基于氨法碳捕集的燃煤机组生命周期评价

1、生命周期评价的基本理论 题 目 基于氨法碳捕集的燃煤机组生命周期评价院 系专业班级学生姓名指导教师 基于氨法碳捕集的燃煤机组生命周期评价摘 要近年来随着煤、石油和天然气等化石燃料的大量使用，燃烧后排放的温室气体大量进入大气，从而导致全球气候变暖的日益严重。而火电厂作为温室气体的主要排放源对于碳减排有着重要的责任和义务。各国的研究人员通过各种实验，努力寻求火电厂的碳减排方案，而给火电站加装碳捕集系统是目前常用的方法之一。本文主要研究基于氨法碳捕集系统，并且使用了生命周期评价方法对安装有碳捕集系统的捕集电站与无捕集电站进行评价。主要对比参数为：二氧化碳减排率，发电功率，发电成本和捕集成本。首先对氨

2、法捕集二氧化碳的原理与优缺点进行阐述，接着介绍了氨法碳捕集的主要设备和流程，然后根据生命周期评价方法的四个部分分别进行说明和计算，最后得出所涉及的主要参数，通过前后主要参数的变化，分析燃煤电站加装氨法碳捕集系统的可行性。文章最后对本文研究内容进行了总结并得出结论，另外还对氨法碳捕集系统的发展前景进行了展望。关键词：碳减排 燃煤电站 氨法碳捕集系统 生命周期评价1The life cycle assessment of the carbon capture coal-fired units based on the method of ammonia Abstract Nowadays, wit

3、h the large scale use of the coal, oil, natural gas and other fossil fuel, lots of greenhouse gases which are the production of the fossil fuel after combustion are discharged into the atmosphere leading to global warming more and more serious. Coal-fired power plant as the main source of greenhouse

4、 gases has important responsibilities and obligations to reduce the carbon emission. Researchers from different countries try their best to seek the scheme to reduce carbon dioxide emission of coal-fired power plant with different experiments. Equip the carbon capture system to the thermal power pla

5、nt is one of the commonly used methods.This study mainly search the carbon capture system based on the method of ammonia, and use the life cycle assessment to evaluate the capture power plant and the referenced power plant. The main contrast parameter is carbon dioxide reduction rate, power, generat

6、ing cost and capture cost. Firstly elaborate the principle, advantages and disadvantages of ammonia capture carbon dioxide. Secondly introduce the main equipment and process of the method of ammonia capture carbon. Thirdly according to the four parts of life cycle assessment to illustrate and calcul

7、ate separately. Finally conclude the main referred parameter, analysis the possibility to equip the carbon capture system based on ammonia method to the coal-fired plant with the change of the main parameters. The research content is summarized and concluded at the end of the article, and also look

8、forward to the future of the development prospect of the carbon capture system based on ammonia method. Keywords: carbon emission reduction coal-fired power plant carbon capture system based on ammonia method life cycle assessment 1目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 绪 论11.1 课题研究的背景及意义11.2国内外研究现状11.2.1国内研究现状

9、21.2.2国外研究现状31.3研究的主要内容与方法41.3.1研究的主要内容41.3.2研究的方法41.4 本章小结5第二章 生命周期评价的基本理论52.1引言5 2.2生命周期评价的概念52.3生命周期评价框架及步骤52.4生命周期评价的应用62.5本章小结6第三章 氨法碳捕集系统简介63.1引言63.2氨水与CO2反应的理论分析63.3 氨水碳捕集系统83.4本章小结9第四章 基于氨法碳捕集燃煤机组生命周期评价体系的构建94.1引言94.2研究对象与系统边界104.2.1研究对象104.2.2生命周期系统边界104.3清单分析124.3.1煤的运输124.3.2 发电机组的发电134.3

10、.3 氨水碳捕集系统134.4本章小结13第五章 生命周期影响评价135.1引言14 5.2CO2排放量145.3 发电机组功率计算145.3.1再生能耗计算模型145.3.2显热145.3.3 反应热155.3.4再生气带走的热量155.3.5系统再生能耗165.3.6根据碳捕集系统能耗选择抽汽级165.3.7 氨水再生系统所需蒸汽量185.3.8火电机组热经济性分析的方法205.3.9等效焓降法225.3.10回热系统的加热器类型235.3.11各加热器原始数据整理245.3.12新蒸汽的等效焓降245.3.13抽汽等效焓降，抽汽效率265.3.14碳捕集引起热力系统的变化量275.3.1

