燃煤电厂烟气中二氧化碳捕集系统的热经济性分析.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 -1- 中国中国科技论文在线科技论文在线 燃煤电厂烟气中二氧化碳捕集系统的热经济性分析燃煤电厂烟气中二氧化碳捕集系统的热经济性分析 李停停，金常鑫，刘炳成 青岛科技大学机电学院，山东 青岛（266061） E-mail liting9506 摘摘 要要 为解决烟气二氧化碳捕集成本偏高的问题， 基于胜利发电厂二氧化碳捕集示范线的 现场调研，建立了二氧化碳捕集系统的经济学模型并进行了相关的热经济学分析，获得了 4 万吨/年二氧化碳捕集系统的运行费用、现金等值以及现金系数的变化规律，为二氧化碳低 成本捕集以及系统整体节能优化提供理论依据。 关键词关键词燃煤电厂；烟气；二氧化碳；捕集系统；热经济性分析 1 前言前言 温室气体的过量排放将会造成全球范围内的气温变化。在所有温室气体中，CO2气体的 排放量最大，且对温室效应的贡献超过 60[1],以化石燃料为主要能源的电厂生产中排放出 的 CO2量占 CO2排放总量的 30左右[2]。 目前国内在二氧化碳捕集纯化系统节能降耗方面取得了巨大的进步，在单项技术节能、 工艺调整合等方面取得了重大进展， 先后建立了一批示范工程， 取得了较好的经济效益和社 会效益，但由于二氧化碳捕集系统点多面广线长，混和气吸收，分离解析，换热器换热等过 程中用热点多，工艺复杂，对整个系统的能耗情况、节点的相互影响，能量利用的薄弱环节 还缺乏整体把握， 在二氧化碳捕集纯化系统用能的分析评价方面尚未形成一套有效适用的评 价方法， 目前的二氧化碳捕集纯化系统节能工作还缺乏整体规划， 节能工作还存在一定的盲 区。 目前， 二氧化碳捕集纯化系统的运行主要采用分块管理的模式运行， 缺乏整体协调优化， 系统能量的利益仍然存在不合理的地方。 在现有的二氧化碳捕集技术下，能耗过高，成本过高，节能潜力还很大。本文针对系统 成本高的问题， 基于胜利发电厂二氧化碳捕集示范线的现场调研， 建立了二氧化碳捕集系统 的经济学模型并进行了相关的热经济学分析，获得了 4 万吨/年二氧化碳捕集系统的运行费 用、 现金等值以及现金系数的变化规律， 为二氧化碳低成本捕集以及系统整体节能优化提供 理论依据和经济依据。 2 工艺流程工艺流程 二氧化碳捕集纯化系统工艺流程图如图 1。 -2- 中国中国科技论文在线科技论文在线 图 1 二氧化碳捕集纯化系统工艺流程图 Fig.1 Process chart of carbon dioxide captured system 胜利电厂脱硫后的烟道气调节流量后由引风机送入吸收塔，其中一部分 CO2 被溶剂吸 收，尾气由塔顶排入大气。吸收 CO2 后的富液由吸收塔底经富液泵送入贫富液换热器，回 收热量后送入再生塔进行解吸。解吸出的 CO2 气体连同水蒸气经冷却后，经过再生气气液 分离器分离出去水分后得到纯度 99.5（干基）以上的产品 CO2 气，再送入 CO2 压缩机增 压至 2.2MPa，增压后的 CO2 气体进入脱水撬块脱除气体中的水分，然后送入液化撬块进行 中压氨冷液化， 最终储存并装车外输。 再生气中被冷凝分离出来的含复合胺的凝液进入地下 槽，用泵送至再生塔。 富液从再生塔上部进入，通过汽提解吸部分 CO2，然后进入煮沸器，使其中的 CO2 进 一步解吸。解吸 CO2 后的贫液由再生塔底流出，经贫富液换热器换热后，用贫液泵送至贫 液冷却器，水冷后进入吸收塔。溶剂往返循环构成连续吸收和解吸 CO2 的工艺过程。 图 2 二氧化碳捕集系统流程节点图 Fig.2 Process node chart of carbon dioxide captured system with chemical absorption metheod -3- 中国中国科技论文在线科技论文在线 表 1 气体物料流程位号对照表 Tab.1 Comparison table of process bit mark of gas material 气体（干基）40℃ 组成 位号 名称 压力 /MPa N2 CO2 O2 SO2 NOX 气量 /m3/h 1 烟道气 0.008 79.27 14.5 4.6400mg/m3 721mg/m3 18863 2 净化气 0.002 90.59 2 5.3400mg/m3 721mg/m3 16505 11 酸气 99.5 2200 表 2 液体物料流程位号对照表 Tab.2 Comparison table of process bit mark of liquid material 位 号 名 称 压力/MPa温度/℃ 流量/m3/h 焓值/kJm-1 3 吸收塔出口富液 （贫富液换热器冷端进口 富液） 0.008 56 120 234.38 4 贫富液换热器冷端出口富 液 （再生塔进口富液） 0.34 96 120 402.26 5 再生塔出口贫液 （贫富液换 热器热端进口） （再沸器进口） 