基于Aspen Plus的分级增压富氧燃烧系统能耗与水耗分析优化

发布时间：2020-08-23 11:23

【摘要】：富氧燃烧技术作为具有重要应用前景的CO_2捕集、封存与利用技术之一,在世界范围内引起了广泛研究。本文选取经济性上更具优势的分级增压富氧燃烧系统基于过程模拟软件Aspen Plus进行建模,从系统的能耗分析、压力评价、集成优化、水耗分析等方面对分级增压富氧燃烧系统进行评价。首先建立分级增压富氧燃烧系统全流程模型,在整体操作压力提升到12.5bar的工况下,系统的毛效率提高到45.83%(HHV)和47.67%(LHV)。此外,采用的空分系统(air separation unit,ASU)和CO_2压缩纯化系统(CO_2 compression and purification unit,CPU)改善了整体性能。对于脱除SOx和NOx采用的直接接触式冷却塔(direct contact column,DCC)装置,在净化烟气的同时回收大量热量,进一步提高系统效率。因此,分级增压富氧燃烧系统实现了35.71%(HHV)或37.15%(LHV)的净效率,相对于常压富氧燃烧系统提升了7.41%(HHV)和7.51%(LHV)。继而在分级增压富氧燃烧系统模型的基础上,进行系统操作压力对分级增压富氧燃烧系统整体性能影响的灵敏度分析。随着操作压力的增加,在更高的露点情况下烟气中可以回收更多可用的潜在焓。虽然ASU压缩在较高压力下消耗更多能量,但CPU需要较少的辅助能量。系统在12.5bar的工作压力附近可以实现最大效率。此外基于夹点分析和热集成方法分析分级增压富氧燃烧系统10条冷热物流,发现在10℃的最小温差下,全系统最大热量回收值超过240MW,系统净发电效率值增加了0.63%。最后,对分级增压富氧燃烧系统运行水耗与生命周期水耗进行分析。从六个耗水单元的取水量和耗水量分析可以看出,水的使用主要在蒸汽循环冷却部分。从燃料供应、基础设施、系统运行和化学品生产四个方面来评价系统生命周期水耗,分级增压富氧燃烧系统的生命周期取水量为3225.04 L/MWh,生命周期耗水量2165.63 L/MWh。在整个生命周期,系统运行阶段所占的比例最大,按照取水量计算系统运行阶段取水量达到整个生命周期取水量的87.58%。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK16
【图文】：

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华中科技大学硕士学位论文统在汽水侧，状态 1 的冷凝水在离开冷凝器后由第一给水泵压缩，随加压水进入酸冷凝器，在其中与烟气发生热交换从而大部分潜在焓被态 20 冷却到状态 21，而状态 3 的给水流通过吸收燃烧器壁面的热后在 10bar 压力下进入除氧器。通过第二给水泵将状态 5 的给水流泵在离开第二个给水泵后，给水再加热到状态 6，随后进入热回收蒸汽在那里被加热到新的状态 7（600℃，250bar）。在电力岛和 HRSG 之和低压缸分别有两个再加热流过热至 620℃，即状态 9 和 11。

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图 1- 2 分级燃烧示意图[24]大学已经研究了一种燃料分级以减少富氧燃烧过程中和实验结果发现，将常压富氧燃烧系统的烟气循环率可以保持在可接受的水平，但与传统系统相比其热通量计量比λ，它表示实际供应的 O2质量与燃料化学计量级增压富氧燃烧系统的燃料分级概念与此略有不同，供应 O2（λ 1），过量的 O2将会起到稀释剂的作用去分级燃烧过程中，热量从第一阶段提取到朗肯循环中，量的 O2进入第二阶段，在那里注入额外的燃料进一步段中持续，直到几乎所有的 O2被消耗。示展示了分级增压富氧燃烧系统流程图。煤粉以大致有 O2都被输送到锅炉 1，燃烧热主要通过辐射传热转的产品进入通过锅炉 2，其中的 O2继续和煤粉燃烧。

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图 1- 3 分级增压富氧燃烧系统流程图[27]pan 等人[27]发现由于燃料分级技术，分级增压富氧燃烧技术能够避免辅助负荷并实现大量热量回收，这与高压下烟气和辅助系统的废热当使用 PRB 次烟煤和伊利诺斯＃6 烟煤时，系统净发电效率（HHV）。第一代富氧燃烧技术的净发电效率相比空气燃烧下降了大约 10%氧燃烧技术系统净效率提高了 6%。基础上，Gopan 等人[28]继续研究系统工作压力和燃料含水量对净发果发现，系统工作压力最合适的为 16bar，超过该值后，压力的增加冷凝量的增加可忽略不计，并且可用于与朗肯循环整合的热量也是略能够将热集成的位置从锅炉给水加热低压区域部分地转移到高压区用的热量的小幅增加，导致净发电效率的提高。在所考虑的压力范围显著增加一倍以上（>16bar），系统净效率增加的幅度只有约 0.14%

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