2011年第2期低溫工程No.2201l總第180期CRYOGENICSSum No 180適合富氧燃燒發(fā)電系統(tǒng)的空分制氧能耗分析閻維平趙文娟魯曉宇(華北電力大學(xué)能源與動力機械工程學(xué)院,教育部“電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制”重點實驗室保定071003)摘要:根據(jù)富氧燃燒對氧氣雩求的特點,討論比較了基于深冷低溫工藝的空分制氧設(shè)備的類型及流程,探討了適合富氧燃燒發(fā)電杋組的改進(jìn)空分流程與參數(shù)選擇,基于空氣分離的熱力學(xué)原理與空分系統(tǒng)主要設(shè)備耗功計算方法,以300MW燃煤富氧燃燒機組為對象,計算了不同空分流程、不同制氧純度的空分設(shè)備能耗和廠用電率,分析結(jié)果表明:氧純度降低時,雖然處理的空氣量增大,但廠用電率可降低約2%;在常壓富氧燃燒下,外壓縮流程能耗低于內(nèi)壓縮流程,二者廠用電率相差約8%;與目前工業(yè)上采用的高純度空分裝置的實際電耗比較,廠用電率可降低約13%。關(guān)鍵詞:富氧燃燒空分設(shè)備空分流程氧氣純度廠用電耗中圖分類號:TB663文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:10006516(2011)02001906Energy consumption analysis of air separation units foroxygen-enriched combustion power generation systemKey Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education, School ofEnergy and Power Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)Abstract: According to the special demands of oxygen for oxygen-enriched combustion, different typesand processes of air separation units( ASU)were comparatively discussed to get the improved processes andparameters for oxygen-enriched combustion power generation system. Based on thermodynamic principle ofair separation and calculation method of wasted work, taking a 300MW power generating group under oxy-gen-enriched combustion mode as example, analytic calculation of energy consumptions and auxiliary powerrates of different airn processes and oxygen purity were completed. The results show that when oxy-gen purity decreases, while increasing of quantity of air, auxiliary power rate reduces 2%. Under oxygenenriched combustion, energy consumption of the external compression process is lower than the internalompression process and their auxiliary power rates differ by about 8%. Comparing with the actual powerconsumption of USA used in industry, the