煤基直接加熱式超臨界二氧化碳動力循環(huán)系統(tǒng)建模及性能分析

段元強， 方冬東， 吳 柯， 段倫博

(東南大學 能源與環(huán)境學院，能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室，南京 210096)

超臨界二氧化碳(supercritical carbon dioxide, sCO2)動力循環(huán)作為一種具有較大效率潛力和廣泛應用前景的新型能量轉換方式，近年來受到了學術界和工業(yè)界的關注。2003年以來，美國能源部資助了一系列有關sCO2動力循環(huán)的研究項目[1]，我國在該領域也逐步進行了大量的科研投入[2]。2017年11月，由華北電力大學牽頭啟動了國家重點研發(fā)計劃項目“超高參數(shù)高效二氧化碳燃煤發(fā)電基礎理論與關鍵技術研究”，該項目現(xiàn)已完成1 000 MW級sCO2燃煤發(fā)電系統(tǒng)的概念設計，系統(tǒng)設計發(fā)電效率可達51%[3]。

sCO2動力循環(huán)應用于燃煤發(fā)電可分以下2條路線[4]：一是間接加熱式，即采用sCO2循環(huán)取代常規(guī)的蒸汽朗肯循環(huán)，利用CO2在臨界點附近密度高、循環(huán)壓縮能耗小的特點，提高系統(tǒng)凈效率。在該循環(huán)系統(tǒng)中sCO2僅為工質，不參與燃燒化學反應，目前絕大多數(shù)的研究也都是基于間接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)進行的。二是直接加熱式，即采用燃燒室取代間接加熱式循環(huán)中的熱源與換熱器，通過燃料在O2/sCO2氣氛中的直接燃燒反應實現(xiàn)熱功轉換。相較于間接加熱式，直接加熱式循環(huán)的系統(tǒng)更為復雜，但其具有更高的效率潛力和固有的CO2捕集能力，不需要額外工藝流程去捕集CO2。

現(xiàn)階段有關直接加熱式sCO2動力循環(huán)的實驗研究仍以甲烷等氣態(tài)燃料為主，而針對煤基燃料的直接加熱式動力循環(huán)系統(tǒng)仍處于概念研究階段。Allam等[5]將煤氣化和直接加熱式sCO2循環(huán)結合，提出煤氣化Allam循環(huán)，系統(tǒng)凈效率可達51.44%，同時還可實現(xiàn)接近100%的CO2捕集率。趙永明[6]搭建了整體煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)模型，對該循環(huán)的熱力學性能進行了全面評價，并提出新型雙膨脹循環(huán)流程，通過優(yōu)化回熱流程，將系統(tǒng)效率提高了1.98%。

美國國家能源技術實驗室(NETL)[7]也對煤氣化直接加熱式sCO2循環(huán)電站的效率和經(jīng)濟性能進行了評估，該研究中合成氣冷卻器產(chǎn)生的蒸汽只用來滿足系統(tǒng)內煤粉干燥和脫硫等工藝需要，多余的熱量用來預熱壓縮合成氣和回流的CO2工質。研究表明，在透平入口工質物流溫度和壓力分別為1 149 ℃和30 MPa的參數(shù)條件下，基準煤氣化直接加熱式sCO2循環(huán)電站可實現(xiàn)98.1%的CO2捕集率，此時基于高位發(fā)熱量(HHV)的凈效率為37.7%。同時，NETL等機構還提出了煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)的構想[8]，即煤不再經(jīng)過氣化過程，而是直接進入燃燒室，燃燒后產(chǎn)物(主要是sCO2和H2O)進入透平做功。該系統(tǒng)盡管存在燃料著火邊界和燃燒控制手段不明確、灰分顆粒在高溫高壓下缺乏穩(wěn)定可靠的分離手段等科學和技術難題，但由于減少了煤氣化環(huán)節(jié)，具有更高的效率潛力和更廣泛的應用前景。

筆者利用Aspen Plus軟件構建了煤氣化式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)模型，通過研究燃燒室出口溫度、透平入口壓力、透平出口壓力、回熱器夾點溫差以及空氣分離裝置(ASU)出口O2純度等關鍵參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，分析參數(shù)對整體循環(huán)性能的影響規(guī)律，確定最佳循環(huán)參數(shù)，并嘗試搭建煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)模型，通過對比相同關鍵循環(huán)參數(shù)條件下煤氣化式和直接燃燒式動力循環(huán)系統(tǒng)的效率和能耗分布，探索直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)的效率潛力。

