适合富氧燃烧发电系统的空分制氧能耗分析

2011年第2期低温工程No.2201l总第180期CRYOGENICSSum No 180适合富氧燃烧发电系统的空分制氧能耗分析阎维平赵文娟鲁晓宇(华北电力大学能源与动力机械工程学院,教育部“电站设备状态监测与控制”重点实验室保定071003)摘要:根据富氧燃烧对氧气雩求的特点,讨论比较了基于深冷低温工艺的空分制氧设备的类型及流程,探讨了适合富氧燃烧发电杋组的改进空分流程与参数选择,基于空气分离的热力学原理与空分系统主要设备耗功计算方法,以300MW燃煤富氧燃烧机组为对象,计算了不同空分流程、不同制氧纯度的空分设备能耗和厂用电率,分析结果表明:氧纯度降低时,虽然处理的空气量增大,但厂用电率可降低约2%;在常压富氧燃烧下,外压缩流程能耗低于内压缩流程,二者厂用电率相差约8%;与目前工业上采用的高纯度空分装置的实际电耗比较,厂用电率可降低约13%。关键词:富氧燃烧空分设备空分流程氧气纯度厂用电耗中图分类号:TB663文献标识码:A文章编号: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;修订日期20110304基金项目:国家高技术研究发展专项经费资助(863计划)“增压流化床富氧燃煤发电新技术”(2009AA05Z310)。作者简介:阎维平,男,56岁教授博士生导师。低温工程2011年1引言h(3)。近年来,大型空分制氧设备开始应用于整体煤气化联合循环发电系统(IGCC),譬如,某250MW减排CO2以应对全球气候变化已是当今人类在GCC所需的氧气纯度为9.6%,空分设备的制氧规源生产中面临的最大挑战。富氧燃煤发电技术作模可达到46000m/ho为能直接捕集CO2的近零洁净煤发电技术是目前为富氧燃烧并不需要高于99.6%的高纯度氧气止唯一能够大规模捕集CO2的商业化可行技术,世有研究数据表明,氧气纯度为95%左右比较合界上已经或正在开展30MW等级的富氧燃烧发电与适。另一方面,所需氧气量很大,譬如,300MW捕集CO2的中试研究,预计近3-5年内将有200-燃煤锅炉大致需要95%纯度的氧气16000m/h,供300MW等级富氧燃烧发电与捕集CO2的示范机组氧压力能满足输送、预热与掺混的阻力损失即可,并投入商业运营。富氧燃烧基本原理如图1所示),与且不需要氮气及氩气等产品。常规空气燃烧系统相比,增加了空气分离制氧装置将现有的深冷低温空分设备直接应用于富氧燃锅炉排出烟气中CO2体积分数达到90%以上,能够烧整体发电系统还面临着许多新的问题首先是所需直接回收并埋存。但由于空分制氧的电耗很大,因氧气量巨大纯度低能耗很大空分制氧过程中不仅此,使富氧燃烧整体发电系统的净效率较空气燃烧降消耗电力还涉及大量的热量与冷量的传递,现有的低约10%。通过各种途径降低富氧燃烧发电成本是空分装置均为独立设备,与用氧对象基本无任何关目前面临的重大挑战,其中低能耗制氧工艺与装置的联。而应用于富氧燃烧时其电耗已经构成发电机组开发是最重要途径之厂用电的绝大部分,因此,在满足富氧燃烧需求的前提下,寻求空分设备与电站设备的合理的优化匹配,汽轮机充分利用电站热力系统的余热以及空气分离装置释放的冷源等,尽量降低厂用电量,对降低富氧燃烧方锅炉式捕集CO2的成本具有重大意义,对空分与火力发再循环风机电行业均为新的课题,需要技术的融合。环烟气(次风本文分析比较了空分设备的不同类型、不同流程液态·方式的优缺点,并针对富氧燃烧发电系统的具体要逐级压缩求,分析了两个比较适用的空分设备流程,并对不同制氧方式下的空分设备能耗进行计算分析,为空分设图1富氧燃烧技术原理图Flg. 1 Schematic diagram of oxygen-enriched备与富氧燃烧的匹配、提高系统发电净效率提供了初combustion technology步的参考。2深冷法空气分离的流程及设备分类目前,大型空分制氧设备完全基于深冷低温工艺,主要应用于化工和冶金行业,且制氧纯度高。大型空分设备主要由制冷系统和精馏系统组譬如,炼钢所需的氧气纯度为99.6%(体积分数)。成,具体包括空气压缩、空气净化、制冷、热交换、精从世界水平看,空分设备的制氧规模可达到馏、产品输送、液体贮存和控制等子系统,如图2所100000h(标准状态),最高已超过14500m3/示。