，其核心的原因在于燃烧释放的很大一部分能量被用于驱动烟气的碳捕集过程，导致系统的总发电功率及性能的下降。与原始系统相比，设计系统引入太阳能聚光集热为碳捕集系统提供能量，因此燃气轮机部分并未受到影响，碳捕集的碳酸化过程为蒸汽朗肯循环额外供能，因而蒸汽朗肯循环部分发电量反而增加。总体而言，集成系统的总发电功率为509.68MW，比原始系统高42.43MW，设计系统发电效率为63%，比原始系统高5个百分点。

上述计算过程中将系统发电增量全部归于燃料投入侧，而事实上系统发电量的增加是因为太阳能辅助碳捕集过程而产生的。因而此处可计算太阳能的发电效率为15.27%(系统增发功率/单位时间接收太阳直射辐射总量)。相较于典型塔式太阳能热发电效率(约20%)[21]，太阳能发电效率相对较低。但在本系统内，所引入的太阳能在发电的同时实现了联合循环电站的CO2捕集。若将太阳能的发电功率(本系统为增发功率，塔式为发电功率)折合为碳减排量，则同样太阳能输入条件下，本系统碳减排量约为塔式太阳能热发电的9.2倍，取得了较好的环境收益。综合考虑引入本系统太阳能带来的增发电量及环境收益(碳捕集)，可认为本系统实现了太阳能的综合高效利用。

2.2 典型日变工况运行

太阳入射角和太阳辐射强度都会随时间变化，塔式太阳能系统最终可以提供的热量也会随之改变。上述研究的塔式太阳能辅助燃气蒸汽联合循环发电碳捕集系统是在确定的辐照和负荷条件下完成设计的，基于前文，选取华北某地春分日作为典型日，计算其全天碳捕集量及太阳能增发功率，结果如图5所示。

图5 不同时刻辐照、碳捕集量、增发功率变化趋势图

由图5可见，随着时间推移，太阳辐照于正午时刻上升至最大值(892.46W/m2)，并在下午时刻随时间推移逐渐降低。与之相比，在08:00—11:00期间，碳捕集量随时间增加逐渐升高，并在11:00—17:00期间保持在163.31t/h，此后随时间增加迅速降低。在08:00—11:00期间，增发功率随时间增加逐渐升高，并在11:00—17:00期间保持在42.42MW，此后随时间增加迅速降低。换言之，太阳辐照与碳捕集量和太阳能增发功率并不同步。

其原因在于，在接近正午时刻，太阳能直射辐射会超过额定辐照，进而导致塔式集热量超过电站烟气碳捕集所需热能。而此时可利用固体的钙基碳捕集以额外再生的方式将多余能量吸收，并在辐照较少、能量供应不足时将这部分再生的CaO释放出来用于碳捕集和增发电量，起到类似于储能的削峰填谷的作用。本系统典型日运行中，CaO/CaCO3工质对能量储释过程如图6所示。该结果表明，本系统不仅可以高效利用太阳能量，还可以起到储能的作用，从而避免太阳能不稳定、不连续的问题对燃气蒸汽联合循环系统性能的影响。

图6 典型日太阳热能储释变化图

3 结论

针对化石能源电站依靠自身能量捕集烟气CO2面临的效率损失问题，提出了塔式太阳能辅助燃气蒸汽联合循环发电烟气碳捕集系统，以某467MW燃气蒸汽联合循环电站为原型进行系统设计。相较于依靠化石能源自身捕集CO2的参比系统，设计系统发电功率提升148.5MW，发电效率提升约18个百分点。与原始系统相比，设计系统发电功率提升42.43MW，发电效率达到63%，实现了84%的CO2排放捕集率。选取华北某地典型年春分日进行设计系统的变工况计算，结果表明：通过在日照充足时段再生较多的固体吸收剂，实现碳捕集量在时段上的转移，系统可实现全天6h以上的额定工况运行，累计碳捕集量达1452t，累积增发电量达381MW·h。

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Design of Calcium-based Carbon Capture System for Gas-Steam Combined Cycle Assisted by Solar Thermal Tower

LIU Lanhua1, WANG Ruilin1, HONG Hui2*

(1. School of Energy and Mechanical Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing 210042, Jiangsu Province, China; 2. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100080, China)

Fossil energy power stations are the largest centralized source of CO2emission, and the carbon emission reduction of fossil energy power stations such as coal and gas is the essential way to achieve carbon neutralization. Compared with other technologies, carbon capture based on the alkali metal has the advantages of high capture efficiency and low reaction energy consumption, but its high regeneration energy consumption will greatly affect the performance of coal-fired power stations. In this paper, a system of gas-steam combined cycle with flue gas carbon capture assisted by solar thermal tower was proposed. Taking a 467MW gas steam combined cycle power plant as the prototype, the system design and performance analysis were carried out. Compared with the original system, the power generation of the designed system was increased by 42.43MW, and the power generation efficiency reached 63%. Compared with the reference system relying on fossil energy to capture carbon dioxide, the designed power generation capacity of the system was increased by 148.5MW, and the power generation efficiency was increased by about 18 percent points. The vernal equinox day was selected as a typical day to analyze the off-design condition of the system. The results show that the system can operate at rated condition for more than six hours a day, the cumulative carbon capture capacity is 1452t, and the cumulative additional power generation is 381MW·h. The proposed system used solar energy to capture carbon dioxide without reducing the power generation efficiency of the power station itself, and realized the zero-carbon emission utilization of fossil energy. In addition, the high-temperature heat released by the calcium-based carbon capture and carbonation process was reused to the gas-steam combined cycle system for power generation to further improve the system performance. The research results can provide new ideas and methods for the multi-energy complementary and comprehensive utilization of renewable energy and fossil energy.

carbon neutralization; solar thermal power generation; calcium-based carbon capture; multi-energy complementation; carbon emission reduction

2021-06-16。

10.12096/j.2096-4528.pgt.21081

TK 51

江苏省青年自然科学基金(BK20200731)。

Project Supported by Youth Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20200731).

(责任编辑 尚彩娟)