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中国航发燃机:积极开发基于CCS的燃气轮机低碳能源解决方案

2021-10-14 15:58:08 中国航发

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译者按:目前我国在提高能效和发展清洁能源方面的进展已经居于世界前列,政府在调整产业结构、优化能源结构、节能提高能效、控制非能源活动温室气体排放、增加碳汇等方面采取一系列行动,已取得了积极成效。碳捕捉与碳封存作为重要的减排技术,是我国践行低碳发展战略的重要技术选择,实现绿色能源发展至关重要。为了更好地响应国家“双碳”战略,在2030年排放达到顶峰,需要进一步深化CCS结合副氢燃料燃气轮机在我国的研究和发展,基于此中国航发燃机编译了本文,以期引发行业更多有益的思考。

中国航发燃机:积极开发基于CCS的燃气轮机低碳能源解决方案

欧洲透平联盟(European Turbine Network,ETN)对欧盟委员会(European Commission)的倡议表示支持,在更新后的战略能源技术规划(SET-Plan)中,明确行动和研究需求,确定其优先级,并将其与能源联盟(Energy Union)的支柱相匹配。我们很高兴有机会参加本次利益攸关者的闭门研讨会,本次研讨会的主题是关于“议题文件9:继续努力在欧盟示范碳捕集与封存(CCS)技术并开发可持续的碳捕集与利用(CCU)解决方案”。

尽管继续使用天然气、页岩气或可再生生物燃料等气体或液体燃料发电的燃气轮机背后存在着巨大的动力,但为实现商定的二氧化碳减排目标而采取的政策和监管行动仍然面临挑战。这对于燃气轮机行业来说具有重要的战略意义,燃气轮机行业将继续致力于开发低碳方案和成本效益高的CCS,用于新设计和现有机组的改造。

ETN认为,议题文件9中提到的目标和指标没有反映技术现实和技术成熟度。此外,应重新安排一些商用CCS技术,以实现负荷灵活性,从而平衡波动的可再生能源。

据调查,由于成本过高(超临界煤粉电厂(SCPC)和燃气轮机联合循环电厂(CCGT)捕集每吨二氧化碳的成本分别为55和80美元),以及缺乏政策和财政方面的支持,CCS技术的推广应用进展缓慢。在可能的情况下,应安排一些商业上可用的CCS技术以实现负荷灵活性,但不可避免的会以牺牲效率和成本为代价。其他一些二氧化碳捕集概念与负荷灵活性要求不(或几乎不)兼容。

从最终电力成本的角度来看,尽管燃煤电厂捕获每吨二氧化碳的成本较低,但无论是否使用CCS,CCGT电厂都比SCPC电厂更具竞争力。考虑到CCS技术造成的相对净效率损失以及捕集后的最终净效率均有利于CCGT电厂,解释了这一显著结果。

为了认真对待2℃温控目标,欧盟应该考虑在2020年之前至少建设三到五个大型或中型的示范项目,每个项目都使用下列二氧化碳捕集方法。

1)燃烧后捕集,捕集装置位于燃气轮机排气管上。

2)燃烧前捕集,燃烧前碳被基本去除,留下富氢的燃料气。

3)富氧燃烧捕集,二氧化碳很容易从排气的蒸汽中分离出来。

ETN认为,应在以下领域进行更多的研究活动:

1.燃烧后二氧化碳捕集技术与燃气轮机的集成

燃气轮机发电的脱碳,无论是对现有的天然气发电机组还是对新的建设计划,都将对运营成本和可调度电力水平产生重大影响,因为如果将二氧化碳捕集计算在内,就会产生能源损耗。在选择最合适的捕集技术及其集成优化方面(同时保持电厂的灵活性)面临重大挑战。其中,以下领域值得深入研究。

(a)研究替代燃烧后捕集技术,如钙循环(Ca-looping cycles)或使用压力或温度非线性变化的固体吸附剂,以改善热集成,从而降低运营成本。此外,还有其他燃烧后捕集方案,如二氧化碳分离膜。