1 煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)建模及性能分析

1.1 煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)建模

所建立的煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)流程如圖1所示。相比天然氣直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)，煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)增加了煤氣化環(huán)節(jié)，合成氣作為燃料進入燃燒室。煤經(jīng)過氣化、除塵、清潔等流程后的合成氣在加壓后被送入高壓燃燒室，與回流的高溫CO2和ASU提供的純氧在燃燒室內進行反應，燃燒室操作壓力通常設定在30 MPa左右。燃燒產(chǎn)物進入sCO2透平做功，做功完成后的透平排氣壓力在3 MPa左右。從透平出來的排氣進入高溫回熱器內加熱循環(huán)的sCO2工質流，同時經(jīng)過冷卻器冷卻后，完成CO2工質和水分的分離，水分被冷凝分離且排出循環(huán)系統(tǒng)。完成水分分離后的CO2被分流：一部分CO2(即圖1中PC-1物流)經(jīng)過壓縮后作為回流，經(jīng)過高溫回熱器加熱后重新進入燃燒室；一部分CO2(即PC-2物流)換熱后作為氣化爐系統(tǒng)的煤粉輸送風；另一部分多余的CO2(即PC-3物流)經(jīng)過碳捕集單元，被輸運到高壓sCO2管道，實現(xiàn)CO2的捕集和儲存。

1.1.1 物性計算方法

sCO2在臨界點附近(32 ℃、7.4 MPa)物性變化劇烈，其對循環(huán)系統(tǒng)流程設計和效率影響很大[9]，同時對建模過程中物性方法的選擇也提出了更高的要求。REFPROP物性方法被公認最能準確反映高純度CO2熱物理和輸運性質，因此被廣泛地應用于間接加熱式sCO2循環(huán)的模擬[10-11]。但在直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)中，燃燒引入的新雜質降低了REFPROP物性方法的準確度。結合前人經(jīng)驗和研究，本文關于煤氣化直接加熱式sCO2循環(huán)的模擬采用PR-BM物性方法。

圖1 煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)流程示意圖

1.1.2 空氣分離子系統(tǒng)

以較為成熟的空氣深冷制氧系統(tǒng)為建模對象，Aspen Plus軟件中空氣分離系統(tǒng)主要包括4個部分：空氣壓縮機、主換熱器、精餾塔和增壓膨脹模塊，空氣分離系統(tǒng)建模流程和模塊的選擇參見文獻[12]和文獻[13]。

本文所模擬的空氣分離系統(tǒng)采用25 ℃、0.1 MPa的空氣作為原料，空氣壓縮機采用3級中冷壓縮配置，空氣壓縮機出口壓力為0.6 MPa。

1.1.3 煤氣化子系統(tǒng)

煤氣化技術是目前發(fā)展比較成熟的煤炭化工技術，以增壓干煤粉氣化爐為參考進行建模，主要包含燃料制備及輸送、煤氣化、合成氣除塵、合成氣冷卻和熱量回收以及煤氣清潔等主要流程。

1.1.3.1 燃料制備及輸送

以神華煤作為設計煤種，其元素分析和工業(yè)分析如表1所示，采用干式給料技術，利用CO2替代N2進行煤粉輸送。燃料消耗量為215 460 kg/h，熱輸入功率為1 362 MW(按低位熱值LHV計)，氣化爐操作壓力設定為5.6 MPa，氧煤質量比(m(O2)/m(煤))為0.91。

表1 神華煤的元素分析與工業(yè)分析

1.1.3.2 煤氣化爐

煤氣化爐內發(fā)生著復雜的化學反應以及流動等過程，為簡化計算，結合Aspen Plus軟件特點，對氣化爐提出以下簡化假設：氣化爐處于穩(wěn)定操作狀態(tài)，不考慮壓力損失和泄漏；煤中的H、O、N、S全部轉化為氣相，C不完全轉化，C轉化率設定為99%；煤中灰分不參與反應。

