[发明专利]燃烧后碳捕集电厂的碳捕集系统及电碳协调的控制方法

说明书

技术领域

本发明属于电厂运行与控制技术领域，特别涉及燃烧后碳捕集电厂的碳捕集系统以及碳捕集电厂电碳协调的控制方法。

背景技术

二氧化碳捕集与封存技术(Carbon capture and storage，CCS)是当前最为关键的低碳技术之一。在传统火力发电厂中引入碳捕集系统，即形成碳捕集电厂。

碳捕集系统与发电系统之间主要存在三类结合方式，分别为燃烧后脱碳、燃烧前脱碳与富氧燃烧脱碳。燃烧后脱碳技术由于其适用性广、系统原理简单、对现有电厂继承性好的特点，在改造现有常规燃煤电厂上具有重要的应用前景。

常规燃煤电厂通过燃料的燃烧产生电能，并直接将含有N₂、O₂和CO₂的烟气从烟气排放口处直接排入大气之中，如图1(a)所示。燃烧后脱碳指在燃烧后的烟气中分离和捕集CO₂，捕集系统往往被装置于烟气排放“下游”，发电系统排放的烟气将被直接排入碳捕集系统之中，将产生的烟气中的N₂、O₂与CO₂进行分离，并将分离出的N₂、O₂通过碳捕集系统中的其他通道排放到大气中，同时将分离出的CO₂通过碳捕集系统的压缩装置进行压缩、传输及储存；如图1(b)所示。

在目前已经具备商业化水平的几类燃烧后碳捕集技术中，基于吸收剂的CO₂分离技术具有最优的捕集效率、较低的能耗与投资成本。吸收剂多为碱性的液态材料，如乙醇胺类水溶液(MEA)等。基于吸收剂的燃烧后碳捕集系统主要由CO₂吸收器、CO₂分解器与CO₂压缩单元三部分设备组成，如图2所示(虚线框内为碳捕集系统)；

该系统各部分设备的连接关系为：发电循环设备通过一个单向的烟气排放口与CO₂吸收器的底部气体入口端连通；CO₂吸收器与CO₂分解器分别通过两个管道连通构成具有固定流向的液体通道；CO₂分解器的气体排放口通过单向气体排放管道与CO₂压缩单元连通。

该系统的工作流程为：定义在吸收器中吸收了CO₂的MEA水溶液为“富液”，在分解器中解析出CO₂的MEA水溶液为“贫液”；富液将从吸收器向分解器流动，而贫液则从分解器向吸收器流动。发电循环产生的烟气从底端进入CO₂吸收器之后，在一定的温度与压强条件下，MEA将对CO₂进行选择性吸收，而将其余气体从吸收器顶端排气口排向大气。在CO₂分解器中，改变分解器中的压强与温度条件，可以将CO₂解析排出，形成高浓度的CO₂气流。贫液将被重新排入CO₂吸收器中，开始新一轮的CO₂吸收与解析过程，而解析出的CO₂气流则进入压缩单元，最终实现CO₂的运输与储存。

上述系统与一般的脱硫、脱硝或除尘等附加系统所不同的是，电厂中的碳捕集系统能耗巨大，且具有复杂的运行机理，为碳捕集电厂的运行方式与控制手段带来了全新的问题与挑战。与常规电厂(非碳捕集)相比较，碳捕集电厂的发电效率将出现明显的损失，该损失主要来自于引入碳捕集技术所导致电厂内部能耗增加，可以归结为四类：基本能耗、CO₂吸收能耗、CO₂分解能耗与CO₂压缩能耗。基本能耗指由于引入碳捕集技术造成原电厂结构变化或运行工况变化所引起的能耗，并导致了发电效率的损失，如：在低压缸侧安装阀门以实现蒸汽抽取，可能降低原电厂的热效率；而抽取低压蒸汽后可能在一定程度上改变汽轮机做功工质的压力工况。

其次，在低碳经济时代，碳排放将具备重要的经济价值，从而与发电出力一样，成为电厂重要的可调度资源。对于一般燃煤电厂(不具备碳捕集能力)而言，其发电出力与碳排放之间存在着确定性的对应关系。对于碳捕集电厂而言，根据当前的工程实践与运行情况，其运行方式与控制手段多采用定势化的静态运行方式，即碳捕集系统的运行水平总是保持在与发电出力相匹配的状态之下，没能协调碳捕集电厂的发电出力与碳排放，没能实现发电系统与碳捕集系统间的灵活运行，也没能从整体控制的角度优化碳捕集电厂的运行方式。