11、5循环热效率的相对变化率、绝对变化率285.3.16耦合系统的循环热效率285.4经济性分析295.4.1发电成本295.4.2减排成本295.4.3外部环境成本345.5本章小结36第六章 结论与展望366.1 结论376.2 展望37参 考 文 献37致 谢391第一章 绪 论1.1 课题研究的背景及意义工业革命以后，煤、石油的使用量逐年增加，而近些年来，除了煤和石油，天然气等其他化石燃料也被大量的使用，燃烧所产生的CO2大量排入大气,从而造成的全球气候变暖现象得到了世界各国的广泛关注，如何解决全球变暖问题成为了一项重要的议题。想要构建环境友好型社会，解决全球气候变暖问题，减少CO2排放量

12、意义重大。近些年来，中国的CO2排放量大幅度增加，排放量已经位居世界第一。而在所有的排放源中，燃煤电厂排放量最大，约占总排放量的47 。考虑到我国的能源结构是以煤炭为主，而且在未来一段时间内也不会有根本性的改变，因此，从火电厂的CO2减排工作入手，实现排放源减排成为温室气体减排工作的关键。以吸收/ 再生的循环系统捕集CO2的化学吸收法是比较接近商业化应用的CO2减排措施。氨水溶液再生能耗较低，在降低电厂CO2捕集运行成本方面有很大的可能性，是一种十分典型的CO2化学吸收剂。氨法捕集CO2与传统乙醇胺( MEA )方法相比具有很多的优势，比如，氨水作为一种脱碳溶剂对生产设备腐蚀小，得到的产物再利

13、用率高，性能好，吸收CO2容量大，在很多方面都比MEA溶液更强，具有更加长远的使用前景，已经被业界认为是化学吸收法中十分重要的研究方向。但是氨法脱碳也存在着一些问题，例如在实际电厂氨法碳捕集过程中，多种杂质会改变氨水溶液的性质，从而造成污染，其中最重要的是氨水显弱碱性，而电厂产生的烟气中包含有酸性气体，两者相遇便会发生化学反应。电厂烟气中的酸性成分在吸收过程中会与CO2反应，使吸收剂成分发生变化。如果不能将大量生成的副产物进行分解，这些副产物就会不断积累，造成解析液的大量损失，必然会影响到后续过程的循环利用。生命周期评价LCA（Life Cycle Assessment）作为把初始材料制作为成

14、品的整个过程中所有的废料输出、燃料消耗、原料使用以及过程涉及到的对外部环境改变条件进行量化的分析方法。与一般的评价方法相比，LCA的最大亮点在于它考虑的因素更加广泛，除了产品的生产，LCA还要考虑到原料的开采和传送，产品的制造、传送、再利用，生产设备的维护以及对周边环境的影响。因此，对于“基于氨法碳捕集的燃煤机组生命周期评价”的研究具有重要的意义。1.2国内外研究现状371.2.1国内研究现状刘金钊与他的合作者们通过实验模拟烟气中CO2，吸收溶剂分别为MDEA和氨水，结果表明氨水更优。如果使用的氨水浓度等于或大于7%，CO2的去除率可以达到94%。牛振祺和其他研究人员做了对比实验发现，使用喷雾

15、捕集CO2技术就能达到十分高的CO2脱除率（96.0%以上），若是增大氨水或MEA的浓度，或者提高流量，CO2 脱除率都会增大。满足一定的条件时与MEA溶液进行对比，氨水脱碳率更高。刁永与另外一些研究者共同研究了氨水洗涤脱除 CO2发现，烟气经过氨水洗涤时脱除 CO2 效率可以达95%以上，氨水对CO2的吸收能力是0.87kgCO2/kgNH3，最适合温度为33。张雷等研究人员经过研究发现，引入超重场进行强化比传统方法更能促进CO2的吸收，增加氨水质量分数同样有促进作用，但氨的逃逸量也会相应的增加，所以最优方案是把氨水配成质量分数为10%左右。马双为首的研究小组使用了鼓泡发生器，分别试验了氨水

16、质量分数、温度、CO2体积分数对脱碳率的作用。研究得到的结论是：可以通过提高氨水浓度和pH值达到增大脱碳率的目的；脱除率随着CO2体积分数和流入气流增大而下降；最适合的温度为是50 ；经过仪器分析表明，主要生成物为碳酸氢铵。 王芳通过实验研究如何使用氨水吸收烟气中CO2，他们使用的实验装置图见下图3。从图中可以看出研究人员使用增压设备，控制阀，流量监控器和容器罐获取模拟烟气，实验过程中使用补碳器和控温系统，把补碳器放到控温系统中确保反应温度适宜。使用计算机接口接受烟气数据，从而获取氨水的脱碳率。 除了对氨法补碳的研究，对燃煤电厂的生命周期评价的研究也在进行中。华中科技大学的王云对燃煤电厂的原料