0.06 112 120 469.78 6 贫富液换热器热端出口贫 液（贫液冷却器进口贫液） 0.01 65 120 272.05 7 贫液冷却器出口贫液 （吸收塔进口贫液） 0.4 40 120 167.5 8 再沸器出口蒸汽 0.045 110 30 2696.5kJ/kg 9 再生塔出口再生气 （冷凝器进口） 0.05 98 6939kg/h 10 冷凝器出口再生气 0.045 40 6939kg/h 11 酸气 0.045 40 2200 130 kJ/kg 12 回流水量 40 2640kg/h 167.5 13 贫液冷却器水量 0.05 32～40 310000kg/h 134.14～175.86 14 再沸器加热蒸汽（饱和） 0.3～0.15 144～128 8800kg/h 2761.6～535.7 15 冷凝器水量 0.05 32～40 192272kg/h 134.14～175.86 16 再沸器进口 112 30 460.4 3 经济性分析经济性分析 3.1 热经济学分析模型热经济学分析模型 用同一的单位成本支付火用损（包括内部火用损耗和热经济学分析法的模式有很多种， 但就其实质而言，主要有三种[3] （1）统一火用损成本模式 外部火用损耗）。因为各处（各子系统或各单元）的单位火用损的经济价值是不同的， 应当支付的成本也是不同的，它不能反映各子系统的火用损情况，很显然，这一模式是不够 合理的。这样，就发展了按不同区（子系统）支付不同的单位火用损的模式，即热经济学的 -4- 中国中国科技论文在线科技论文在线 代数模式。 （2）热经济学的代数模式 这一模式的主要思想是对每一个区（各子系统）按照现金平衡方程和辅助方程，求得 输入、 输出每一个区的传递价格， 即按照此传递价格支付各区的火用损。 这一模式简单直观， 易于掌握，但是这一模式只能给出各区之间和系统边界上的经济状况（传递价格），而不能 直接真实地反映出系统及系统中某一部分的变化对其它部分的影响， 或者系统的某个参量的 变化对其它参量的影响，显然不能把系统作为一个总体来研究，以求总体优化。这就发展了 孤立优化模式。 （3）热经济学的孤立优化模式 这一模式的主要思想是通过系统的目标函数优化，获得总体优化。还可以将系统分解 为若干个子系统使之 “孤立化”，以局部优化代替总体优化。这样，既避免了数学上的困难， 又减少了计算工作量[4]。 本文主要用后两种模式解决捕集系统的优化问题， 通过研究寻找捕集系统新的优化理论 和方法，并进一步完善，使其同时适用于其它用能系统的优化。 热经济学分析的思路是将能量系统划分成若干个子系统（单元），各单元之间进行着物 质流、火用流和现金流的平衡，再补充必要的方程，可以直接求解各系统中各股火用流的单 位火用成本，进而获得最终的产品成本[5]。用各股能量流的火用值和非能量费用为已知条件 来求解相应的能量流的价格。采用不同的分析方法，其结果的表现形式有所不同，如成本会 计法及热经济学成本法求得的结果为单位火用流的价格，单位为元/kJ，而火用成本理论的 最终形式为获得单位火用所消耗的火用，单位为 kJ/kJ。但是求解的过程是一样的，同样是 建立一元一次方程组求得相应的目标向量， 尤其构造方程组是问题的核心。 构造方程组是由 成本平衡方程和成本分摊方程组成的[5]。 （1）成本平衡方程 假设子系统 i 有 e 股输入火用流，s 股输出火用流，用 Ci和 Cj分别表示输入和输出火用 流的单位火用成本，则该子系统的火用经济平衡式可表示为 11 es iinijj ij C ECC E ∑∑ 式中 nk C外部输入子系统 i 的能量流的火用值。 引入事件矩阵 A 后，子系统的火用成本平衡方程可以表示为 AEI 式中E火用流向量； I各子系统的非物质能量流。 整个系统有 i 个子系统，就可以列出 i 个火用平衡式。 （2）成本分摊方程 如果系统有 n 股火用流就应该有 n 个单位火用成本需要确定，但是只能列出 m 个火用 成本平衡式，往往 m 小于 n，因此需要建立（n－m）个补充方程才能使方程组封闭，有唯 一解[5]。补充方程即为成本分摊方程，建立补充方程的原则如下 原则一从外表输入系统火用流的单位火用成本均规定为 1； 原则二对于多产品的子系统，按各产品单位火用成本相等的原则建立补充的方程； 原则三若子系统的“燃料”为双线流，则构成双线流的两股火用流单位火用成本是相 -5- 中国中国科技论文在线科技论文在线 等的。 成本平衡方程和成本分摊方程的总数应该恰好等于系统的火用流数，使方程组有唯一 解， 但是是不是所有的系统利用热经济学法时建立的成本平衡方程和按三个原则建立的成本 分摊方程都能组成一个完全封闭的矩阵，并具有唯一解，则需要理论证明。 热经济学的孤立优化模式可通过总体的目标函数优化， 以求得总体优化。 还可将热系统 分解为若干子系统使之“孤立化”，用优化局部代替优化总体[7]。 