热泵技术在火电厂CO2减排中的应用研究
张冰
（辽宁建筑职业学院，辽宁辽阳111000）
是以煤炭为主，燃煤的电力和热力全业的二氧化碳排放量约占一年.利用热系技术回收汽轮机 摘要：二氧化碳气体被普遍认为是导致全球气候变暖的重要原因之一.我国的一次能源乏汽余热，将热量用于MEA溶液的再生，可以降低火电厂的碳捕提成本.以600MW机组为例，安装改进型碳捕捉装置的机组热效率与安策原碳捕捉装置的机组相比，得到安装改进型碳捕捉装置的机组热效率有明显提高.对于改进型碳捕捉系统，碳捕捉率为90%时所需的抽汽量为 317.04t/h，热效率下降7.35%，比传统的方法提高5.41%.随着碳捕捉率的变化，湿冷机组效率变化曲线的斜率比直接空冷机组大，但随着碳捕捉率的增大，二者的差距越来越小.
关键词：二氧化碳捕捉；余热利用：热泵技术；经济性分析
中图分类号：TK227.6文献标志码：B文章编号：1009-3230（2013）10-0032-07
TheAppliedResearchaboutHeatPumpTechnologyUsedfor Carbon EmissionReductioninThermalPowerPlant
ZHANG Bing
Abstract:The carbon dioxide gas was revealed generally one of substantial cause global climatewarming. The msin primary energy of our country is coal and the enterprises′ carbon dioxidedischarge poses half approximately. The turbine exhsust steam afterheat msy be used by heatcapture cost. As 600MW units for example through paring the thermal effciency of the unit pump technology and the heat is used for the regeneration of MEA solution to reduce the carboninstalled advanoed carbon seizure device and the unit installed advanced carbon seizure device theresult indicstes the original carbon seizure device the result indicates the thermal effciency ofinstalled advanced carbon seizure device have distinet enhancement. For the advanced carbon system the steam extraction quantity is 317. 04 t/h when the carbon capture rate is 90% and the thermalefficiency drops 7. 35% enhancing 5. 41% pared to the traditional method. Along with theaqo uoua o doa u dthe direct air - cooled unit but the two's disparity gets smaller along with carbon capture rale enlargement.
Key words: Carbon capture; Waste heat utilization; Heat pump technology ; Eicient analysis
年上升的较快，温室效应气体排放量已居世界第我国是世界上最大的发展中国家，由于我国二，到2030年，我国的排放量将达到全球排放量的快速发展，国家的能源消耗及二氧化碳排放逐的33%，面临控制湿室气体排放的巨大压力.以化石燃料为主要能源的火电厂是CO的一个集中排放源，占其排放总量的30%左右.研究
早10
量用于加热富液使其温度升高，从而可以减少汽轮机低压抽汽量.
火电厂CO的捕集及其资源化技术，对于控制和13%.利用热泵回收汽轮机乏汽余热，将该热减少温室气体的排放具有重要意义.
烟气二氧化碳捕集技术是澳大利亚联邦科学转集中排放源火电厂排放烟气分离利用CO，被认为是现阶段最具有操作性的CO减排法.该自技术对烟气中的二氧化碳吸收率超过85%，是目前燃煤电厂大范围降低二氧化碳排放的唯一可行的方法.火电厂排放烟气中CO体积分数大约占12%~16%，分压较低，选用化学吸收法较为合适.由于其吸收剂的再生能耗较大，如果采用汽轮机低压抽气为其供热，将会使电厂的热效率合适的方法来解决捕捉系统能耗大的问题.
工业研究所组织（CSIRO）最新的科研成果.从1.2热泵技术
热泵是一种制热装置，该装置是以消耗少量的电能或燃料能为代价，将大量的无用低温热能变为有用的高温热能-.它与钢炉、电加热器等普通制热设备相比，其优点是消耗少量电能或燃料能，即可获得大量的所需热能.对于凝汽式发电机组，汽轮机排汽在冷凝时要放出大量的热量.汽轮机排汽的冷却方式有循环水冷却和空气冷却两种方式，即湿冷和空冷.对于湿冷机组，由下将较多.所以需要对捕捉系统进行优化，找到于用于冷却汽轮机排汽的循环水量大，所以电厂不仅会向大气排放出大量的热量，而且还损失大1利用热泵技术改进二氧化碳捕提量的水资源.国内发电厂多数为凝汽式发电厂，这类发电厂中50%以上的能源热量被凝汽器循环水带走.以国内某N300-16.7/537/537机组为例，在额定工况下其循环水量为30560vh，经计算能源热量中被循环水带走的热量为1330GJ/h.如果能将循环水余热利用起来，将会大大增加电厂的经济效益和社会效益.