17、开采，运输以及电厂的建设，发电过程进行了完整的分析和评价。除此之外，他们还对当电厂是O2/CO2循环燃烧电厂时，通过查阅，计算生命周期评价的四个部分，初步给出了O2/CO2循环燃烧电厂有一定发展前景的结论。以 1.2.2国外研究现状在国外的研究中，巴特和蒙塔采用鼓泡法研究氨水吸收二氧化碳的产物，并最终验明产物为NH4HCO3晶体，这个实验被外界普遍认可。实验结果表明氨水作为补碳溶剂单位质量的吸碳量高于MEA溶剂，再生能耗较低。理查德做了类似的实验，将MEA与氨水进行对比，同样验证出氨水作为吸收剂在补碳率和再生能耗方面都要优于MEA溶液。法国的阿尔斯通公司利用碳酸铵和碳酸氢铵的混合溶液作为吸收剂

18、对二氧化碳实现再利用，脱碳率增加显著，并且烟气中残留杂质的到去出。美国的能量跨度公司已经开发出ECO2技术（图2），通过电力促进电厂脱硫和脱销过程，吸收二氧化碳后的氨水得到二次利用，使杂质气体进一步被去除。生命周期评价的基本理论除了上述的研究实验外，部分研究人员对燃煤电站进行了部分生命周期评价，特别是对于环境的影响。这其中包括曼哈德和巴比特选择了位于印度尼西亚的一个电站，对其初始过程能源消耗，废物排放做出了分析，并且考虑了外部环境收到的影响，成本进一步提升。 综上所述，国内外学者在对于氨法碳捕集系统以及对燃煤机组生命周期评价方面研究的主要内容是氨法碳捕集的优缺点，运用生命周期评价方法对燃煤机组

19、发电成本及影响进行分析。但在对基于氨法碳捕集的燃煤机组进行生命周期评价方面尚需开展进一步研究。1.3研究的主要内容与方法1.3.1研究的主要内容 本文首先对基于氨法碳捕集燃煤发电机组生命周期评价体系进行构建，确定生命周期系统的边界条件，对发电过程进行清单分析，最后对生命周期影响作出评价。1.3.2研究的方法（1） 文献研究法通过互联网或图书馆对相关资料文献进行查阅，学习借鉴相关的研究分析的方法与过程，为构建基于氨法碳捕集燃煤机组生命周期评价体系提供理论基础。（2） 调查法通过作者对电站等电力企业的实际考察，向相关技术人员，工程师询问，以及以调查问卷基于氨法碳捕集的燃煤机组生命周期评价的形式得到

20、高校教授的讲解从而获得电力行业所需的初始数据，各种影响因素，最终完成调查结果。（3）生命周期评价法本文对燃煤电站的评价方法采用了生命周期评价法，该方法作为经济性评价方法的一种，考虑因素更加全面，可以对整个系统做出更加完善，合理的分析评价。1.4 本章小结本章首先阐述了我国所面临的严峻碳减排形势，分析出我国实现电厂碳减排是减排工作的关键，提出研究基于氨法碳捕集燃煤机组生命周期评价的重要意义。另外还总结了基于氨法碳捕集系统的特点以及对燃煤电厂生命周期评价的国内外研究现状。在本章结尾介绍了本文的研究思路和所涉及到的方法与相关理论，便于理清文章整体的结构和思路。第2章 生命周期评价的基本理论2.1引言

21、 在上一章中主要涉及的是研究的背景及研究现状，由于本文使用生命周期评价的方法对氨法补碳机组进行评价，所以要对生命周期评价的概念，步骤及实际应用作出说明，本章就是详细介绍生命周期评价的相关内容。2.2生命周期评价的概念生命周期评价作为把初始材料制作为成品的整个过程中所有的废料输出、燃料消耗、原料使用以及过程涉及到的对外部环境改变条件进行量化的评价措施。与一般的评价方法相比，LCA的最大亮点在于它考虑的因素更加广泛，除了产品的生产，LCA还要考虑到原料的开采和传送，产品的制造、传送、再利用，生产设备的维护以及对周边环境的影响。2.3生命周期评价框架及步骤 根据国家标准化组织的定义，生命周期评价的框

22、架包括定义研究内容与系统，整体规范，评价分析，结果汇总。具体结构框架图如下图：2.4生命周期评价的应用生命周期评价可用于对任何系统的全部生命周期的每一个部分进行评价与分析，可以广泛用于能源，化工，国防等产业，便于从业者们更加清晰的了解产业的整体消耗与产出，从而进一步推断行业发展前景。根据国家标准化组织的定义，生命周期评价的框架包括定义研究内容与系统，整体规范，评价分析，结果汇总。从最初的原料开采运输，到中间过程厂房设备的建设与购入，再到生产过程的消耗与排放，最后考虑对环境的影响，整个过程的生命周期评价已经得到了广泛的使用。由于其考虑因素十分广泛，具有很高的可靠性，未来仍然具有良好的发展前景。2