將煤氣化過程簡化拆分為煤的裂解和煤的燃燒，并在Aspen Plus軟件中通過RYield 收率反應器和RGibbs平衡反應器模塊實現(xiàn)上述過程。在RYield 收率反應器里按照規(guī)定的反應程度和轉化率將煤轉化成單元素分子(C、S、H2、O2、N2、Cl2)和灰分，同時將裂解熱QDECOMP導入到RGibbs 平衡反應器。RYield 收率反應器需插入Forton語言實現(xiàn)轉化并定義C轉化率。

1.1.3.3 煤合成氣除塵

在煤合成氣進入燃燒室前應該去除其中的灰分和細顆粒物，本系統(tǒng)采用高溫陶瓷過濾器和水洗方法共同去除煤合成氣中的顆粒，高溫陶瓷過濾器可使氣體中的灰分顆粒得到有效分離，水洗過程可以去除顆粒較小的灰塵以及溶于水中的雜質氣體。其中，高溫除塵器可采用Aspen Plus軟件自帶的SSplit模塊進行模擬，將煤合成氣中的固體顆粒雜質分離效率設為100%，同時設定煤合成氣在水洗塔內的壓力損失為2%。

1.1.3.4 煤合成氣冷卻及熱量回收

目前，主要有2種方式對煤合成氣進行冷卻：采用輻射或者對流換熱器進行冷卻和采用水淬的方式進行驟冷。采用煤合成氣冷卻器可以很好地提高循環(huán)熱性能，相應地也會增加系統(tǒng)復雜程度和投資成本。采用水淬方式時系統(tǒng)更加簡單可靠，但會損失一部分熱量。更重要的是，水淬方式可以有效去除煤合成氣中的灰分顆粒和污染物，減輕了由于污染物凝結和顆粒物堵塞、磨損對后續(xù)系統(tǒng)設備的損害。

綜合上述因素，采用煤合成氣冷卻器和水淬方式相結合來實現(xiàn)煤合成氣冷卻和熱量回收，未經(jīng)除塵的高溫煤合成氣離開氣化爐后依次通過3個煤合成氣冷卻器用來預熱回流的sCO2、O2以及除塵后的煤合成氣等工藝氣體。換熱后的煤合成氣溫度逐步降低后再采用水淬方式進一步冷卻。

1.1.3.5 煤氣清潔

本文構建的煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)從簡化設備、降低投資成本的角度出發(fā)，選擇采用燃燒后清潔的方式，但該方式面臨一定的腐蝕危險，需要對設備和材料等進行有效評估。煤氣的凈化主要在水分離及酸氣脫除裝置中進行，由于工質流體中仍存在一定量的O2，氮氧化物和硫氧化物在液態(tài)水和氧氣存在的條件下可以通過一系列均相和異相反應被有效地從煙氣中脫除[14]，而煙氣中的水主要通過冷凝的方式加以去除。

1.1.4 sCO2動力循環(huán)子系統(tǒng)

1.1.4.1 燃燒室

采用Aspen Plus軟件自帶的Rstoic模塊來模擬燃燒室，在模塊里定義可能會發(fā)生的化學反應，燃燒室壓降取入口工質壓力的1.6%，燃燒室散熱損失按1%選取。為保證燃燒效率，燃燒室過量氧氣系數(shù)設定為3%，煙氣中多余的O2將在壓縮純化系統(tǒng)中參與NO/SO2的氧化反應，并在CO2冷卻液化流程中作為非冷凝氣體排入大氣。

1.1.4.2 sCO2透平

燃燒室產(chǎn)生的高溫高壓煙氣進入sCO2透平，推動葉片做功并帶動發(fā)電機發(fā)電。文中未采用渦輪葉片冷卻模型，對于常規(guī)葉輪機械性能，透平效率可假設氣體遵循理想氣體定律并通過推導得出，然而該規(guī)律不適用于sCO2流體。本文構建的系統(tǒng)中，給定了sCO2透平的等熵效率為90%。

1.1.4.3 回熱器

回熱器模型采用2個串聯(lián)的多流換熱器，如圖2所示。其中，換熱器MHX1熱流出口的溫度被定義為富CO2混合物的露點溫度，同時設定換熱器MHX2的最小換熱溫差為5 K，上述設定可使透平排出的廢氣熱量得到最大程度回收。

