化学链高温空分制氧与热力发电系统集成性能评价

赵亚仙, 谢文霞, 张 军， 解继红， 杜 勇， 闫海仙

(1. 晋中学院 机械学院， 山西晋中 030600； 2. 东南大学 能源与环境学院， 南京 210096)

在传统的空气燃烧方式下，烟气成分绝大部分为N2，而CO2含量较低，直接分离的成本高，经济性差。O2/CO2循环燃烧使用纯氧代替空气，可以较为经济地直接将烟气加压使CO2液化，从而达到分离的效果，是一种很有发展潜力的CO2捕集技术。但传统富氧燃烧需要大规模空分制氧，投资大、能耗高，使得富氧燃烧系统经济性和能源利用效率下降，故研究新型高效、低成本的制氧方法是富氧燃烧进一步发展所急需解决的关键问题之一。

根据文献[1]，以MexOy/MexOy-2载氧体为例，在高温条件下，氧化反应器中，由于氧气分压较高，空气可将MexOy-2氧化为MexOy，即反应式(1)；还原反应器中，由于氧分压较低，CO2气氛下，MexOy可还原为MexOy-2，并释放出氧分子，即反应式(2)。

MexOy-2(s) +O2(g)→MexOy(s)

(1)

MexOy(s) →MexOy-2(s) +O2(g)

(2)

化学链高温空分制取O2和CO2混合气体与传统制氧性能相比具有节能潜力，而富氧燃烧所需并非纯氧，只是O2体积分数为20%～40%的O2和CO2混合气体[2]。故基于Aspen Plus软件，将常规富氧燃烧热力发电系统中的低温空分制氧单元用化学链高温空分制O2和CO2混合气体所取代，研究其集成性能，并对其做出评价。

1 系统简介

图1为化学链高温空分制氧与热力发电(CLAS- O2/CO2)系统示意图。该系统由以下部分组成：化学链高温空分制取O2和CO2混合气体单元、炉膛、三压再热式尾部受热面、汽水循环和CO2分离压缩。基于Aspen Plus软件，氧化反应器、还原反应器和炉膛均选用RGibbs反应器，设定还原反应器热流量Q=0，CLAS- O2/CO2系统空分部分的气流CO2是来自锅炉的高温烟气，向空分部分提供反应所需热量，氧化反应放热通过热载体带入还原反应器，理论上载氧体一次循环过程的总反应热为零。选用煤粉的工业分析和元素分析见表1，其低位发热量为22.55 MJ/kg；表2列出了炉膛、尾部受热面、汽轮机、泵和CO2压缩系统的参数。

图1 CLAS- O2/CO2系统示意图

表1 煤粉工业分析和元素分析 %

表2 系统主要参数

表2(续)

2 性能评价方法

系统能量效率按照低位发热量计算，其系统发电净效率ηnet定义为：

(3)

式中：Wnet为系统发电净功率，MW；mcoal为输入的煤量，kg/s；Qnet为煤的低位发热量，kJ/kg。

对于CLAS- O2/CO2系统和常规富氧燃烧热力发电(ASU- O2/CO2)系统：

Wnet=W1-W2-W3-W4-W5-W6-W7

式中：W1为汽轮机做功，MW；W2为备煤能耗，MW；W3为鼓风机能耗，MW；W4为循环烟气风机与泵能耗，MW；W5为其他能耗，MW；W6为空分能耗，MW；W7为CO2分离压缩能耗，MW。

3 结果分析及性能比较

3.1 空分系统影响

以CoO- Co3O4为载氧体，通过Aspen Plus软件模拟得到空分系统在不同氧化反应温度TOX下，产物中O2体积分数φ(O2)随烟气抽气温度Tgas变化的关系图(见图2)。从图2可以看出：在TOX分别为800 ℃、830 ℃和860 ℃时，φ(O2)<10%；在TOX为890 ℃、Tgas>980 ℃时，φ(O2)>10%。以Mn3O4- Mn2O3为载氧体的模拟结果与上述结果具有相似规律，故以CoO- Co3O4为例对空分系统的影响进行研究。

图2 Tgas对产物中φ(O2)的影响

基于图2，对TOX=870～890 ℃、Tgas=900～1 100 ℃各工况进行模拟计算，得到φ(O2)>10%的工况(见表3)。

表3 四种工况下模拟结果

对比四种工况可知：工况1和工况2的Tgas相同，TOX不同导致TO2/CO2温度不同，且工况2略高于工况1，还原反应所需CO2质量不同，且工况2下反应所需CO2质量小于工况1下CO2质量，工况2下φ(O2)大于工况1下φ(O2)；工况3和工况4的Tgas相同，TOX不同导致TO2/CO2温度不同，且工况4略高于工况3，还原反应所需CO2质量不同，且工况4下反应所需CO2质量小于工况3下CO2质量，工况4下φ(O2)大于工况3下φ(O2)。