23、.5本章小结 生命周期评价与传统分析方法相比系统分析范围更广，考虑因素更加多元，根据国家标准化组织的规定分析过程包含四个步骤。由于其可靠性高，操作性强目前已被广泛的使用于各种系统热力性和经济性分析中。第3章 氨法碳捕集系统简介3.1引言 介绍完分析方法，下面对分析的对象：氨法碳捕集系统进行简单的介绍。首先是氨水捕集二氧化碳的原理，其次是氨法碳捕集系统的设备和捕集过程，这些是本章的主要内容。3.2氨水与CO2反应的理论分析二氧化碳是酸性气体，氨水显示弱碱性，因此二者混合必然会发生中和反应，在标况下，主要生成物为氨基甲酸铵，氨基甲酸铵易溶于水，得到新的生成物为碳酸铵，反应过程中有两相中的相对流动，

24、但是相对速度不是很大，伴有传热传质过程，而其中液相占主导地位，氨基甲酸铵首先发生了水解反应，具体的反应过程见一下反应方程式：CO2NH3 NH2COOH (1)NH2COOHNH3 NH2COONH4 (2)NH2COONH4H2O NH4HCO3NH3 (3)NH4HCO3NH3(NH4)2CO3 (4)NH2COONH4CO2H2O 2NH4HCO3 (5) 反应开始发生后，氨基甲酸铵迅速生成，主要存在于液相中。在反应刚刚开始的一段时间内，反应速率可控，由传热传质学的研究可以得知，增大反应物混合接触面积可以在促进反应的发生。氨基甲酸铵的水解过程受到很多因素影响，难以快速进行，其中大部分过程

25、在液相中发生，氨水吸收的二氧化碳体积分数与氨水质量分数比值的增大会使得吸碳率受到约束。反应发生后，会出现一些其他反应伴随其中，具体反应如下：CO2H2O H2CO3 (6)H2CO3NH3NH4HCO3 (7)需要注意的是，生成物碳酸酸性较弱，形成过程用时较氨基甲酸铵生产过程长，并且容易分解。综上所述,在氨水捕集CO2过程中,吸收液中可能存在的成分有CO2, H2O, NH4H2O, H2CO3等分子及4NH+, H+, OH-, NH2COO-,3NHCO-等离子.在这些成分中CO-的含量始终比NH2COO-,3HCO-低得多。氨水溶液质量分数和吸碳量的变化会得到不同的物质。氨水的质量分数较

26、低时产物主要是碳酸盐，当提高相应的数值时氨基甲酸盐大量生成。在整个过程中,当吸收二氧化碳率小于0.5时,反应过程的主要生成物是氨基甲酸铵;当吸收二氧化碳率大于0.5时,氨基甲酸铵水解,氨基甲酸铵结晶大量生成。在氨水捕集二氧化碳时，气液两相中二氧化碳互相交换扩散，在整个溶解过程中与相关理论相一致，符合科学定论。关于如何促进吸收剂对二氧化碳吸收的问题，研究人员表示通过目前的研究表明增大两相混合体积或者添加催化剂均可实现目的。世界各国政府对燃煤电站都要求降低二氧化碳的排放量，相关的捕集二氧化碳技术总体来说主要有三种，基于氨法碳捕集系统作为其中的一种方法具有吸收效率高，再生能耗低的特点，并且对设备损害

27、低，维护成本和对外界环境的损害都比其他方法低，不仅如此，氨法补碳在去除杂质气体方面有一定的优势，所以将氨法碳捕集进行大规模的商业化使用得到业界的广泛认可，相关的研究推广还会继续进行。氨水吸收二氧化碳的物质交换和反应过程属于吸收反应，具体物质交换过程如下图所示：3.3 氨水碳捕集系统氨水碳捕集系统如下图6-1所示，在吸收塔中,烟气自下而上流动,与从塔上部流进的吸收液相互逆流从而充分接触，使得C02得到脱除，烟气经过脱碳后从塔顶排出。由于吸收液中的一部分氨气会随着烟气一起排放出去,去除碳后的烟气需要进一步进行水洗涤。洗涤水可以得到循环利用,氨在洗涤水中不断富集,一部分洗涤水需要被并流入富液中送去再

28、生塔得到再生。氨水吸收二氧化碳后的溶液经过水泵输送到塔体内，中间经历热量交换过程，设计此环节的目的是降低能耗，对新溶液进行冷却。流经换热器后的富液中仍然包含碳酸氢按等固体,有必要对其进一步加热，加热后的固体将会溶解,同时也要使再生塔内温度符合要求。吸收完二氧化碳的氨水溶液由塔体上部输送装置输入塔内，进行热量交换后释放出二氧化碳，然后进行再次加热，完成深度释放二氧化碳。二氧化碳逸出吸收液后，吸收液由塔体底部流入热交换装置进行热交换，最后通过水泵加压返回吸收塔完成循环过程。由于再生塔有较高的温度,氨气会随着C02逃逸出塔顶,在再生气体分离塔分离氨气和C02就很有必要,可以在再生气分离塔顶设置除雾板