系统
1.1MEA溶液的再生能耗
由于乙醇胺（MEA）溶液具有吸收二氧化碳速率快、吸收负载大、较为稳定等特点，所以其被作为吸收剂的应用最为普遍.以MEA溶液为吸收剂的吸收法的主要制约瓶颈是解吸能耗过高.已吸收二氧化碳的MEA溶液在加热条件下使二氧化碳从MEA溶液中解吸出来，其中解吸能耗占整个流程能耗的70%-80%.在解吸过程中，一般采用低压蒸汽为其供热，以实现吸收剂的再生.通过ASPENPLUS模拟，在MEA溶液的质量分数为40%时，系统的最小解吸能耗为3.124GJ（tCO）-.这样的加热模式使得蒸汽的热能不能被充分利用，所以寻求其他高效率的加热模式更为重要.
1.3利用热泵技术改进二氧化碳捕捉系统
将高品位的汽轮机抽汽先通过小汽轮机，再将该饱和蒸汽用于再沸器的供热，而小汽轮机可以用于带动蒸汽压缩式热泵机组的压缩机.汽轮机抽汽经过小汽轮机做功后变为130℃的饱和蒸汽，再将该饱和蒸汽用于再沸器的供热.在再沸器中放热后的蒸汽凝结为120℃的饱和水.为了减小抽汽对汽轮机组热效率的影响，将该疏水引人汽轮机回热系统的疏水管路，改进的二氧化碳捕捉系统如图1所示.在图1中，从贫富液热交于MEA溶液的再生能耗高，所以用汽轮机低压抽换器出来的富液经过加热器被加热后进人再生汽为其供热将会使机组的热效率下降6%～塔，该加热器通过热管与热泵的冷凝器连接，热泵
基于化学吸收法的二氧化碳捕集系统中，由
的冷凝器放热通过热管传送给富液加热器，即热管的冷端在冷凝器中吸热，热端在加热器中放热；
2改进的二氧化碳捕捉系统的热经 济性计算
2.1等效给降法
等效热降首先由库兹湿佐夫提出，并在二十世纪七十年代逐步完善、成熟，形成了完整的理论体系.等效热降法是基于热力学的热功转换原理，它是用以研究热功转换及能量利用程度的一种方法.等效热降法可以用于整体热力系统的计算，也可以用于热力系统的局部分析.该方法不需要全盘重新计算就能查明系统变化的经济性，即用简捷的局部运算代替整个系统的繁杂计算.
2.2新蒸汽以及抽汽的等效蛤降
对于纯凝汽式汽轮机，1kg新蒸汽的作功等于新蒸汽的降.
对于有回热系统的汽轮机，1kg新蒸汽的作功
式中：h.为蒸汽进汽轮机的焙，A为汽轮机的排汽炫，a为抽汽系数，Z为抽汽级数.通过比较两式，可以看出这个作功是1kg新蒸汽的实际作
图1利用热泵技术改进的二氧化碳捕捉系统图
(1)
(2)
从面完成利用汽轮机乏汽余热来加热富液的过程.
功，比纯凝汽式新蒸汽的饸降小.为了和纯凝汽式热降H区别，称这个作功为等效热降.
在抽汽回热系统中，经常有热量或工质进出系统，从面对某些加热器的抽汽量受到影响.如一个纯热量q进人某级加热器中，使该级加热器的抽汽减少，减少的这部分蒸汽称为排挤抽汽.由于这部分被排挤的抽汽中有一部分作功到汽轮机的出口，另外一部分作功到后面各抽汽口再被抽出用于加热给水.抽汽的等效饸降以H，表示，计算式如下：
式中：A，一根据加热器的形式取，或y.;一加热器后更低压力抽汽脚码.
抽汽效率n定义为作功与加入热量之比，它反映任意抽汽能级处热变动的程度.
式中：q.为排挤1kg抽汽需要加人的热量，H，为等效恰降.
目前，大型火电机组都为中间再热机组，由于有再热吸热量o，新汽及抽汽的等效热降的计算
(3)
(4)
不同于非再热机组.再热机组的等效热降分为定热量等效热降和变热量等效热降，两种方法的分析计算方法虽不同，但所得到的结果是相等的，文中以定热量等效热降来计算.由于再热热段到冷凝器之间的任何排挤抽汽都不经过再热器，因而其抽汽等效热降的计算同非再热机组.再热冷段到新蒸汽之间的任何排挤抽汽都要经再热器吸热，所以排挤抽汽在汽轮机作的功为加人热量4：和再热器吸热两部分的作功.当冷段抽汽的加热器是疏水放流式时，抽汽等效热降为：
2.3600MW机组计算举例
目前，大型火力发电机组分为湿冷机组和空冷机组，而空冷机组又分为直接空冷机组和间接机组为例进行计算分析. 空冷机组.文中以600MW湿冷机组和直接空冷
600MW湿冷机组的技术规范为：N600-24.2/566/566，超临界、中间再热、双缸双排汽，额定再热蒸汽压力/温度为4.01MPa/566℃C，额定主蒸汽流量为1397525kg/h，其回热系统包含有3个高压加热器、1个除氧器和4个低压加热器.回热系统共有8级回热加热器，8个加热器沿给水温度升高的方向依次编号为1-8号.为MEA溶液再生供热的抽汽由第五级抽汽段抽出，经小汽轮机做功后再进人CO捕捉系统的再沸器，抽汽冷凝的疏水引人某级加热器的疏水管.