产品压缩机料加换热预冷纯化系统主换热系统精馏系乡液氧液忽贮什系统膨胀机图2空分设备系统流程图Fig 2 Flow diagram of air separation units合富氧燃烧发电系统的空分制氧能耗分析21原料空气经空气过滤器去除尘埃等杂质后,由空空分设备按操作压力可分为高压型(20MPa),气压缩机压缩至流程所需压力。加压后的空气进入采用节流膨胀制冷;中压型(1-5MPa),采用节流与空气预冷和纯化系统,进行冷却和净化,再经过主换膨胀制冷相结合;全低压型(0.5-0.6MPa),采用高热系统与产品氮气、氧气等进行换热,并通过膨胀机效透平膨胀机制冷。由于膨胀制冷效率差异很大,高膨胀制冷使得空气温度达到100K左右,送入精馏塔压能耗最高,全低压最低。空分设备的制氧能耗,主实现低温分离分离所得的产品,通过产品输送系统要取决于操作压力,另外与氧提取率成反比,其它因和液体贮存系统送至用户。精馏塔是空气分离的核素如气温、海拔等也有影响。故从能耗方面来讲心设备,通常采用双级塔布置,如图3所示。空分系选用全低压流程对于供氧需求量很大的富氧燃烧更统的空气压缩机能耗约占总系统能耗的92%,产品有利。目前中国国内普遍应用全低压流程双塔精馏压缩机部分约占6%,其它能耗只有不到2%。空分设备。根据产品状态划分为只生产气氧、只生产液氧既生产气氧又生产液氧的空分设备;根据产品种类划分为生产单高产品、双高产品(氧和氮)、带氬产品(氧氮、氬)及全提取(氧、氮氩及其它稀有气体)空分设备。→氧气空分设备流程又分为内压缩流程(图4)和外压缩流程(图5)。二者的本质区别是内压缩流程空分设备用空气增压机和液氧泵取代了外压缩流程的氧气压缩机。内压缩流程空分设备是采用液氧泵把液氧加压到3MPa(或用户所需的压力),然后在主换图3双级精馏塔热器中被汽化和复热,出冷箱后直接送往氧气管网和1.上塔;2.下塔;3.冷凝蒸发器;4.液空节流阀;用户。外压缩流程空分设备则是把出冷箱的低压氧5液氮节流阀;6.富氧液空气用氧压机加压到用户所需压力,然后送到氧气管网FIg 3 Two-stage distillation column和用户。气压缩预冷系统纯化系统冷、热交换精解系统制氩系统氮气氩气6FmI I1液氧外界供水图4内压缩流程1.空气过滤器:2.空气压缩机:3增压空气压缩机;4级间冷却器;5,空冷塔;6.水冷塔;7.分子筛吸附器8蒸汽加热器;9.透平膨胀机;10.精馏塔:11过冷器;12液氧泵;13.氮压机;14.液氩泵;15.粗氬塔;l6.精氩塔般来说,如以供给接近常压气氧为主,外压缩程增设了增压机和液氧泵,按工艺要求,产品氧气压流程氧压机耗能较小,或可取消氧压机;而内压缩流力将会提高因此在此情况下,外压缩流程制氧单耗低温工程1l年空气压缩预冷系统纯化系统制冷、热交换精馏系统制系统氧气氮气氩气区D(凶D液氧外界供水图5外压缩流程1.空分过滤器;2.空气压缩机;3级间冷却器;4.空冷塔:5.水冷塔;6.分子筛吸附器;7蒸汽加热器;8.透平膨胀机;9精馏塔;10.过冷器;11.氮压机;12.氧压机;13.液氩泵;14.粗氫塔;15精氬塔Fig 5 External compression process of ASU般低于内压缩流程制氧单耗。如以供给高压氧直接用于富氧燃烧并非最优匹配存在着进一步降低气为主(或提高液氧产量),则由于气态氧压缩耗能设备投资与减少制氧电耗的可能性。要比液氧压缩耗能高得多,因此,在增压富氧燃烧或首先是精馏系统的精馏产品与常规制氧设备不高压纯氧气化的场合,则内压缩流程制氧能耗相对较同,因为不需要制取氮气产品,因此,可以取消与污氮低。另外,由于外压缩流程采用氧气压缩机提升氧处理的有关流程设备与消耗电能的氮压机,直接将污压;因此,其安全性不如采用低温液氧压缩的内压缩氮排出。另外,与制取氩气等气体有关的设备与流程流程,二者的设备投资差别不大。均可取消。对外压缩流程空分设备来说,产品氧的压力已达到锅炉富氧燃烧要求故也不需氧压机。内压3空分设备与富氧燃烧系统匹配的探讨缩流程空分设备的产品氧气的压力较高,对常压富氧与富氧燃烧匹配的空分设备具有需氧气量巨大、燃烧已经富裕。表1为采用不同空分流程的常规制纯度低、压力低、不需要氮及其它稀有气体的特点,因氧设备与匹配富氧燃烧的制氧设备的主要耗能设备此,无论是内压缩还是外压缩流程,现有的空分设备的比较表1不同空分流程的能耗设备对比Table 1 Energy equipments comparison of different air separation processes空压机氧压机液氧泵液氢泵常规外压缩流程包括不包括畜氧燃烧包括不包括不包括不包括不包括内压缩流程常包括包括不包括包括包括包括高氧燃烧包括不包括不包括空分设备能耗计算原理与方法论最小分离功。