29、,从而实现捕集水汽雾滴的目的。从再生分离塔流出的溶液,部分得到循环利用,最后进入再生塔再生。3.4本章小结 从化学反应原理出发说明氨水与二氧化碳反应从而实现氨法脱碳，接着详细介绍了氨法碳捕集系统的设备和实际捕集过程，并配有捕集示范装置工艺流程图。将整套设备加装到燃煤电站中就把电站改造为捕集电站，以下的分析就是将改造前后的电站进行对比分析。第四章 基于氨法碳捕集燃煤机组生命周期评价体系的构建4.1引言 有绪论中的研究背景及现状可知，对基于氨法碳捕集系统的燃煤机组进行生命周期评价的研究有限，因此有必要对其进行进一步的探索。由上文可知生命周期评价分析过程包含有四个阶段，本章就是据此具体的把这四个阶段

30、展开，逐步构建出基于氨法碳捕集系统的燃煤机组生命周期评价体系。4.2研究对象与系统边界4.2.1研究对象本文以2600MW燃煤机组为基本单位，配备以氨水溶液为吸收剂的碳捕集系统，并对整个系统进行生命周期评价。4.2.2生命周期系统边界本文以国内某超临界2600MW燃煤发电系统为研究对象，对该系统进行配加氨水碳捕集系统改造，整个发电系统的边界可以定义为：1.电站从投资建厂到投产发电直至最后的报废退役的整个生命周期，其中有原料的开采和传输，设备的购入，电力的产出与并网等过程。2.氨水碳捕集系统生命周期，即系统投资与建成、投入生产和废弃三个阶段。该燃煤电厂的系统边界设定和主要参数见下图1和表1.设计

31、煤种的煤质分析数据见表2.本文重点分析煤的运输、发电机组的发电和氨水碳捕集系统3个单元阶段，重点分析这3个阶段的资源和能源消耗以及回收和排放情况。表1 2600MW燃煤电厂主要参数Tab1 Main parameters of the coal fired power plant参数数值参数数值电厂发电容量/MW600厂用电率/%5.05满负荷年净发电量/MWh3106电站煤使用量/（t/h）220.15发电效率/%42.2电厂建设周期/a3表2 设计煤种的煤质分析成分单位含量收到基碳含量Car%61.50收到基氢含量Har%3.30收到基氧含量Oar%10.84收到基氮含量Nar%0.60收

32、到基硫含量Sar%0.46收到基灰含量Aar%7.00收到基水含量Mar%16.30干燥无灰基挥发分Vdaf%30.42低位发热量Qar,netMJ/kg23.254.3清单分析4.3.1煤的运输 由表1可得电站煤使用量220.15t/h,采用氨法碳捕集系统再沸器能耗1.87GJ/tCO2,电站CO2排放量为0.435kg/(kwh)，碳捕集系统CO2脱除效率按90%计算，可得到再沸器能耗1.2216105kwh/h,折合为耗煤量44.82t/h。假设燃煤由500km的开采地运输到电厂，在计算燃煤运输过程中的成本时，可以认为消耗源为火车的内燃机和汽车的发动机。火车消耗柴油量41g/(tkm),

33、汽车耗费汽油量51g/(tkm),假定汽车运输和火车运输分别占燃煤总运量的30%和70%，运输距离为500km。由于发电机组连续生产，煤的消耗属于连续消耗，则运输时应尽量满载，因此，燃煤机组用煤220.15t（1h总耗煤量）运输距离为500km的煤可折合运输距离为1km运输量为1.1105t，则消耗汽油1.683t，柴油3.157t。内燃机的排放物本文只考虑CO2的排放，汽车载重为10t，火车载重为1300t。汽油机CO2排放量为170g/km，柴油机CO2排放量为150g/km。汽车运输距离=1小时总煤耗0.3/汽车载重500火车运输距离=1小时总煤耗0.7/火车载重500燃煤机组每小时用煤

34、需汽车运输3302.25km，火车运输59.27km，排放CO2570.273kg。4.3.2 发电机组的发电发电过程用煤量为220.15t/h，CO2排放量为261000kg/h，每小时发电量6105kwh。 再发点过程中不可避免的会出现一些电能消耗，比如煤粉制备，脱硫，电除尘等过程，这些电能的消耗可以认为是额外的二氧化碳排放，规定为电厂自身用电量的5.05%。4.3.3 氨水碳捕集系统氨水碳捕集系统如下图6-1所示，在吸收塔中,烟气自下而上流动,与从塔上部流进的吸收液相互逆流从而充分接触，使得C02得到脱除，烟气经过脱碳后从塔顶排出。由于吸收液中的一部分氨气会随着烟气一起排放出去,去除碳后