在CLAS- O2/CO2系统中，排烟成分90%以上为CO2，则将尾部烟气循环通入空分制氧部分，将导致汽水换热量减小，发电量下降。制取相同量O2，工况2比工况1所需烟气量较小，对应的汽水换热量的减少量较小，发电量的下降程度随之减小，工况2比工况1具有优越性；同理，工况4比工况3具有优越性。因此，对工况2和工况4进行进一步研究，并对这两种工况下的系统效率进行对比。

表4为工况2与工况4模拟结果，工况2与工况4相比，工况2空分的Tgas较低，循环烟气量较多，排烟量较少，CO2分离压缩能耗较小，泵耗能较小，其他能耗相当，系统净功率较大，系统净效率较高。

表4 工况2和工况4模拟结果

3.2 过量空气系数影响

(4)

尾道烟气φ(O2)分别为1%、2%、3%时，过量空气系数α由式(5)[3]计算：

(5)

排烟φ(O2)增大，鼓风机能耗增大，CO2分离压缩能耗先增大后略微减小，其他能耗几乎不变，系统毛功率减小，系统净功率减小，系统效率降低(见表5)。

表5 不同排烟φ(O2)下系统模拟结果

3.3 不同载氧体影响

与以CoO- Co3O4为载氧体相比，以Mn3O4- Mn2O3为载氧体的空分制氧能耗较低，φ(O2)体积分数较高[1]。

将CLAS- O2/CO2系统的空分单元参数设置为工况2，排烟φ(O2)取1%，模拟结果见表6。

结果表明：与以CoO- Co3O4为载氧体相比，以Mn3O4- Mn2O3为载氧体的空分产物中φ(O2)较大，则相同排烟φ(O2)下，O2和CO2混合气体总量减小，风机能耗降低，烟气总量减小，用于换热烟气量和循环烟气量均降低，总功率减小，CO2分离压缩能耗降低，系统净功率增大，净效率增大。因此，以Mn3O4- Mn2O3为载氧体的CLAS- O2/CO2系统性能较优。

表6 不同载氧体下集成模拟结果

3.4 系统性能比较

文献[4]对ASU- O2/CO2系统进行建模分析，并与常规发电系统进行性能比较，文献[5]对整体煤气化联合循环(IGCC)系统和带有CO2捕集的IGCC(IGCC- CCS)系统进行性能研究与比较，表7列出其研究结果。

表7 系统结果比较

从表7看出：ASU- O2/CO2系统比常规发电系统净效率下降12.4%；IGCC- CCS系统比IGCC系统净效率下降9.4%；CLAS- O2/CO2系统比ASU- O2/CO2系统净效率高13.5%，比IGCC- CCS系统净效率高1.8%，且实现CO2零排放。因此，CLAS- O2/CO2系统具有明显的节能优势。

4 结语

基于Aspen Plus软件，对CLAS- O2/CO2系统进行了模拟计算，分别分析了烟气抽气温度、空气过量系数和不同载氧体对系统性能的影响，得出烟气抽气温度为1 000 ℃、排烟φ(O2)为1%和以Mn3O4- Mn2O3为载氧体的系统性能较优，并对不同形式的系统进行了性能比较，得出CLAS- O2/CO2系统具有明显的节能优势。

参考文献：

[1] 赵亚仙, 向文国, 陈时熠. 化学链高温空分制氧性能评价[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2013, 43(4): 809-813.

[2] 张腾, 李振山, 蔡宁生. 利用钙钛矿型氧化物制取O2-CO2混合气体的实验研究[J]. 工程热物理学报, 2008, 29(9): 1591-1594.

[3] 郑体宽, 杨晨. 热力发电厂[M]. 2版. 北京: 中国电力出版社, 2008.

[4] 孔红兵, 柳朝晖, 陈胜, 等. 600 MW富氧燃烧系统过程建模及优化[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(2): 53-60.

[5] MARTELLI E, KREUTZ T, CONSONNI S. Comparison of coal IGCC with and without CO2capture and storage: shell gasification with standard vs. partial water quench[J]. Energy Procedia, 2009, 1(1): 607-614.

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