·新能源·回收CO的甲醇r动力多联产系统探索

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书书书 第30卷第8期华电技术Vol.30 No.8   2008年8月HuadianTechnologyAug.2008  ·新能源·回收CO2的甲醇-动力多联产系统探索DiscussiononpolygenerationsystemformethanolandpowerproductionwithCO2recovery李星LIXing(中国华电工程(集团)有限公司,北京 100048)(ChinaHuadianEngineeringCorporationLimited,Beijing100048,China)摘 要:如何实现高效能源利用的同时控制CO2的排放,是新型能源系统开拓的难点。以化工-动力多联产系统为突破口,以清洁能源生产与CO2分离一体化概念为指导思想,确定了影响因素。从CO2分离的热力学理论基础出发,介绍并分析了回收CO2的甲醇-动力多联产系统,最终指出,多联产系统具有高效节能利用的同时还有控制温室气体的潜力。关键词:CO2回收;多联产系统;整体煤气化联合循环中图分类号:TM611.3   文献标志码:A   文章编号:1674-1951(2008)08-0001-04Abstract:OneofdifficultiesfordevelopingnewenergysystemishowtocontrolCO2emissionandtoraisetheutilityeffectofenergysourceatthesametime.Takingthechemicalproductionandpowerpolygenerationsystemasabreakthroughpoint,takingtheconceptofintegratingclearenergyproductionwithCO2separationastheguidingideology,thekeyfactorsinfluencingtheenergyconsumptionforCO2separationweredefined.FromthethermodynamicstheoryfoundationofCO2separation,themethanolpowerpolygenerationsystemwasintroducedandanalyzed,anditwaspointedoutfinallythatthepolygenerationsystemisofhighefficiencyandenergysaving,anditisalsohasthepotentialofgreenhousegascontrol.Keywords:CO2recovery;polygenerationsystem;integratedgasificationcombinedcycle收稿日期:2008-04-211 CO2分离过程理论能耗分析CO2回收一般由分离、运输与储存等几步过程组成。在大多数情况下,能源系统产生的CO2被其他气体所稀释,浓度往往比较低,需要耗费大量的分离功将低浓度的CO2分离出来以便于处理。因此,分离过程是CO2回收耗能较大的一个过程,也是能源系统回收CO2研究所关注的主要过程[1]。CO2分离能耗由3方面因素决定:CO2理想分离过程所需的分离功,即最小分离功;CO2实际分离过程的分离效率,即理想分离功与实际分离功(或实际消耗的可用能)之比;分离耗能的品位,如果为热耗则为热源所对应的卡诺循环效率,如为功耗则为1。理想分离功只与分离前后的热力学状态有关,而分离效率与耗能品位则取决于具体分离工艺所具有的能量利用水平。考虑到可以将分离过程简化为t0温度下,理想气体的等温等压分离过程与一系列变温、变压过程的组合,本文未关注不同分离工艺的区别,而是将变温、变压过程归于具体分离工艺需要考虑的范畴,从而将研究焦点集中于t0温度下,理想气体的等温等压分离过程。假设分离过程入口的合成气中CO2的体积分数为X,则其他惰性气体组分的体积分数相应为1-X。分离前热力学状态确定后,决定分离后状态的变量主要为回收率与选择性。回收率即被分离物摩尔量占分离前物流所含有的被分离物总摩尔量的比例,其表达式为K=nCO2nX,(1) ·2·华电技术第30卷 图1 分离前CO2摩尔浓度、回收率对单位CO2理想分离功的影响式中:nCO2为分离的CO2物流的摩尔量;n为进入分离过程的合成气的总摩尔量;nX为合成气中CO2的总摩尔量。选择性代表着分离过程对被分离组分与其他组分的区分程度,其主要标志为被分离物流的浓度。选择性愈高,则被分离物流所含有的杂质愈少,被分离物流浓度愈高;选择性愈低,则被分离物流所含有的杂质愈多,被分离物流浓度愈低。为了简化起见,本文没有考虑分离过程选择性的变化,仅假设被分离物流纯度均为100%(一般情况下被分离CO2物流的体积分数往往在95%以上)。基于以上假设,通过分析分离过程前后物流扩散的变化,可得分离单位量的被分离物所需要的理想分离功,表达式如下Eidea=Rt0×{X(1-K)ln[X(1-K)]-  (1-XK)ln(1-XK)-Xln(X)/(XK)}=f(X,K),(2)式中:R为理想气体常数;t0为环境温度。由式(2)可见,决定CO2分离过程理想分离功的独立变量为分离前合成气中的CO2体积百分数X,以及CO2回收率。图1为单位CO2理想分离功随分离前CO2的体积分数与回收率的变化情况。如图1所示,对于单位CO2理想分离功影响最大的因素为分离前CO2的体积分数,当CO2体积分数处于较低的范围(如小于10%)时,在任意回收率下,分离功对CO2体积分数的变化均十分敏感。