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《北京工业大学》 2015年
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醇胺吸收法燃煤电厂CO_2捕集系统能量分析及优化

张克舫  
【摘要】:电厂烟气CO2捕集是温室气体减排的基本途径之一。火电厂烟气脱碳广泛采用的醇胺吸收法CO2捕集的解吸能耗高,因此对CO2捕集系统进行能量分析与优化,降低其能耗无疑是非常重要的。本文对年产量100万吨CO2捕集系统的能量利用过程进行了分析评价,提出了相应的节能方案并进行了分析和优化。建立了CO2捕集系统的数学模型,确定了系统的能量消耗,并采用热力学方法从综合评价、环节评价和关键过程评价分层次地对捕集系统进行了能量利用分析和评价。年产量100万吨CO2捕集系统的综合热耗率4.854GJ/kg CO2,总火用耗率2.003GJ/kg CO2,热耗很大,热量消耗主要集中在再沸器的蒸汽利用环节。此外,能量传输环节中的火用效率较低,能量回收环节中的能量回收率也很低。应用夹点分析法对电厂烟气CO2捕集系统换热网络进行了分析及优化,并应用能量集成策略对CO2捕集系统进行了能量集成分析。通过对CO2捕集系统换热网络的夹点分析,得到了换热网络的夹点温度为109℃,最大节能潜力19.0%,并对换热网络进行了诊断分析和综合优化。为了回收换热网络优化综合后仍未回收的能量,分析了汽轮机、热泵、压缩式制冷机和吸收式制冷机在CO2捕集系统中的热集成,可在夹点下方设置吸收式制冷机,以回收塔顶气或凝结水的能量,并将产生的冷量用以冷却CO2产品气。采用热力学方法分析了汽轮机不同抽汽配置对捕集系统能量特性及电厂耦合系统能量特性的影响,确定了合理的汽轮机抽汽参数,并分别采用背压汽轮机和喷射器两种方案,建立了梯级利用五段抽汽的最优化数学模型。分别从汽轮机四段、五段和六段抽汽供给再沸器用汽,分析比较不同抽汽配置对捕集系统的汽耗率、热耗率以及对电厂能量系统的影响,提出了抽汽火用耗率这个能体现能量品质的评价指标。分析结果表明了从汽轮机六段抽汽是蒸汽能量梯级利用的最优方案。若六段抽汽无法实现,汽轮机五段抽汽可通过背压汽轮机或蒸汽喷射器梯级利用后再进入再沸器,对背压汽轮机和喷射器梯级利用五段抽汽建立了最优数学模型,对优化结果进行了经济性分析。针对贫液的余热回收,提出了采用强化贫富液换热器传热和第一类吸收式热泵两种方案,并建立了最优化数学模型对方案进行了优化。针对采用强化贫富液换热器回收贫液能量的方案,以最大收益为目标函数,建立了最优化数学模型,将贫富液换热器和贫液冷却器整体优化,并对最优结果进行了经济性分析;针对采用第一类吸收式热泵回收贫液能量的方案,根据热力计算模型和计算结果,分析了贫液终温对热泵性能系数、发生器中溶液最高温度及贫液流量的影响,这种方案节能率较小,且需要汽轮机四段抽汽。通过对比分析,第一类吸收式热泵不适宜应用于捕集系统的余热回收,采用强化贫富液换热器传热的方案以回收贫液能量是最优方案。针对凝结水的余热回收,提出了采用强化再沸器传热、第二类吸收式热泵、蒸汽喷射器和吸收式制冷机四种回收热利用方案,并建立了最优化数学模型对方案进行了优化。通过强化再沸器传热来回收凝结水的能量方案中,以最大收益为目标函数,建立了再沸器的最优化数学模型,对最优结果进行了经济性分析;针对采用第二类吸收式热泵回收凝结水能量的方案,根据热力计算模型和计算结果,分析了凝结水终温和冷却水终温对热泵性能系数、吸收温度、冷却水流量及吸收器热负荷的影响,以吸收器中的热负荷最大为目标函数,得到了最优的热力参数;同时对采用喷射器和吸收式制冷机回收凝结水能量的方案进行了优化设计。通过对比分析,采用强化再沸器传热的方案回收利用凝结水能量是最优方案。针对塔顶气的余热回收,提出了采用喷射器式热泵、第二类吸收式热泵、吸收式制冷机三种升级回收利用方案,并对各回收方案进行了分析与优化。针对塔顶气作为第二类吸收式热泵驱动热源的回收方案,根据热力计算模型和计算结果,分析了驱动热水温度和冷却水终温对热泵性能系数、吸收温度的影响,以吸收器中的热负荷最大为目标函数,得到了最优的热力参数;并对采用喷射器和和吸收式制冷机回收塔顶气能量的两种方案进行了优化设计。通过对比分析,采用溴化锂制冷机回收利用塔顶气能量是最优方案。将夹点分析、局部节能方案优化结果与超结构优化方法相结合,构建了CO2捕集系统节能集成超结构,建立了描述超结构的最优化数学模型,得到了CO2捕集系统节能集成方案及热力参数,并对最优节能集成方案进行了敏感性分析。优化结果表明,采用背压汽轮机的系统节能集成方案是最优方案,总火用耗率1.574 GJ/kg CO2;若不采用背压式汽轮机,则五段抽汽直接减温进入再沸器的系统节能集成方案是最优方案,总火用耗率1.690 GJ/kg CO2。
【学位授予单位】:北京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:X773

【参考文献】
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【共引文献】
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