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二氧化碳捕集、利用与封存技术全链分析与集成优化研究

王丹  
【摘要】:温室气体的大量排放会对气候、农业、生态等人类生活的各个方面产生严重影响,以二氧化碳为主的温室气体排放问题已经成为各界关注的焦点。据国际能源署(IEA)发布的报告,2019年全球与能源相关的碳排放量持续增长,达到了331亿吨。政府间气候变化专门委员会(IPCC)报告指出,要实现全球变暖温度控制在1.5℃的目标,各国必须采取紧急行动,以避免温室气体大量排放造成的严重后果。目前公认的减少温室气体排放的有效措施包括提高现有能源的利用效率、提升可再生能源比例以及实施二氧化碳捕集、利用与封存技术(CCUS)。作为CO_2的主要排放国,我国目前在大力发展新能源,以减少能源行业CO_2的排放,但我国的能源结构“多煤贫油少气”,煤炭在可预见的未来将仍然发挥重要作用,我国将面临巨大的减排压力。在这种情况下,由于CCUS技术的部署不需要对现有的能源结构进行大规模调整,与我国现有能源结构有良好兼容性,同时能实现CO_2的大规模减排,在我国具有广阔的发展前景。本文将以CCUS全链为分析对象,主要研究以下几个方面的内容:利用Aspen plus化工模拟软件,搭建并验证350MW超临界燃煤电厂燃烧后MEA碳捕集系统模型。以此模型为例,从能源系统与捕集系统集成的角度,提出对碳捕集能耗问题的深入理解与认识,将捕集能耗分为与捕集工艺过程相关的直接能耗及与系统集成相关的间接能耗,得到集成碳捕集后能源系统间接能耗为0时的最高热效率。基于该理论分析,得到重要工艺参数对捕集系统直接能耗、间接能耗以及间接效率损失等热力学性能的影响规律,进而对碳捕集集成系统进行优化。得到优化后的解吸压力为1.9bar,贫液负荷为0.22mol/mol,贫液质量浓度为30%,此时集成系统的直接能耗为40.8kJ/mol,间接能耗为13.4kJ/mol,系统间接能耗为0时的热效率为33.2%,实际热效率为30.5%,间接能耗使系统热效率降低2.7个百分点。在IECM整体环境控制模型中集成了分别基于超临界电厂低浓度碳源(SCPC)的和IGCC电厂高浓度碳源的CCUS全链,分析该两种具有不同浓度的碳源分别与咸水层封存(SAS)及强化驱油碳汇(EOR)组合,形成四个典型CCUS全链案例时,全链的热力性能、减排效果以及经济性能,并分析燃料价格、电厂年均负荷率以及碳捕集率对全链性能的规律。对于新建的SCPC全链案例,集成系统的直接能耗为21.7 kJ/mol,间接能耗为39.1 kJ/mol,电厂热效率为25.5%,间接能耗为0时的热效率为32.4%;SCPC全链案例的经济性能将随煤价的升高、电厂年均负荷率的减小以及碳捕集率的上升而变差。对于IGCC全链案例,集成系统的直接能耗为5.5kJ/mol,间接能耗为33.7 kJ/mol,热效率为34.9%,电厂在间接能耗为0时的热效率为40.5%;IGCC全链案例的经济性能会燃料价格的升高、电厂年均负荷率的减小而变差,发电成本随捕集率的升高而增大,但全链减排成本随碳捕集率的变化则相反。为研究不同源汇组合对CCUS全链集成性能的影响,对SCPC-SAS、SCPC-EOR、IGCC-SAS以及IGCC-EOR四个案例进行了综合对比评价,得到基于源汇匹配与全链性能关系的CCUS全链集成原则。分析结果表明,以IGCC电厂碳源进行全链集成时,相较SCPC碳源,全链减排效果相同,但具有更好的热力性能和经济性能;以EOR作为碳汇时,相较以SAS为碳汇的案例,全链具有相同的热力性能和减排效果,但具有更好的经济效益;另外,对CCUS全链进行集成规划时,燃料供应和电厂负荷稳定、碳捕集目标量可能发生的条件下,更适合选择EOR碳汇,SAS碳汇则在相反条件下更有优势。利用AHP层次分析法,构建了CCUS全链综合评价模型。对以超临界燃煤电厂和IGCC为碳源、咸水层地质封存和强化驱油为碳汇的CCUS源汇组合案例进行了国家、资本、企业目标下的分析,得到不同目标下CCUS早期部署的最优方案,结果表明:在国家、企业目标下,SAS-EOR方案是早期CCUS示范最适合的部署方案;在资本目标下,IGCC-EOR是最适合发展的CCUS方案。


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