目标函数的一般形式为 {} min jj jn T X KK KK C EXCn C C X −− ∑∑ ∑∑ 式中C产品火用 K K EX ∑ 的单位成本； T C热系统的年总成本； K K EX − ∑ 年输出产品火用流； j C由外部输入的原料火用流的单位成本； j j EX ∑ 由外部输入的原料火用流的单位成本； Cnn 区（子系统）的年度化成本； {}X决策变量集合； 对给定的一种或几种产品的热系统，即 K K EX − ∑ const 时，上式可简化为 {} min Tjj X jn CC EXCn ∑∑ 3.2 捕集系统经济性模型捕集系统经济性模型 二氧化碳捕集系统是一个化工系统， 根据黑箱模型， 捕集系统中的每个主要设备可以建 立一个黑箱模型。在这里该系统包括六个黑箱模型，即吸收塔、再生塔、贫富液换热器、贫 液冷却器、再生气冷凝器、再沸器。在这里，不考虑设备内部过程的变化如何，只对设备进 出口的火用流和火用成本进行分析，得出设备火用流成本的变化情况。因此，用黑箱模型对 捕集系统进行热经济学的分析。 如果需要进一步了解更详细部位火用流成本的情况， 可对该 黑箱进行更进一步的分解，建立黑箱模型的子系统[8]。 捕集系统及各子系统的热经济学分析黑箱模型如下图 3 所示。 -6- 中国中国科技论文在线科技论文在线 图 3 系统及子系统的热经济学分析黑箱模型 Fig.3 Black-box model of thermoeconomics for system and subsystems 在二氧化碳捕集系统中， 系统的收益是烟气经过吸收再生过程后捕集到的高纯度的二氧 化碳气体和经过纯化的净化气，而输入系统的火用是电厂烟气、富液泵、贫液泵的电功等。 在系统中将几个主要设备划为六个子系统， 对于整个系统或其中任一个单元， 其产品的成本， 应等于为了获取产品而付出的所有费用，包括燃料费用、设备折旧费、运行费、维护、检修、 管理等费用。对于捕集系统来说，可以得到如下的成本方程式 11112211 eFPnf E CE CECC WWC 即 11111122 eFPnf E CE CC WWE CC− 式中 11 C高纯度二氧化碳火用的单位成本； 1 C烟气火用的单位成本； 2 C净化气火用的单位成本； e C电单价； nf C系统的年度化成本； 由上式可得到捕集的高纯度二氧化碳的火用的平均单价为 1122 11 11 eFPnf E CC WWE CC C E − 为了了解各部分的费用情况，这里进一步得出各子系统的成本方程。这里假定，每一个 子系统的输出为所收益的产品，而输入为作为产生效益的代价。在此系统中，有的子系统不 只有一种输出产品，这里根据能量的应用对象将一种作为主要产品进行分析，则 吸收塔 33117722 1E CECE CE CC− 再生塔 994488121255 2E CE CE CE CE CC− 贫富液换热器 44335566 3 eFP E CE CE CE CC WWC− 贫液冷却器 77661313 4E CE CE CC−Δ 再生气冷凝器 1010991515 5E CE CE CC−Δ -7- 中国中国科技论文在线科技论文在线 再沸器 8816161414 6E CE CE CCΔ 式中，1C、2C、3C、4C、5C、6C分别为吸收塔、再生塔、贫富液换热器、贫液 冷却器、再生气冷凝器、再沸器的年度化成本，假设各设备的年度化成本已知，则方程组有 七个，则方程组中未知数有 1 C、 2 C、 3 C、 4 C、 5 C、 6 C、 7 C、 8 C、 9 C、 10 C、 11 C、 12 C、 13 C、 14 C、 15 C、 16 C十六个未知数，则需要补充九个方程才能使方程组封闭有唯一解，这 里补充的成本分摊方程如下 121011 CCCC 34567 CCCCC 12131415 CCCC 根据以上方程组及成本分摊方程，无疑可以求得 1 C、 2 C、 3 C、 4 C、 5 C、 6 C、 7 C、 8 C、 9 C、 10 C、 11 C、 12 C、 13 C、 14 C、 15 C、 16 C十六个未知数。 3.3 捕集系统热经济性分析捕集系统热经济性分析 二氧化碳捕集系统的有关经济数据如下 吸收塔1 台 160 万元 运行功率 45KW 再生塔1 台 160 万元 运行功率 37KW 贫、富液换热器1 台 95 万元 富液泵2 台 8.5 万元 功率 35KW 贫液泵2 台 9 万元 功率 35KW 贫液冷却器 1 台 68 万元 再生气冷凝器1 台 32.5 万元 再沸器1 台 50 万元 系统安装费、管理费等 10 万元 电单价0.6 元/KWh 假设各设备的使用年限为 20 年，20 年后残值为零,年利率为 10，在这里各年的燃料 费用不计，各年除能量费用以外的运行、管理、维修等一切费用分析如下。 -8- 中国中国科技论文在线科技论文在线 表 3 捕集系统年限内每年的运行费及其现金等值 Tab.3 Table of operation cost and cash equivalance per year for trapping system 运行年度运行成本 Fm（万元） PWF10,n PMFmPWF10,n万元 1 67.5 0.9091 61.36425 2 70.5 0.8265 58.26825 3 73.5 0.7513 55.22055 4 73.5 0.6880 50.568 5 76.5 0.6299 48.18735 6 76.5 0.5645 43.18425 7 76.5 0.5132 39.2598 8 79.5 0.4665 37.08675 9 79.5 0.4241 33.71595 10 79.5 0.3856 30.6552 11 82.5 0.3505 28.91625 12 82.5 0.3186 26.2845 13 82.5 0.2897 23.90025 14 85.5 0.2633 22.51215 15 85.5 0.2394 20.4687 16 85.5 0.2176 18.6048 17 88.5 0.1979 17.51415 18 88.5 0.1799 15.92115 19 91.5 0.1635 14.96025 20 94.5 0.1487 14.05215 合计 661.1017 总的现金等值为1244.1017 万元。 资金回收系数为CRF10，200.1175 年度化成本 nf C为1244.10170.1175146.1819 万元/年 各子系统的火用流成本计算结果如下表 4 中。 表 4 子系统火用流成本分析表 Tab.4 Aanalysis table of energy flow cost of subsystems 火用流 KW 火用单价（元/KWh） 分 区 进口 出口 火用损失 KW 年度化成本 万元/年 总成本 （元/h）进口 出口 1 13393733031902 -169252943.5113 222.84480.00017 0.0000735 2 131050441621732 1148331240.5052 2166.6340.00017 0.001336 3 158216709555887 626578324.9039 7023.5770.00044 0.0000735 4 42616071274327 298728017.1700 936.63030.00022 0.0000735 5 1621732253238 13684948.0424 2033.5010.00125 0.00803 6 192364843520897 1571558712.0490 2357.5930.00012 0.0006696 根据以上分析， 二氧化碳捕集系统单位时间内的总成本为 14740.7801 元/h， 单位时间内 净化的烟气量为 18863Nm3/h,那么捕集单位质量的电厂烟气的成本约为 582 元/h。 4 结论结论 通过对二氧化碳捕集系统进行热经济学分析，从成本看，可知，各子系统的总成本中， 贫富液换热器的总成本最高，可见，整个捕集系统中贫富液换热器是一个很重要的设备，需 要投入很多的资本，并且有很大的节能潜力。继而是再沸器和再生塔的成本比较高，主要是 -9- 中国中国科技论文在线科技论文在线 因为再生塔再生需要的热量都是由再沸器汽提所供，因此，再沸器的耗热量很大，而热量的 来源在此先不研究。再生塔解吸再生过程需要足够的热能进行解吸，因此耗能量较高。继而 是再生气冷凝器的成本算高， 再生气冷凝器是把再生塔解吸出的 98℃的再生气冷凝至 40℃。 而贫液冷却器和吸收塔的成本相对来说比较低，因为贫液冷却器就是将 56℃的贫液冷却至 40℃，所以需要的热能相对较低。吸收塔的成本比较低主要是因为在吸收过程中，发生放热 反应，反应放出的热量可以作为设备热能的一个来源，因此火用成本会比较低。 参考文献参考文献 [1] 晏水平, 方梦祥, 王金莲等. 烟气 CO2吸收分离工艺再生能耗的分析与模拟[J]. 动力工程, 200727 969-974. 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The vary law of moving cost、cash equivalence and cash coefficient was achieved of 4 wandon per year carbon dioxide collected system. These procided theory basis for low carbon dioxide collected cost and system energy saving optimalization. Key wordsPower plant; flue gas; carbon dioxide; collecting system; heat economic analysis 作者简介作者简介 李停停，女，1985 年生，硕士研究生，主要研究方向是热能利用情况的分析及节能优化。