(b)研究废气再循环的影响,包括加强的再循环方案(如使用二氧化碳分离膜),以提高废气中的二氧化碳含量,从而降低电厂碳捕集的规模和成本。这种方法将导致燃气轮机的燃烧和热通道环境产生重大变化,也可能对其可操作性、材料以及部件寿命产生影响。

采用废气再循环(EGR)和富二氧化碳(CO2-rich,二氧化碳含量高于EGR)概念的燃气轮机有助于大幅提高燃气轮机的效率,因为它允许更高的涡轮进口温度,同时将污染物排放保持在工业排放标准规定的范围内。即使在最小环境负荷较低的情况下,预计污染物排放量也会显著减少。废气中的二氧化碳含量越高,越有可能降低捕集二氧化碳的成本,从而降低电力的最终成本。由于当前和未来可再生能源占主导地位,灵活性和成本效益是CCS技术可持续性的首要要求。在CCGT中实施EGR,满足了两方面的要求:确切地说,可以将需要脱碳的废气量减少近50%,从而大大减小了捕集设施的规模,增加了操作灵活性,降低了资金和运营支出。除了采用EGR/CO2-rich策略外,目前的CCGT电厂可以通过用封闭式超临界二氧化碳(closed supercritical carbon dioxide,S-CO2)循环取代蒸汽动力部分的方式进行"重新编码"。这种解决方案在保持效率不变甚至更高的同时,提高了电厂的灵活性:这是由于多个因素的协同作用,如S-CO2循环底层设备的巨大紧凑性和随之而来的低热惯性(包括汽轮机转子),单相热回收,无除盐水及常压冷凝器的需求。

最后,采用EGR/CO2-rich的概念,结合S-CO2底层循环,可以为CCS技术的开发提供近期/中期灵活、高效及成本效益高的解决方案。

2.应用氢气、生物质衍生气和其他低碳气体

氢气(H2)、生物质衍生气和其他低碳气体通常比化石衍生气体清洁度低,可能给燃气轮机燃烧器和热通道带来不利影响。

因此,应进行更多的研究,以提高燃料的灵活性,以及直接燃烧,或掺混至天然气分配网络(如天然气重整,燃烧前捕集气化工艺产生的富氢合成气,电解产生的氢气(来自未利用的可再生电力)或生物质衍生气)。

3.富氧燃烧燃气轮机的先进、高效循环

目前正在开发一系列先进、高效的循环,以便为燃烧后捕集技术的应用提供更高效分离固有二氧化碳的替代方案。这为富氧燃烧捕集提供了近乎纯净的二氧化碳废气流(水凝结后),从中更容易分离二氧化碳。其中一些循环在非常高的压力(高达300bar)下运行,并给运行和部件制造带来了重大挑战。以超临界二氧化碳动力循环(如NetPower循环)为例,废气中的二氧化碳被回收利用,或清洁能源系统循环,其中蒸汽用于调节燃烧条件。

带有内部富氧燃烧捕集的超临界二氧化碳循环是一种高成本效益以及(燃料和负荷)灵活的技术,这个技术在高度集成的二氧化碳捕集过程中,效率高,对环境和空间的影响最低。此外,S-CO2/富氧燃烧捕集策略可以有效地解决电改气、CCS和S-CO2泵送(提高采收率、无水页岩气开采)的全面集成问题。

虽然在低成本、低碳电力方面具有巨大潜力,但这些循环需要在燃烧、热通道环境(高蒸汽/二氧化碳水平)、材料、涡轮机械要求、控制策略等方面有重大发展,因为这些系统与传统系统非常不同,并且存在许多挑战和不确定性,这些挑战和不确定性可能会限制循环的潜在性能,并严重阻碍其发展。研究这些变化的运行环境的影响将有助于识别最有潜力的循环,从而为未来燃气轮机的发展提供可能的技术路线。

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