auxiliary power rate reduces 13%Key words: oxygen-enriched combustion; air separation units; air separation processes; oxygen puri-ty auxiliary power consumption收稿日期:2011402-16;修訂日期20110304基金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展專項經(jīng)費資助(863計劃)“增壓流化床富氧燃煤發(fā)電新技術(shù)”(2009AA05Z310)。作者簡介:閻維平,男,56歲教授博士生導(dǎo)師。低溫工程2011年1引言h(3)。近年來,大型空分制氧設(shè)備開始應(yīng)用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(IGCC),譬如,某250MW減排CO2以應(yīng)對全球氣候變化已是當(dāng)今人類在GCC所需的氧氣純度為9.6%,空分設(shè)備的制氧規(guī)源生產(chǎn)中面臨的最大挑戰(zhàn)。富氧燃煤發(fā)電技術(shù)作?？蛇_(dá)到46000m/ho為能直接捕集CO2的近零潔凈煤發(fā)電技術(shù)是目前為富氧燃燒并不需要高于99.6%的高純度氧氣止唯一能夠大規(guī)模捕集CO2的商業(yè)化可行技術(shù),世有研究數(shù)據(jù)表明,氧氣純度為95%左右比較合界上已經(jīng)或正在開展30MW等級的富氧燃燒發(fā)電與適。另一方面,所需氧氣量很大,譬如,300MW捕集CO2的中試研究,預(yù)計近3-5年內(nèi)將有200-燃煤鍋爐大致需要95%純度的氧氣16000m/h,供300MW等級富氧燃燒發(fā)電與捕集CO2的示范機組氧壓力能滿足輸送、預(yù)熱與摻混的阻力損失即可,并投入商業(yè)運營。富氧燃燒基本原理如圖1所示),與且不需要氮氣及氬氣等產(chǎn)品。常規(guī)空氣燃燒系統(tǒng)相比,增加了空氣分離制氧裝置將現(xiàn)有的深冷低溫空分設(shè)備直接應(yīng)用于富氧燃鍋爐排出煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到90%以上,能夠燒整體發(fā)電系統(tǒng)還面臨著許多新的問題首先是所需直接回收并埋存。但由于空分制氧的電耗很大,因氧氣量巨大純度低能耗很大空分制氧過程中不僅此,使富氧燃燒整體發(fā)電系統(tǒng)的凈效率較空氣燃燒降消耗電力還涉及大量的熱量與冷量的傳遞,現(xiàn)有的低約10%。通過各種途徑降低富氧燃燒發(fā)電成本是空分裝置均為獨立設(shè)備,與用氧對象基本無任何關(guān)目前面臨的重大挑戰(zhàn),其中低能耗制氧工藝與裝置的聯(lián)。而應(yīng)用于富氧燃燒時其電耗已經(jīng)構(gòu)成發(fā)電機組開發(fā)是最重要途徑之廠用電的絕大部分,因此,在滿足富氧燃燒需求的前提下,尋求空分設(shè)備與電站設(shè)備的合理的優(yōu)化匹配,汽輪機充分利用電站熱力系統(tǒng)的余熱以及空氣分離裝置釋放的冷源等,盡量降低廠用電量,對降低富氧燃燒方鍋爐式捕集CO2的成本具有重大意義,對空分與火力發(fā)再循環(huán)風(fēng)機電行業(yè)均為新的課題,需要技術(shù)的融合。環(huán)煙氣(次風(fēng)本文分析比較了空分設(shè)備的不同類型、不同流程液態(tài)·方式的優(yōu)缺點,并針對富氧燃燒發(fā)電系統(tǒng)的具體要逐級壓縮求,分析了兩個比較適用的空分設(shè)備流程,并對不同制氧方式下的空分設(shè)備能耗進(jìn)行計算分析,為空分設(shè)圖1富氧燃燒技術(shù)原理圖Flg. 1 Schematic diagram of oxygen-enriched備與富氧燃燒的匹配、提高系統(tǒng)發(fā)電凈效率提供了初combustion technology步的參考。2深冷法空氣分離的流程及設(shè)備分類目前,大型空分制氧設(shè)備完全基于深冷低溫工藝,主要應(yīng)用于化工和冶金行業(yè),且制氧純度高。