35、的烟气需要进一步进行水洗涤。洗涤水可以得到循环利用,氨在洗涤水中不断富集,一部分洗涤水需要被并流入富液中送去再生塔得到再生。氨水吸收二氧化碳后的溶液经过水泵输送到塔体内，中间经历热量交换过程，设计此环节的目的是降低能耗，对新溶液进行冷却。流经换热器后的富液中仍然包含碳酸氢按等固体,有必要对其进一步加热，加热后的固体将会溶解,同时也要使再生塔内温度符合要求。吸收完二氧化碳的氨水溶液由塔体上部输送装置输入塔内，进行热量交换后释放出二氧化碳，然后进行再次加热，完成深度释放二氧化碳。二氧化碳逸出吸收液后，吸收液由塔体底部流入热交换装置进行热交换，最后通过水泵加压返回吸收塔完成循环过程。由于再生塔有较高

36、的温度,氨气会随着C02逃逸出塔顶,在再生气体分离塔分离氨气和C02就很有必要,可以在再生气分离塔顶设置除雾板,从而实现捕集水汽雾滴的目的。从再生分离塔流出的溶液,部分得到循环利用,最后进入再生塔再生。4.4本章小结 本章首先指出了研究对象并构建了系统的边界，接着按照步骤对研究对象进行了清单分析，通过分析列出了电站所用的煤质，发电量，耗煤量，煤的运输过程中能源消耗和碳排放量，为最终的成本计算奠定了基础。第五章 生命周期影响评价5.1引言 在上一章中对指出了研究对象，构建了系统边界，进行了清单分析，本章在以上基础上完成最后的成本计算，并计算求出改造后的捕集电站二氧化碳减排量和发电功率的变化量。5

37、.2CO2排放量全生命周期燃煤电厂排放CO2为261570.273kg/h，其中电厂运行排放所占比重约为99.78%，燃料运输排放所占比重约为0.22%。在此基础上对系统进行加装氨水碳捕集系统改造，按CO2捕集效率90%计算，在不考虑压缩运输阶段情况下，改造后的全生命周期CO2排放量为26670.273kg/h，其中电厂运行和燃料运输排放所占比重分别为97.86%和2.14%，全生命周期内捕集CO2量约为234900kg/h,减排率可达89.8%左右。从计算结果可以看出加装氨水碳捕集系统可以使燃煤电厂有效控制温室气体的排放。5.3 发电机组功率计算5.3.1再生能耗计算模型在相关的研究再生补碳

38、后氨水的试验中使用了热油作为加热源使二氧化碳逸出从而重新得到原溶液，其过程中吸收的热量可以通过下面的式子求得： 式中、分别为： 吸收剂富液再生时的总能耗， kJ/h； 富液升温所需显热， kJ/h； 解吸 CO2 所需的反应热， kJ/h； 从再生塔排出的再生气（ H2O， CO2）所带走的热量， kJ/h。5.3.2显热 富液升温所需的显热可用下列公式计算： = 式中 分别为： 吸收剂溶液的定压比热容，kJ(kgK)，一般取4187 kJmol； 吸收剂溶液的循环量，molh； 贫富液热交换器的性能因子，即富液再生时的升温幅度，K。在式中，吸收剂溶剂为氨水溶液，其混合溶液的定压的计算公式为

39、， CNH3为氨水溶液中氨的比热容，kJ/（kgk）;Cwater为水的比热容kJ/（kgk）。 =K= K; 即= K. 式中：表示烟气中的摩尔流量，molh； 的脱除率，； 吸收液的实际负荷能力，molmol； 吸收剂富液和贫液的负荷能力，molmol； K吸收液循环倍率，一般可取1120； 吸收液中活性成分的质量浓度，； 吸收液中活性成分的摩尔质量，kgmol5.3.3 反应热反应热可以定义为促使氨水与二氧化碳反应生成物分解吸收的热量，由下式表示： = 式中： 产量，molh； 单位再生所需的平均反应热，kJmol5.3.4再生气带走的热量在吸收二氧化碳后的氨水溶液进行再生时，逸出气体会

40、使部分热量散失，而外部循环流又送入另一部分热量，则 表示为： 在近似计算中，外部循环流入的热量忽略不计，则上式可变为： = R 式中：R解吸塔上部的回流比； 某一温度下水的蒸发热kJ/mol； 、o离开再生塔的气体和冷凝回流水的焓值，kJmol = R 离开再生塔的水蒸汽量，molh5.3.5系统再生能耗系统再生总能耗就是补碳后的氨水溶液温度升高吸收的热量，补碳反应生成物分解过程吸热与散失热量的总和，其表达式为： 则单位再生能耗计算表达式为：根据以上能耗计算模型以及捕集系统操作参数，当 CO2 的脱出率为 90%、吸收剂氨水质量分数为15%时，由烟气流量和解析参数可求出碳捕集系统能耗，算出见下