从图中可见,随着分离前CO2体积分数的逐渐升高,理想分离功对体积分数变化的敏感性逐渐降低;当回收率为100%时,分离前CO2体积分数从10%向0%逼近,单位CO2分离功上升幅度大于5kJ/mol;而当分离前CO2体积分数在20%~100%的范围内变化时,每变化10%,分离功的改变幅度仅为1.2kJ/mol左右。与分离前CO2体积分数相比,回收率对理想分离功的影响相对较小:当回收率较低时,理想分离功随回收率的变化较为平缓;仅当回收率超过90%,分离功上升的趋势才明显增加。此外,随着回收率的提高,分离前CO2体积分数对分离功的影响是逐渐增大的。2 回收CO2的多联产系统流程图2为回收CO2的甲醇-动力多联产系统流程示意图,该系统采用了串联型结构。煤合成气首先进入化工生产流程合成化工产品,未反应气则送往动力系统作为燃料。进入系统的合成气首先经历废热锅炉回收显热,温度降低到620℃左右。离开废热锅炉的合成气与来自化工流程的未反应气换热,温度进一步降低到480℃左右。随后,合成气被分为变换气物流与混合气物流,其中变换气物流经饱和蒸汽加湿,汽-气比上升到1.2左右,最后进入变换反应单元。混合气则旁通变换反应单元,与离开变换反应单元的合成气混合以取得适宜的碳-氢比。调整变换气汽比所需要的饱和蒸汽产自变换后合成气的显热回收过程,变换后合成气经余热回收后进入酸气脱除单元。 第8期李星:回收CO2的甲醇-动力多联产系统探索·3· 图2 回收CO2的串联型甲醇-动力多联产系统流程示意图  CO2回收工艺是个典型的吸收/萃取过程。在进入吸收塔之前合成气已经被冷却到38℃。混合有机胺(MEA)水溶液的质量分数是30%,吸收剂剂在38℃下进入吸收塔。吸收器的压力是1700kPa,吸收剂与合成气逆流接触,净化后气体从塔顶出来。从吸收塔塔釜流出的富液通过回热器,和再生塔中的贫液进行换热。富液进入再生塔解吸CO2后成为贫液循环实用。这个过程中的主要能量消耗来自于再生塔塔釜的再沸器加热能耗,吸收剂再生需要温度为140℃左右的恒温热源,采用压力为375kPa的饱和蒸汽加热,所消耗的蒸汽部分来自于热力循环子系统中低压缸抽气,部分来自于变换后合成气的显热回收。分离1kg纯度为93%的CO2需要3.2MJ左右饱和蒸汽焓。分离出的CO2接近1个大气压力,经1台三级间冷压缩机压缩至8000kPa以便于运输。3 回收CO2的系统性能分析[2]无CO2回收的整体煤气化联合循环(IGCC)系统、燃料气回收CO2的IGCC系统和回收CO2的多联产系统的模拟结果见表1。输入1kg的燃料,IGCC系统和燃烧前回收CO2的IGCC系统(IGCC/CR)的输出净功分别是12062kJ和9802kJ,2个系统的热效率分别是45.2%和36.7%。回收CO2的多联产系统(PG/CR)除了输出5986kJ的功,还产出甲醇0.2975kg,其化学!为6625kJ。在无CO2回收的IGCC系统,燃料中所有的碳最终均以CO2的形式排放到环境,共2.49kg;在燃烧前回收CO2的IGCC系统,有1.05kg的CO2随锅炉排烟排放到环境,其余以CO2的形式回收,约占系统总碳消耗量的57.8%;在多联产系统中,只有0.68kg的CO2排放到环境中,是3个系统中最少的。然而,考虑到甲醇可以作为液体运输燃料燃烧,其所含有的碳最终也将以CO2的形式排放到环境,甲醇所含有的潜在碳排放也应计算在排放项内。因此,多联产系统的CO2排放量应为1.09kg,碳回收率为56.2%。表1 IGCC系统、回收CO2的IGCC系统与回收CO2的多联产系统性能对比项目分产发电系统IGCC IGCC(CR)回收CO2的多联产系统①燃料消耗/kJ 26710 ①燃气轮机输出功/kJ793573934725①蒸汽轮机输出功/kJ549641073056①膨胀机输出功/kJ0404414①厂耗/kJ136921022209①净输出功/kJ1206298025986①甲醇产量/kg000.2975①甲醇化学!/kJ006625系统热转功效率/%45.236.745.5系统热力学第一定律效率/%45.236.747.2①CO2回收量/kg01.441.40①CO2排放量/kg2.491.050.68/1.09CO2回收率/%0.057.856.2②CO2分离能耗/(kW·h) 0.436  注:①基于1kg燃料输入;②CO2分离能耗为回收1kgCO2消耗的能量。以无CO2回收的IGCC系统为参照基准,回收57.8%的CO2使得IGCC系统净输出功下降2260kJ,相应热转功效率下降8.5%。综合净输出功减 ·4·华电技术第30卷 少量与CO2减排量,可得燃烧前回收CO2的IGCC系统中单位CO2减排的回收代价为0.436kW·h。本文主要采用折合热转功效率的评价方法评价多联产系统的性能。根据分产甲醇流程模拟所得的甲醇能耗,多联产系统的折合热转功效率为45.5%。与分产IGCC系统相比,回收CO2的多联产系统效率不仅没有下降,反而稍有上升,这一性能优势表明,回收CO2的多联产系统具有低代价回收CO2的潜力。4 结论通过分产流程、回收CO2的IGCC系统与回收CO2的多联产系统的性能对比可以看出,借助多联产系统的节能优势,回收CO2的多联产系统可以在保持化工能耗与动力系统热转功效率与分产流程接近甚至稍高的情况下实现部分CO2的分离回收,可以作为未来能源系统减排CO2的主要技术路线之一。参考文献:[1]金红光,王宝群.化学能梯级利用机理探讨[J].工程热物理学报,2004,25(2):181-184.[2]林汝谋,金红光,高林.化工动力多联产系统及其集成优化机理[J].热能动力工程,2006,21(4):331-337.(编辑:刘芳)作者简介:李星(1975—),男,甘肃天水人,中国华电工程(集团)有限公司工程师,从事热能动力工程方面的工作。

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