大型空分設(shè)備主要由制冷系統(tǒng)和精餾系統(tǒng)組譬如,煉鋼所需的氧氣純度為99.6%(體積分?jǐn)?shù))。成,具體包括空氣壓縮、空氣凈化、制冷、熱交換、精從世界水平看,空分設(shè)備的制氧規(guī)?？蛇_(dá)到餾、產(chǎn)品輸送、液體貯存和控制等子系統(tǒng),如圖2所100000h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)),最高已超過14500m3/示。產(chǎn)品壓縮機料加換熱預(yù)冷純化系統(tǒng)主換熱系統(tǒng)精餾系鄉(xiāng)液氧液忽貯什系統(tǒng)膨脹機圖2空分設(shè)備系統(tǒng)流程圖Fig 2 Flow diagram of air separation units合富氧燃燒發(fā)電系統(tǒng)的空分制氧能耗分析21原料空氣經(jīng)空氣過濾器去除塵埃等雜質(zhì)后,由空空分設(shè)備按操作壓力可分為高壓型(20MPa),氣壓縮機壓縮至流程所需壓力。加壓后的空氣進(jìn)入采用節(jié)流膨脹制冷;中壓型(1-5MPa),采用節(jié)流與空氣預(yù)冷和純化系統(tǒng),進(jìn)行冷卻和凈化,再經(jīng)過主換膨脹制冷相結(jié)合;全低壓型(0.5-0.6MPa),采用高熱系統(tǒng)與產(chǎn)品氮氣、氧氣等進(jìn)行換熱,并通過膨脹機效透平膨脹機制冷。由于膨脹制冷效率差異很大,高膨脹制冷使得空氣溫度達(dá)到100K左右,送入精餾塔壓能耗最高,全低壓最低。空分設(shè)備的制氧能耗,主實現(xiàn)低溫分離分離所得的產(chǎn)品,通過產(chǎn)品輸送系統(tǒng)要取決于操作壓力,另外與氧提取率成反比,其它因和液體貯存系統(tǒng)送至用戶。精餾塔是空氣分離的核素如氣溫、海拔等也有影響。故從能耗方面來講心設(shè)備,通常采用雙級塔布置,如圖3所示?？辗窒颠x用全低壓流程對于供氧需求量很大的富氧燃燒更統(tǒng)的空氣壓縮機能耗約占總系統(tǒng)能耗的92%,產(chǎn)品有利。目前中國國內(nèi)普遍應(yīng)用全低壓流程雙塔精餾壓縮機部分約占6%,其它能耗只有不到2%?？辗衷O(shè)備。根據(jù)產(chǎn)品狀態(tài)劃分為只生產(chǎn)氣氧、只生產(chǎn)液氧既生產(chǎn)氣氧又生產(chǎn)液氧的空分設(shè)備;根據(jù)產(chǎn)品種類劃分為生產(chǎn)單高產(chǎn)品、雙高產(chǎn)品(氧和氮)、帶氬產(chǎn)品(氧氮、氬)及全提取(氧、氮氬及其它稀有氣體)空分設(shè)備?！鯕饪辗衷O(shè)備流程又分為內(nèi)壓縮流程(圖4)和外壓縮流程(圖5)。二者的本質(zhì)區(qū)別是內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備用空氣增壓機和液氧泵取代了外壓縮流程的氧氣壓縮機。內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備是采用液氧泵把液氧加壓到3MPa(或用戶所需的壓力),然后在主換圖3雙級精餾塔熱器中被汽化和復(fù)熱,出冷箱后直接送往氧氣管網(wǎng)和1.上塔;2.下塔;3.冷凝蒸發(fā)器;4.液空節(jié)流閥;用戶。外壓縮流程空分設(shè)備則是把出冷箱的低壓氧5液氮節(jié)流閥;6.富氧液空氣用氧壓機加壓到用戶所需壓力,然后送到氧氣管網(wǎng)FIg 3 Two-stage distillation column和用戶。氣壓縮預(yù)冷系統(tǒng)純化系統(tǒng)冷、熱交換精解系統(tǒng)制氬系統(tǒng)氮氣氬氣6FmI I1液氧外界供水圖4內(nèi)壓縮流程1.空氣過濾器:2.空氣壓縮機:3增壓空氣壓縮機;4級間冷卻器;5,空冷塔;6.水冷塔;7.分子篩吸附器8蒸汽加熱器;9.透平膨脹機;10.精餾塔:11過冷器;12液氧泵;13.氮壓機;14.液氬泵;15.粗氬塔;l6.