(5)
当冷段抽汽的加热器为汇集式时，
600MW直接空冷机组的技术规范如下：型号：NZK600-16.67/538/538，主要技术参数为：额定功率600MW，额定主蒸汽流量1828.22t/h，额定主蒸汽压力和温度为16.67MPa、538℃，额定再热蒸汽压力和温度为3.323MPa、538℃C，额定背压为15kPa.机组的回热系统共有7级加热器，三个高压加热器、三个低压加热器和一个除氧器.
(6)
式中：a为1kg蒸汽的再热吸热量kJ/kg；n.为汽轮机装置的效率；m为汇集式加热器编号.以通过再热器的工质为1kg来计算再热机组的新蒸汽等效热降，则新蒸汽的毛等效热降为：
，n，kJ/kg.（7)
在考虑热系统的各种辅助成分的作功损失∑II后，可以得到新蒸汽的净等效热降为：
在这个工况下，汽轮机的热效率为47.8%，将上述数据代人公式（4）、（5）和（6）可得，各段抽汽的等效热降和抽汽效率见表1.
(8)
表1
各抽汽段的等效热障和拍汽效率
1段 2段 3段 4段 5段 6段 7段 8段等效结降 264.1 364. 13 477.55 583.97 810.38 936.38 703.47 729.68推气效率 0.1098 0.1545 0.1991 0.2402 0.3100 0.3640 0.3428 0.3737
600MW直接空冷机组在不同工况下的热效率变化
在THA工况下，汽轮机的热效率为45.68%，由式（4）、（5）和（6）可得，各段抽汽的等效热降和
万方数据
抽汽效率见表2.
表2
各抽汽股的等效热降和拍汽效率
等效结降H 270.9 1段 364.84 2段 456.39 3段 665.99 4段 826.80 5段 738.91 6段 1060.06 7段抽汽效率 0.111 0.153 0.189 0.257 0.320 0.347 0.516
在这个工况下汽轮机进汽烙为3397.3k/kg，排汽恰为2423.2kJ/kg，将以上数据代人式（7）可得新蒸汽的毛等效热降为1216.038kJ/kg.系统的各种辅助成分的作功损失为25.09kJ/kg，由式
（8）可得新蒸汽净等效热降为1190.944kJ/kg.当碳捕提率分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%时，抽汽引起的作功损失及热效率下降结果见表3.
THA工况下，抽汽引起的作功损失及热效率下降
挑获的CO0/1h-1碳捕提率/% 90 383.175 拍汽量/kgb"1总作功损失/Jkg1效率相对下降/% 338640.1 127.7231 12.01284 效率绝对下降/% 5.488480 340.6 301013.4 113.5316 10.53743 4..025 263386.8 99.34015 9.100385 4.157860 255.45 225760.1 85.1487 7.700223 3.518150 212.875 170.3 188133.4 150506.7 56.7658 6.33544 5.005016 3.518140 30 127.725 112880 42.57435 3.707374 2.8946 2.286720 85.15 75253.36 28.3829 2.441412 1.693810 42.575 37626.68 14.19145 1.205984 1.1154
40%、50%、60%、70%、80%和90%时系统的热效率见表4.
在这个工况下，碳捕捉率为0时系统的热效率为45.68%，碳捕提率分别为10%、20%、30%、
不同的碳捕捉率条件下系统的热效率
表4
碳捕捉率/% 90 80 60 50 40 30 20 10热效率/% 40. 199 40.873 41.530 42.169 42.793 43.401 43. 994 44.572 45.137
将600MW湿冷机组和直接空冷机组系统热效率进行对比，对比结果如图4所示.从该图可以看出，湿冷机组的效率变化曲线的斜率比直接空冷机组的大，但随着碳捕捉率的增大，二者的差距越来越小.
表5.
在75%THA工况下，碳捕捉率分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%时，抽汽引起的作功损失及热效率下降结果见
图4600MW两种机组在不同碳捕提率条件下系统热效率对比