41、表能耗计算汇总参数数值168.20357.28264.82628.321.875.3.6根据碳捕集系统能耗选择抽汽级 就本文研究的氨法碳捕集燃煤机组系统，从汽轮机组满足一定温度和压力的级间抽气可以为氨水再生提供热量。但是汽轮机级间抽气会影响到原有抽气量，这时可以进行多段组合抽气或者其他方法给再沸器提供热量。氨水溶液在高温条件下容易腐蚀和挥发，为防止 氨水溶剂的高温腐蚀和挥发，再沸器内富液温度一般控制在100，换热器侧换热温差为 10，则相应的蒸汽侧温度取 110，对应的饱和蒸汽压力为 0.14MPa。 由蒸汽参数从汽轮机抽汽级选取合适的沸腾器抽汽点，下表给出了600MW机组THA工况运行各段蒸

42、汽参数，从表中数据可得并不是汽轮机的每段抽气都符合要求，如果从汽轮机的第七和第八段抽气，则饱和温度过低，第六段抽出的蒸汽压力过低，所以不可以从以上述段中抽气，而来自第一段到第五段的抽气品质不能满足要求。综合考虑整个过程所需消耗能量与物质的特征，用于加热的抽汽品质选择降低，由此选择第四段或第五段较为合适，但是如果考虑到再沸器中消耗的热量所对应的蒸汽总体积，若从第五段抽气不能满足相应蒸汽。综上所述，为了使发电机组安全运行，碳捕集系统正常发挥作用，以下的计算是从汽轮机第四段抽气为再沸器提供热量。抽汽温度为367.5超过沸腾器蒸汽侧温度，通过喷减温水降低过热蒸汽温度。从汽轮机抽出的蒸汽对再沸器加热，放

43、热凝结为液态水后循环回流入回热系统，保持一定的汽水比例。常规超临界600MW燃煤发电机组配装上氨法碳捕集系统图如下： 600MW机组THA工况运行各段蒸汽参数抽汽级数 温度 压力Mpa 质量流量Kg/h 允许最大抽汽Kg/h一级370.9 6.687 113999二级 315.9 4.434 140686 三级 468.8 2.133 66930四级至除氧器 367.5 1.069 86255 四级至小机 367.5 1.069 91997五级 234.6 0.363 4548六级 168.8 0.197 44189七级 104.4 0.099 44003八级 78.5 0.045 78189

44、 132696 162526 76583 9721510202352234515365799684857碳捕集体统和600MW机组热力耦合图5.3.7 氨水再生系统所需蒸汽量再生塔中CO2从混合溶液中解析还原氨水所需要的蒸汽量为 式中：为再生塔中氨水再生所需蒸汽量,t/h； H为再沸器蒸汽侧进出口焓差， kJ/kg图4 汽水热交换图 机组抽汽和减温水混合、交换热量达到解吸塔需要的蒸汽，蒸汽和水的热交换如图所示。 由热平衡方程，可得蒸汽和水的热交换式： 整理得， 式中：再沸器蒸汽侧汽轮机抽汽量，t/h再沸器蒸汽侧汽轮机抽汽焓，kJ/kg再沸器蒸汽侧喷水减温量，t/h；再沸器蒸汽侧减温水焓，kJ/

45、kg再沸器蒸汽侧汽轮机抽汽喷水减温后的焓，kJ/kg。其中，机组抽汽、减温水、汽水热交换后以及再沸器出口的参数如下表所示 汽水热交换参数项目温度/压力/Mpa焓/ kJ再沸器出口367.532.81101001.06900.140.103191.41402691.08419.06根据上述公式及上表中参数联立解得氨水解析系统所需的总蒸汽（ ）、喷水量（）、汽轮机抽汽量（），汇总于表7。 表7 蒸汽和减温水的流量 参数数值/ /276.55 45.34231.205.3.8火电机组热经济性分析的方法燃煤电站在平时机组的运行与维护中为了保证安全，高效，及时，对于机组的热经济性分析有着十分重要的作用。

46、燃煤机组设备庞大，繁复，系统构成十分复杂，简单的热力性能分析不能系统全面的对各种参数进行总结，评价与分析。如今的大机组燃煤电站都配有回热系统，回热系统十分复杂，机组热经济性分析力求将问题简化，更加方便的获得相关参数的变化量，从而分析出影响系统的各种因素，算得热经济性参数。通过反应中的能耗与物质反应率可以做出以下两种分类：(1)热量法：计算燃料的发热量与利用率，通过分析反应过程，参考热力学第一定律，做出相应的热经济性分析。这个方法便于观察，可视性强，许多国家采用这种方法分析系统的热经济性。在中国的研究机构，高等院校，实验室常常使用等效焓降法或是循环函数法都属于这一范畴。(2)娴分析法：燃料燃烧反