精氬塔般來說,如以供給接近常壓氣氧為主,外壓縮程增設(shè)了增壓機和液氧泵,按工藝要求,產(chǎn)品氧氣壓流程氧壓機耗能較小,或可取消氧壓機;而內(nèi)壓縮流力將會提高因此在此情況下,外壓縮流程制氧單耗低溫工程1l年空氣壓縮預(yù)冷系統(tǒng)純化系統(tǒng)制冷、熱交換精餾系統(tǒng)制系統(tǒng)氧氣氮氣氬氣區(qū)D(兇D液氧外界供水圖5外壓縮流程1.空分過濾器;2.空氣壓縮機;3級間冷卻器;4.空冷塔:5.水冷塔;6.分子篩吸附器;7蒸汽加熱器;8.透平膨脹機;9精餾塔;10.過冷器;11.氮壓機;12.氧壓機;13.液氬泵;14.粗氫塔;15精氬塔Fig 5 External compression process of ASU般低于內(nèi)壓縮流程制氧單耗。如以供給高壓氧直接用于富氧燃燒并非最優(yōu)匹配存在著進(jìn)一步降低氣為主(或提高液氧產(chǎn)量),則由于氣態(tài)氧壓縮耗能設(shè)備投資與減少制氧電耗的可能性。要比液氧壓縮耗能高得多,因此,在增壓富氧燃燒或首先是精餾系統(tǒng)的精餾產(chǎn)品與常規(guī)制氧設(shè)備不高壓純氧氣化的場合,則內(nèi)壓縮流程制氧能耗相對較同,因為不需要制取氮氣產(chǎn)品,因此,可以取消與污氮低。另外,由于外壓縮流程采用氧氣壓縮機提升氧處理的有關(guān)流程設(shè)備與消耗電能的氮壓機,直接將污壓;因此,其安全性不如采用低溫液氧壓縮的內(nèi)壓縮氮排出。另外,與制取氬氣等氣體有關(guān)的設(shè)備與流程流程,二者的設(shè)備投資差別不大。均可取消。對外壓縮流程空分設(shè)備來說,產(chǎn)品氧的壓力已達(dá)到鍋爐富氧燃燒要求故也不需氧壓機。內(nèi)壓3空分設(shè)備與富氧燃燒系統(tǒng)匹配的探討縮流程空分設(shè)備的產(chǎn)品氧氣的壓力較高,對常壓富氧與富氧燃燒匹配的空分設(shè)備具有需氧氣量巨大、燃燒已經(jīng)富裕。表1為采用不同空分流程的常規(guī)制純度低、壓力低、不需要氮及其它稀有氣體的特點,因氧設(shè)備與匹配富氧燃燒的制氧設(shè)備的主要耗能設(shè)備此,無論是內(nèi)壓縮還是外壓縮流程,現(xiàn)有的空分設(shè)備的比較表1不同空分流程的能耗設(shè)備對比Table 1 Energy equipments comparison of different air separation processes空壓機氧壓機液氧泵液氫泵常規(guī)外壓縮流程包括不包括畜氧燃燒包括不包括不包括不包括不包括內(nèi)壓縮流程常包括包括不包括包括包括包括高氧燃燒包括不包括不包括空分設(shè)備能耗計算原理與方法論最小分離功。假定環(huán)境溫度和壓力分別為T、P,分離前的焓從熱力學(xué)角度看低溫空氣分離制氧過程是一個熵為h、5,分離后各組分的焓、嫡之和分別為h、s,不可逆過程,必須以消耗外界功作為補償。若假定該混合氣體中氧、氮的分壓力分別為Po、P,濃度表示過程為理想可逆過程,則對應(yīng)的耗功最小稱其為理為指m中n的濃度。由熱力學(xué)第一與第二定律適合富氧燃燒發(fā)電系統(tǒng)的空分制氧能耗分析可知,理論最小分離功為P1為空壓機入口、出口壓力,MPa;p為空氣密度,kgW=T(5-)-(b-h)(1)m3;V為空氣體積m3/h;nr、n為壓縮機等溫效率和若將空氣視為氧氮的二元理想混合氣體,其混機械效率。合熱為零,其焙值可表示為:對于內(nèi)壓縮流程涉及的增壓機,其能耗計算與空h。=ybh。+yNh=h(2)氣壓縮機類似,是將空氣從P1壓縮到P2時實際所消將空氣分離為純氧和純氮前與分離后熵的變化耗的功。對于內(nèi)壓縮流程涉及的液氧泵的能耗計算1)如下。5。-5=yRm2+y、Rnm液態(tài)的氧通過液氧泵升壓為高壓液氧,壓力由YoIn+yIn(3)P到P2,單位時間內(nèi)排出液體的數(shù)量有體積流量Q(3)和質(zhì)量流量G兩種表示方法,二者的關(guān)系為:G= PQ其理論最小分離功可表示為:液氧泵電耗計算式n,=工Rn(m+xm3)(4)A=pQH:10×Qp2-p22 xn=-102×n同理若將空氣分離為y。