假定环境温度和压力分别为T、P,分离前的焓从热力学角度看低温空气分离制氧过程是一个熵为h、5,分离后各组分的焓、嫡之和分别为h、s,不可逆过程,必须以消耗外界功作为补偿。若假定该混合气体中氧、氮的分压力分别为Po、P,浓度表示过程为理想可逆过程,则对应的耗功最小称其为理为指m中n的浓度。由热力学第一与第二定律适合富氧燃烧发电系统的空分制氧能耗分析可知,理论最小分离功为P1为空压机入口、出口压力,MPa;p为空气密度,kgW=T(5-)-(b-h)(1)m3;V为空气体积m3/h;nr、n为压缩机等温效率和若将空气视为氧氮的二元理想混合气体,其混机械效率。合热为零,其焙值可表示为:对于内压缩流程涉及的增压机,其能耗计算与空h。=ybh。+yNh=h(2)气压缩机类似,是将空气从P1压缩到P2时实际所消将空气分离为纯氧和纯氮前与分离后熵的变化耗的功。对于内压缩流程涉及的液氧泵的能耗计算1)如下。5。-5=yRm2+y、Rnm液态的氧通过液氧泵升压为高压液氧,压力由YoIn+yIn(3)P到P2,单位时间内排出液体的数量有体积流量Q(3)和质量流量G两种表示方法,二者的关系为:G= PQ其理论最小分离功可表示为:液氧泵电耗计算式n,=工Rn(m+xm3)(4)A=pQH:10×Qp2-p22 xn=-102×n同理若将空气分离为y。浓度的氧气和yN浓度(10)的氮气,所需的理论最小分离功为:式中:W为液氧泵的电耗kW/h;N为液氧泵Wm=W。-W…VW-5)的有效功率,wMm为液氧泵的效率为液氧的密度,kg/m3;Q为液氧的体积流量,m3/h;H为泵的式中:甲。为最小理论分离功k/km;V为参扬程,mp、P2为液氧泵的入口、出口压力,MP与分离的空气的体积,m3/h;V为分离所得的氧气的体现富氧燃烧空分制氧电耗的多少,可以用制氧体积m3/h;V为分离所得的氮气的体积m3/h单耗W来表示,即制取单位体积氧气所消耗的电能,实现低温空气分离制氧需要将空气压缩到一定kWh/m3。的压力,即必须提髙其娳值(取环境状态下空气的佣(11)值为零)。理想可逆条件下,空气压缩后的娴等于分式中:Wr用为空分设备的厂用电耗kW;V为产离后产品各组分的佣之和。实际的分离过程是不可品氧气的体积流量,m3/h;逆的,分离装置中存在很大的娴损失,因此,压缩空气所具有的佣远大于分离产品各组分的娴之和。在分5300MW富氧燃烧系统中不同空分设备电耗计算离过程中,空气的理论最小分离功应转化为分离后各结果组分的娴,超出理论最小分离功的那部分烟则在过程以300MW的常压富氧燃烧发电机组为例,燃烧中被消耗体现为装置的娴效率η。因此,实际压缩煤种为烟煤,燃烧需氧量为61kg/s,供氧压力0.1空气具有的佣与最小理论功之间的关系为。MPa。计算中取T0=298K,P0=0.1013MPa,y=ea troIn(6)0.209,=0.791,给定氮气平均纯度y=96%,R=8.3143k/(kmol·K),取n。=0.2,r=0.7,式中:Po为大气压力P1为空气分离所必须压缩w=0.98。的流程压力,见式(7):能耗的区别主要体现在制氧量和流程压力的不Pexp(W。/TRn)(7)同制氧纯度降低会使得流程压力减小,导致空气将气体从环境压力等温压缩至流程所需压力P1的理论最小分离功不同,从而最终导致空分的厂用电时实际所消耗的功W表示为:耗不同。如表2所示为应用以上计算方法,对制取不同纯度氧气的各制氧参数的计算结果。制氧纯度低,(8)最小分离功减少。mTm分别计算采用改进后的外压缩流程和内压缩流式中:W为实际压缩空气所消耗的功kJ/h;R为程时制取不同纯度的氧气的能耗参数,并进行比较。气体常数/(kg·K);T为空压机入口温度K;Po、如表3所示。