47、应放热后，化学能转化为热能，热能转化为对应功，该方法对做功率进行评价，理论上参考热力学第一定律和第二定律。理论上提高能量利用率需要综合考虑能量的量和质，而其中质是重中之重，有相关理论表明能量传递与转换过程中都伴随着作功能力的损失，燃煤电厂是一个大型的能量转换场所，该方法完全适用于燃煤机组的热经济性分析，对于设备的维护与改造有重要意义。不论是热量法还是做功能力法在一定程度上都可以用于供热机组经济性分析计算，下面将对各种方法加以阐述。热量法:热平衡法热平衡法使用领域较广，根据热力学定律和守恒定律对系统列出热力性能方程，计算过程需要一定的技巧，相关参数随着系统条件的改变而变化。在计算氨法碳捕集系统富

48、液再生所需抽气量时，热平衡法实用性强，便于数值解析，有利于获得不同情况下的理论抽气量。燃煤电站机组热经济性分析方法的基础就是热平衡法，因此热平衡法在热经济性评价方法中有着重要作用。热平衡简捷法上文对热平衡法作了简要的说明，而热平衡简捷法就是前者的扩展，同时增加了几个热力学参数及热力学反应式，使得计算更加方便。从本质上来看，热平衡简捷法与前者相比并未发生改变，真正的变化只是在于算法上得到了提升，所以在使用这个方法时更加快捷，放便，有利于引入相关程序计算。等效焓降法等效热降法是在1960年作为一种热力学分析法由外国学者提出的，后经过我国研究人员的丰富和发展，等效焓降法得到不断的补充和完善。近些年来

49、，在电厂减排工作方案的制定过程中，相关工程技术人员在分析减排方案对电厂发电效益影响时常常使用等效焓降法进行分析评价。经过近些年来的不断完善，等效焓降法优点显著：便捷，结构清晰，分析结果准确性高。在本文的计算部分就是一等效焓降法作为理论基础进行发电机组热力性能计算的。矩阵法第三次工业革命完成后，计算机更新发展十分迅速，人们计算数据时越来越依赖于使用计算机编辑程序实现快速而准确的计算。在燃煤电厂机组热经济性计算方面也不例外，矩阵法也就应运而生了。矩阵法顾名思义就是使用矩阵来表述热经济性，在计算抽气量或者其他热力性能指标时，使用矩阵法结合计算机编程能迅速，准确的求得所求的各个参数。循环函数法1950

50、年随着加热单元的提出，循环函数法紧接着被提出，对简化热力学计算做出了重大贡献。该方法同样以热力学第一定律为基础，分别对每个加热单元的冷源损失进行定量分析，燃煤电厂的热力系统十分复杂，循环函数法将整个系统进行分割，对于供热机组有主循环与辅助循环之分。在实际计算过程中，计算要遵循一定的步骤，由主到次，循序渐进，尤其是对于做功问题，凝汽式与背压式机组在使用循环函数法时十分方便，所以在这种情况下进行热力性能计算常常使用循环函数法。(2)做功能力法熵分析法熵的概念在热力学中有着重要地位，而熵分析法正是基于此概念对系统的熵产进行求解和分析。熵产是熵分析法中重要的的参考参数，直接关系到评价热力系统性能的分析

51、结果。与等效焓降法类似的是熵分析法同样使用方便，针对性强，但缺点也很显著，熵本身作为一种非能量性的单位，在一般情况下不能分析热力系统的成本。炯分析法二十世纪五十年代，炯由著名物理学家兰茨提出，随后相关的热经济性原则与应用分析方法逐渐受到广泛的关注。尤其是对于热能与动力工程学科中能量传递与转换的分析与计算问题，使用炯分析法并且依据热力学第一和第二定律把能量的量与质相结合。炯分析法起源于欧洲，随着世界学术交流日益频繁，进而被推广至全球，并在电力行业中得到广泛的使用。在分析过程中炯效率也是一个重要的参考指标，与热力系统能量转换和做工过程密切相关，但是同样值得关注的是炯也是个抽象的概念，在复杂条件和多变环境中会使得分析计算十分困难。因此研究人员仍在进一步补充和完善炯分析法，期望可以避免这些缺陷。热经济学法热经济学法还不是十分成熟，研究人员仍在继续完善并拓展相关的概念和框架，从字面意思可以看出热经济学法包含有热力学概念和经济学分析方法。但就总体而言，娴技术经济学法作为热经济学法中的重要部分目前相对其他理论更加成熟，完整性更高，使用范围更加广泛。通过以上对各种分析方法的列举，把热量法与作功能力法相比较可以清楚的看出热量法更加便于理解和掌握，而后者比较抽象，使用起来存在着一定的困难，因此，在实际分析过程中热量法更加常