氧燃燒系統(tǒng)的能源-經(jīng)濟-環(huán)境綜合分析評價.pdf

1、在全球減排CO2的大環(huán)境下，中國因為CO2排放量大且速率不斷增加而面臨著巨大的減排壓力。氧燃燒技術(shù)在傳統(tǒng)燃煤發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)上添加了空分裝置和尾氣處理裝置，用純氧代替空氣進行燃燒，并將70％左右的煙氣進行循環(huán)，由此可以得到高濃度的CO2，因此被認為是一種有望從燃煤發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模減排CO2的新型燃燒方式。為了對氧燃燒技術(shù)的技術(shù)可行性、熱力學特性、經(jīng)濟性、環(huán)境友好性等進行全面地評估，本文選取中國典型600 MW超臨界燃煤發(fā)電系統(tǒng)作為研究對象，從

2、能源‐經(jīng)濟‐環(huán)境三個方面對其進行了詳細的分析和評價。?
　　本文首先在AspenPlus軟件中對氧燃燒系統(tǒng)設(shè)計了一個靈活的仿真平臺，在不同工況下研究系統(tǒng)關(guān)鍵運行參數(shù)（如煙氣循環(huán)率、氧氣濃度、氧氣過量系數(shù)等）對系統(tǒng)熱力性能的影響。結(jié)果顯示：添加空分裝置和尾氣處理裝置使氧燃燒系統(tǒng)熱效率降低10.84％；氧燃燒系統(tǒng)可以高效地捕集到高濃度CO2（99?％），且能夠?qū)崿F(xiàn)SOx和NOx的協(xié)同脫除；冷循環(huán)方式中煙氣參考循環(huán)率為0.695～0.7

3、16，熱循環(huán)方式中煙氣參考循環(huán)率為0.613.本文得到的仿真結(jié)果可以指導氧燃燒系統(tǒng)設(shè)計和運行，并是后續(xù)分析和評價的基礎(chǔ)。
　　為了對氧燃燒技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展的經(jīng)濟可行性進行合理評估，本文選取國內(nèi)典型的300MW亞臨界、600MW超臨界以及1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機組所對應的氧燃燒系統(tǒng)進行了技術(shù)經(jīng)濟學評價。采用2010年發(fā)布的權(quán)威國內(nèi)火電工程限額設(shè)計的數(shù)據(jù)，建立了合理的技術(shù)經(jīng)濟評價模型和方法，計算了發(fā)電成本、CO2減排成本和CO2捕

4、捉成本等經(jīng)濟性指標，并考慮碳稅和CO2出售等對氧燃燒電站經(jīng)濟性的影響。結(jié)果表明：氧燃燒系統(tǒng)發(fā)電成本是傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)的1.39~1.42倍，氧燃燒系統(tǒng)CO2減排成本和CO2捕捉成本的范圍分別為160～184?￥/t和115～128?￥/t；考慮到氧燃燒技術(shù)在燃燒效率、脫硫脫硝效率等方面的優(yōu)勢，如果對電廠排放的CO2征收碳稅和找到高濃度CO2的銷售出口，或?qū)﹄姀S建設(shè)的融資和原煤價格進行政策傾斜，或提高制氧系統(tǒng)和煙氣處理系統(tǒng)的功耗價格比，氧燃燒

5、電站可望達到或接近傳統(tǒng)電站的經(jīng)濟性。
　　在系統(tǒng)仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文對600MW氧燃燒系統(tǒng)（劃分為四個部分：鍋爐模型、汽水循環(huán)模型、空分模型以及尾氣處理模型）和傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)（包括鍋爐模型和汽水循環(huán)模型）進行了火用分析，對鍋爐模型進行了詳細地劃分，對系統(tǒng)中物流的化學火用進行了精確計算，并進行了火用損分析、火用效率計算以及能量品位計算。結(jié)果顯示：氧燃燒技術(shù)因為降低了燃燒過程火用損，能達到更高的火用效率，并實現(xiàn)了物理能和化學能的綜合、

6、梯級利用；水冷壁和空氣預熱器是鍋爐模型中火用效率最低的部件，存在較大的優(yōu)化可能；鍋爐模型是整個系統(tǒng)火用損的主要來源，汽水循環(huán)模型的火用損僅系統(tǒng)總?cè)剂匣鹩?％左右，空分模型以及尾氣處理模型的火用損僅占氧燃燒系統(tǒng)總?cè)剂匣鹩玫?.71％；氧燃燒系統(tǒng)火用效率比傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)火用效率降低4.08％。
　　在火用分析結(jié)果和成本分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文利用熱經(jīng)濟學結(jié)構(gòu)理論對600MW氧燃燒系統(tǒng)以及傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)建立了熱經(jīng)濟學成本模型，并建立了一種新的

7、單位火用成本分解策略，將其分解為燃料、火用損以及負熵三個組成部分，并基于此分解方法對兩個系統(tǒng)中各組件進行火用成本分析和熱經(jīng)濟學成本分析。在熱經(jīng)濟學成本模型的基礎(chǔ)上，采用脫除成本、環(huán)境損害成本以及稅收等三種模型來計量環(huán)境因素，引入環(huán)境成本，從而對兩系統(tǒng)進行了環(huán)境熱經(jīng)濟學成本分析。分析結(jié)果顯示：氧燃燒系統(tǒng)中組件產(chǎn)品的單位火用成本約為傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)中相應值的1.1倍，而單位熱經(jīng)濟學成本是傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)中對應值的1.22倍左右，文中也建立了這兩數(shù)值

8、之間的內(nèi)在聯(lián)系；單位火用成本中燃料部分所占比例最大，但是影響同一模型（如鍋爐、汽水循環(huán)）中不同組件單位火用成本高低的是其火用損部分的大小；當考慮環(huán)境因素的影響時，在環(huán)境損害模型下求得的組件產(chǎn)品單位環(huán)境熱經(jīng)濟學成本最大，這表明對污染物質(zhì)進行脫除是必要且有利的，減排CO2的氧燃燒技術(shù)不僅對環(huán)境友好，且具有經(jīng)濟競爭力。稅收是將環(huán)境損害的外部性內(nèi)部化的有效措施，本文所得到的分析工況下的合理CO2排放稅收額為140?￥/t左右，而我國目前對SOx

9、和NOx的排放稅收額偏低。
　　綜合以上結(jié)果，有如下基本結(jié)論：氧燃燒技術(shù)實現(xiàn)了能量的綜合、梯級利用，所以提高了鍋爐的熱效率、火用效率；但是同時因為在空分裝置和尾氣處理裝置中消耗了大量的電能，所以使系統(tǒng)熱效率降低較明顯，但是火用效率的降低有所緩和；能量的消耗以及投資成本添加提高了氧燃燒系統(tǒng)的發(fā)電成本，結(jié)合CO2減排成本和CO2捕捉成本的計算，更加明確地顯示了氧燃燒技術(shù)的經(jīng)濟障礙，但是當考慮對CO2排放征稅和CO2產(chǎn)品出售時，氧燃燒系