低温工程2011年表2制取不同纯度的氧气的制氧参数比较Table 2 Oxygen parameters comparison of diferent oxygen purity空分设备燃烧需餐量/(kg/制氧量/(m3/h)流程压力/MPa空气最小分离功/(k/km制取95%的氧气161773.394制取99.6%的氧气154301.9表3匹配富氧燃烧空分设备制氧能耗比较(汽轮机机组额定输出电功率为300MW)Table 3 Energy consumption parameters comparison of improved processes for ASU in oxygen-enriched combustion氧气纯度制氧量/(m3/h)空分类型空分厂用电耗/MW空分厂用电率/%制氧单耗/kWh/m2外压缩6732161773.322.492.1299.6%外压缩57154301.9内压缩制氧纯度低时,尽管制氧量比制取高纯度氧时参考文献大,但由于最小分离功减少,对外压缩流程,厂用电率要低2.1%。对内压缩流程,厂用电率要低1.7%。1侧维平米翠丽,30Mw高氧燃烧电站锅炉的经济性分析[小根据文献报道,中国国内尚无制取95%纯度氧气设动力工程学报,2010,30(3):184191陈海霞周文武.大型空分设备应用现状及发展前景[].化工装备的工程应用,即使有低纯度的需求,也是采用高纯备技术,2008,29(3)1214.度氧气摻混空气的方法获得。中国国内已经运行的Vince White, Air Products, UK. Oxygen production and CO, compres-大型工业化制纯度高于99.6%氧气设备的电耗大致sion[C]. 2nd Ory-fuel Capacity Building Course, Beijing, China为07kWh/m3,如果用于富氧燃烧发电,空分厂用电率将高达36%,再加上常规厂用电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烧发电将无经济性可谈。[C]. Greenhouse Gas Control Technologies -6th Intemational Confer-ence,2003:1051-10566结论5 Klas Andersson, Filip Johnsson. Process evaluation of an 865MW lig目前工业上采用的高纯度(大于9.6%)空分制nite fired O,/CO, power plant[ J]. Energy Conversion and Mament,2006,47(18-19):3487-3498氧设备的制氧单耗过高,大大降低富氧燃烧发电效6 Arthur darde, Rajeev Prabhakar, ean-Pierre Traner,t.Ap率。由于富氧燃烧要求的氧气纯度为95%左右,存ration and flue gas compression and purification units for oxy-co在降低制氧电耗的潜力。深冷空分制氧设备的最小combustion systems[ J]. Energy Proeedia, 2009, 1(1): 527-534.分离功由设备制氧量和流程压力决定,在所需纯氧量毛绍融,朱朔元周智勇.现代空分设备技术与操作原理[M].杭定的情况下制氧纯度降低,空气分离所需的最小州:杭州出版社,2007分离功减小,制氧能耗降低。300MW富氧燃烧发电8林文胜,顾安忠.氧氮纯度对制氧机运行特性的影响[门.深冷技机组的低纯度空分装置的能耗分析表明,对常压富氧9贺雷,空分设备性能研究及问题分析[D].天津:天津大学燃烧外压缩制氧流程制氧单耗低于内压缩流程,二者厂用电率相差约8%,而内压缩流程更适合增压富10周智勇大型空分设备技术现状及进展].深冷技术,2003):氧燃烧,在提供高压氧气时具有优势。采用外压缩制11陈桂林.内压缩空分设备流程[C].2006年大型空分设备技术交氧流程的厂用电率为2.4%,与高纯度空分装置比流会论文集,2006较,厂用电率可降低约2.1%。如果直接将目前工业12林知望冶金企业制氧机流程的比较[]低温与特气,200,2上采用的高纯度空分装置用于富氧燃烧发电,其空分(4):23-26.厂用电率将高达36%。进一步利用电站热力系统的13林文胜顾安忠,氧气纯度与空分流程经济性分析[门].低温工余热以及空气分装置释放的冷源等,或者直接采用汽程,1999(4):315-31914邢翼腾.ICCC电站空分系统的研究与建模[D].北京:清华大动空气压缩机,则还具有降低富氧燃烧电站的厂用率学,2003.的潜力。15李化治制氧技术[M].北京:冶金工业出版社,2007