1研究背景：能源利用和环境保护是实现我国可持续发展战略的重点,寻求清洁可再生能源,减少CO2等温室气体的排放是实现电力行业健康稳定发展的重要保证。风能是一种资源丰富、洁净的可再生能源,风力发电是目前新能源发电技术中最成熟、最具规模化的发电方式之一。但是,由于风电具有随机性、间歇性及反调峰性的特点,在夜间用电负荷低谷时段,“弃风”现象比较突出,造成风能资源的浪费,因此需要可行的解决方案消纳“弃风”,促进风电大规模发展。目前,主要通过抽水储能电站和压缩空气储能实现风电的大规模存储。但这两种方法都需要一定的地理条件,灵活性不够,限制了风电存储的应用范围。
因此,找到高性价比的储能介质来实现风电能量的大规模存储与输出是消纳“弃风”的关键。石灰石成本低廉,且通过CaO-CaCO3的循环能将风电系统与常规生物质燃烧发电系统结合,实现风能的高品位存储与输出,同时,也可以捕集生物质燃烧产生的CO2。利用上述循环,在风电场与生物质电站之间架设专有线路,可以方便的将风电系统与常规生物质燃烧发电系统结合,实现风电消纳和CO2负排放的目的。
2技术思路
本文提出将风电系统、生物质燃烧发电系统以及CaO-CaCO3循环系统结合起来,通过在风电场与生物质电站之间架设专有线路,可以方便实现风电消纳系统与常规生物质燃烧发电系统的结合。在夜间用电负荷低谷时段,利用风电煅烧CaCO3生成高温CaO和高温CO2实现风能的高品位储存,对高温CO2进行余热利用后压缩封存,实现CO2的负排放;白天用电负荷高峰时段再将高温CaO投入生物质燃烧发电系统,吸收烟气中的CO2,反应释放的高品位热能转化成电能增加发电量,以这种系统联合的形式能够实现“弃风”消纳,增加生物质机组发电量和CO2负排放的目的。
本文设计的基于CaO高温储热消纳风电耦合生物质燃烧发电的CO2负排放系统包括三个部分:生物质燃烧发电系统、风电消纳系统及CO2捕集封存系统,系统结构如图1所示。
1)生物质燃烧发电系统:生物质燃烧发电系统是在已有的M型布置的30MW高温高压生物质直燃电厂基础上增加了碳酸化炉和旋风分离器。图1中过热器受热面中依次布置三级过热器、四级过热器、二级过热器、一级过热器。在白天用电负荷高峰时段,将碳酸化炉和旋风分离器与过热器受热面串接,如:将碳酸化炉和旋风分离器串接在四级过热器和二级过热器之间。在夜间用电负荷低谷时段则碳酸化炉和旋风分离器旁路。
将生物质燃料投入生物质燃烧炉进行高温分解及燃烧,产生的高温烟气经过三级、四级过热器导入至碳酸化炉中,烟气中的CO2与高温CaO发生反应,高温CaO由CaO储罐输出到碳酸化炉中。碳酸化炉温度设置为650-750℃,在该温度范围内CaO与CO2有较好的反应特性,但由于碳酸化炉中的反应处于无水状态,干法脱硫脱硝的效果有限,因此产生的CaCO3纯度很高。反应放出的热量被蒸汽吸收,反应产物经旋风分离器脱除掉其中的固体CaCO3。最后,除去CaCO3后的烟气依次流过二级过热器、一级过热器、省煤器、空气预热器等受热面,经除尘后被排放。
2)风电消纳系统:经旋风分离器分离出的固体CaCO3存储于CaCO3储罐中,到夜间用电负荷低谷时段投入到CaCO3煅烧炉中煅烧,CaCO3煅烧所需的热量是由风电电加热提供,煅烧炉的温度达到900-1000℃。煅烧产生高温CaO和高温CO2,经分离后高温CaO送入CaO储罐中存储,高温CO2则送入CO2捕集封存系统。
3)CO2捕集封存系统:CaCO3煅烧炉分离出的CO2温度为900-1000℃,进入余热锅炉中加热给水,产生蒸汽进入汽轮机做功。余热利用后的CO2通过多级中间水冷式压缩机被压缩储存。
3技术分析
在AspenPlus软件中,搭建完整的系统模型并对其进行模拟分析,模拟是基于稳态及热力学平衡状态进行的。
1)分析碳酸化炉的接入位置对系统储电效率、CO2捕集量及系统经济性的影响。不同的接入位置对应不同的反应效率及能量损耗,接入位置影响旋风分离器分离出的固体带走的热量,系统CO2捕集量以及排烟损失。因此需要综合考虑上述3个技术指标,确定最优的接入位置。
2)分析碳酸化炉和CaCO3煅烧炉温度对系统储电效率和CO2捕集量的影响。通过灵敏度分析检验关键设计变量变化对系统性能的影响,确定碳酸化炉和CaCO3煅烧炉温度的最佳工作温度。
4结论及局限性
利用CaO和CaCO3的循环将生物质直燃电厂与风电系统结合,这种方法不受地理位置的限制,能实现对“弃风”的大规模消纳,合理有效地提高能源利用率;同时,也可对燃料燃烧排放的CO2进行捕集,实现了储能过程的CO2负排放。
本文的局限性在于选择的生物质直燃电厂负荷较小,发电效率低,较大程度的限制了系统储电效率。
主要作者介绍
周驰,东南大学硕士研究生,东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室。主要研究方向:热力系统优化与控制。
向文国,东南大学博士生导师,东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室。主要研究方向:洁净煤燃烧、热力系统优化与控制等。发表论文70余篇,其中SCI收录论文11篇,EI收录论文38篇,获得国家发明专利授权3项,国家发明专利公示9项。
原标题：具有CO2负排放的风电高温储能系统模拟