濃度的氧氣和yN濃度(10)的氮氣,所需的理論最小分離功為:式中:W為液氧泵的電耗kW/h;N為液氧泵Wm=W。-W…VW-5)的有效功率,wMm為液氧泵的效率為液氧的密度,kg/m3;Q為液氧的體積流量,m3/h;H為泵的式中:甲。為最小理論分離功k/km;V為參揚程,mp、P2為液氧泵的入口、出口壓力,MP與分離的空氣的體積,m3/h;V為分離所得的氧氣的體現(xiàn)富氧燃燒空分制氧電耗的多少,可以用制氧體積m3/h;V為分離所得的氮氣的體積m3/h單耗W來表示,即制取單位體積氧氣所消耗的電能,實現(xiàn)低溫空氣分離制氧需要將空氣壓縮到一定kWh/m3。的壓力,即必須提髙其娳值(取環(huán)境狀態(tài)下空氣的傭(11)值為零)。理想可逆條件下,空氣壓縮后的嫻等于分式中:Wr用為空分設(shè)備的廠用電耗kW;V為產(chǎn)離后產(chǎn)品各組分的傭之和。實際的分離過程是不可品氧氣的體積流量,m3/h;逆的,分離裝置中存在很大的嫻損失,因此,壓縮空氣所具有的傭遠(yuǎn)大于分離產(chǎn)品各組分的嫻之和。在分5300MW富氧燃燒系統(tǒng)中不同空分設(shè)備電耗計算離過程中,空氣的理論最小分離功應(yīng)轉(zhuǎn)化為分離后各結(jié)果組分的嫻,超出理論最小分離功的那部分煙則在過程以300MW的常壓富氧燃燒發(fā)電機組為例,燃燒中被消耗體現(xiàn)為裝置的嫻效率η。因此,實際壓縮煤種為煙煤,燃燒需氧量為61kg/s,供氧壓力0.1空氣具有的傭與最小理論功之間的關(guān)系為。MPa。計算中取T0=298K,P0=0.1013MPa,y=ea troIn(6)0.209,=0.791,給定氮氣平均純度y=96%,R=8.3143k/(kmol·K),取n。=0.2,r=0.7,式中:Po為大氣壓力P1為空氣分離所必須壓縮w=0.98。的流程壓力,見式(7):能耗的區(qū)別主要體現(xiàn)在制氧量和流程壓力的不Pexp(W。/TRn)(7)同制氧純度降低會使得流程壓力減小,導(dǎo)致空氣將氣體從環(huán)境壓力等溫壓縮至流程所需壓力P1的理論最小分離功不同,從而最終導(dǎo)致空分的廠用電時實際所消耗的功W表示為:耗不同。如表2所示為應(yīng)用以上計算方法,對制取不同純度氧氣的各制氧參數(shù)的計算結(jié)果。制氧純度低,(8)最小分離功減少。mTm分別計算采用改進(jìn)后的外壓縮流程和內(nèi)壓縮流式中:W為實際壓縮空氣所消耗的功kJ/h;R為程時制取不同純度的氧氣的能耗參數(shù),并進(jìn)行比較。氣體常數(shù)/(kg·K);T為空壓機入口溫度K;Po、如表3所示。低溫工程2011年表2制取不同純度的氧氣的制氧參數(shù)比較Table 2 Oxygen parameters comparison of diferent oxygen purity空分設(shè)備燃燒需餐量/(kg/制氧量/(m3/h)流程壓力/MPa空氣最小分離功/(k/km制取95%的氧氣161773.394制取99.6%的氧氣154301.9表3匹配富氧燃燒空分設(shè)備制氧能耗比較(汽輪機機組額定輸出電功率為300MW)Table 3 Energy consumption parameters comparison of improved processes for ASU in oxygen-enriched combustion氧氣純度制氧量/(m3/h)空分類型空分廠用電耗/MW空分廠用電率/%制氧單耗/kWh/m2外壓縮6732161773.322.492.1299.6%外壓縮57154301.9內(nèi)壓縮制氧純度低時,盡管制氧量比制取高純度氧時參考文獻(xiàn)大,但由于最小分離功減少,對外壓縮流程,廠用電率要低2.1%。對內(nèi)壓縮流程,廠用電率要低1.7%。1側(cè)維平米翠麗,30Mw高氧燃燒電站鍋爐的經(jīng)濟性分析[小根據(jù)文獻(xiàn)報道,中國國內(nèi)尚無制取95%純度氧氣設(shè)動力工程學(xué)報,2010,30(3):184191陳海霞周文武.大型空分設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[].化工裝備的工程應(yīng)用,即使有低純度的需求,也是采用高純備技術(shù),2008,29(3)1214.度氧氣摻混空氣的方法獲得。中國國內(nèi)已經(jīng)運行的Vince White, Air Products, UK. Oxygen production and CO, compres-大型工業(yè)化制純度高于99.6%氧氣設(shè)備的電耗大致sion[C]. 2nd Ory-fuel Capacity Building Course, Beijing, China為07kWh/m3,如果用于富氧燃燒發(fā)電,空分廠用電率將高達(dá)36%,再加上常規(guī)廠用電5%-6%,富氧燃4 KLas Andersson, Henrik Birkestad, Peter Maksinen, et al. An 865MWLignite Fired CO, Free Power Plant-A Technical Feasibility Study燒發(fā)電將無經(jīng)濟性可談。[C]. Greenhouse Gas Control Technologies -6th Intemational Confer-ence,2003:1051-10566結(jié)論5 Klas Andersson, Filip Johnsson. Process evaluation of an 865MW lig目前工業(yè)上采用的高純度(大于9.6%)空分制nite fired O,/CO, power plant[ J]. Energy Conversion and Mament,2006,47(18-19):3487-3498氧設(shè)備的制氧單耗過高,大大降低富氧燃燒發(fā)電效6 Arthur darde, Rajeev Prabhakar, ean-Pierre Traner,t.Ap率。由于富氧燃燒要求的氧氣純度為95%左右,存ration and flue gas compression and purification units for oxy-co在降低制氧電耗的潛力。深冷空分制氧設(shè)備的最小combustion systems[ J]. Energy Proeedia, 2009, 1(1): 527-534.分離功由設(shè)備制氧量和流程壓力決定,在所需純氧量毛紹融,朱朔元周智勇.現(xiàn)代空分設(shè)備技術(shù)與操作原理[M].杭定的情況下制氧純度降低,空氣分離所需的最小州:杭州出版社,2007分離功減小,制氧能耗降低。300MW富氧燃燒發(fā)電8林文勝,顧安忠.氧氮純度對制氧機運行特性的影響[門.深冷技機組的低純度空分裝置的能耗分析表明,對常壓富氧9賀雷,空分設(shè)備性能研究及問題分析[D].天津:天津大學(xué)燃燒外壓縮制氧流程制氧單耗低于內(nèi)壓縮流程,二者廠用電率相差約8%,而內(nèi)壓縮流程更適合增壓富10周智勇大型空分設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展].深冷技術(shù),2003):氧燃燒,在提供高壓氧氣時具有優(yōu)勢。采用外壓縮制11陳桂林.內(nèi)壓縮空分設(shè)備流程[C].2006年大型空分設(shè)備技術(shù)交氧流程的廠用電率為2.4%,與高純度空分裝置比流會論文集,2006較,廠用電率可降低約2.1%。如果直接將目前工業(yè)12林知望冶金企業(yè)制氧機流程的比較[]低溫與特氣,200,2上采用的高純度空分裝置用于富氧燃燒發(fā)電,其空分(4):23-26.廠用電率將高達(dá)36%。進(jìn)一步利用電站熱力系統(tǒng)的13林文勝顧安忠,氧氣純度與空分流程經(jīng)濟性分析[門].低溫工余熱以及空氣分裝置釋放的冷源等,或者直接采用汽程,1999(4):315-31914邢翼騰.ICCC電站空分系統(tǒng)的研究與建模[D].北京:清華大動空氣壓縮機,則還具有降低富氧燃燒電站的廠用率學(xué),2003.的潛力。15李化治制氧技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007