圖2 回熱器模型流程圖Fig.2 Simulation flow chart of regenerators

1.1.4.4 壓縮裝置

動力循環(huán)模塊中的壓縮裝置是整個系統(tǒng)中耗能最大的一部分，為了更好地模擬壓縮流程，分兩段進行模擬：采用帶有多級中冷的壓縮機將工質從起始壓力(約3 MPa)壓縮至高于工質臨界點的中間壓力(約8 MPa)；此時的CO2混合物處于超臨界壓力下，被冷卻至環(huán)境溫度(25 ℃左右)，成為過冷液態(tài)CO2混合物，進入CO2泵中被壓縮至目標壓力30 MPa左右。在臨界點附近或者液態(tài)條件下對CO2進行壓縮可以有效減少壓縮機能耗，提高系統(tǒng)凈效率。在本模型中壓縮機采用Aspen Plus自帶的Compr模塊進行模擬，泵采用自帶的Pump模塊模擬。

1.2 系統(tǒng)性能分析

煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)采用CO2輸送的煤粉氣化操作方式，氣化爐的操作壓力為5.6 MPa，操作溫度為1 371 ℃，經(jīng)過煤合成氣熱量回收和除塵等流程，煤合成氣燃燒后，循環(huán)工質以1 150 ℃/30 MPa的參數(shù)條件進入sCO2透平做功，透平排氣在3.4 MPa條件下進入回熱器后預熱回流的sCO2工質和燃燒用O2流，回熱器出口的低壓CO2溫度為76 ℃，低壓CO2進入酸氣脫除和水分分離裝置，經(jīng)過進一步冷卻后的CO2工質被回流，用于輸送煤粉和儲存。計算得到該系統(tǒng)的凈效率為40.67%(LHV)，相比帶有碳捕集系統(tǒng)的燃煤電站具有更大的效率優(yōu)勢[15]。

圖3為煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)的主要能耗分布。從圖3中可以明顯看出，該系統(tǒng)的能耗主要集中在動力循環(huán)的CO2壓縮單元、空氣分離裝置、O2壓縮單元和煤合成氣壓縮四部分，分別占據(jù)了系統(tǒng)總能耗的46.73%、24.54%、15.01%和8.64%。其中，空氣分離裝置能耗的大部分來自于空氣壓縮機能耗。由于該循環(huán)的特點是采用高壓富氧燃燒，需要燃燒氣體和氧化劑壓力達到30 MPa，同時采用高度回熱的設計，大量的循環(huán)CO2流升壓并被預熱后，重新回到燃燒室用以調節(jié)燃燒室出口溫度，因此壓縮裝置能耗對系統(tǒng)凈效率具有很大影響。

圖3 系統(tǒng)能耗分布Fig.3 Energy consumption distribution of the system

1.3 燃燒室出口溫度對系統(tǒng)凈效率的影響

在保證其他主要參數(shù)(透平入口壓力、透平出口壓力、回熱器夾點溫差、循環(huán)最低冷卻溫度等)不變的情況下，考察燃燒室出口溫度在1 000～1 300 ℃變化時對系統(tǒng)性能的影響，系統(tǒng)凈效率隨燃燒室出口溫度的變化情況如圖4所示。

從圖4可以看出，在燃燒室出口溫度低于1 150 ℃條件下，系統(tǒng)凈效率隨著燃燒室出口溫度升高而升高；在燃燒室出口溫度高于1 200 ℃條件下，系統(tǒng)凈效率隨著燃燒室出口溫度升高而下降。系統(tǒng)凈效率在燃燒室出口溫度為1 150 ～ 1 200 ℃存在最高值。燃燒室出口溫度由循環(huán)回流的CO2控制調節(jié)，在透平入口壓力和出口壓力等關鍵循環(huán)參數(shù)不變的情況下，如圖5所示，隨著燃燒室出口溫度的升高，只需更少的循環(huán)CO2質量流量就可以控制燃燒室出口溫度，而為了將渦輪葉片金屬溫度控制在材料溫度限制范圍內，循環(huán)CO2質量流量會增加，整體來看循環(huán)CO2質量流量略有下降。當燃燒室出口溫度下降時，出現(xiàn)相反的趨勢。循環(huán)CO2質量流量的變化會影響CO2壓縮機和壓縮泵的能耗，從而影響系統(tǒng)凈效率。

圖4 系統(tǒng)凈效率隨燃燒室出口溫度的變化Fig.4 Variation of system net efficiency with combustoroutlet temperature

圖5 循環(huán)CO2的質量流量隨燃燒室出口溫度的變化

1.4 透平入口壓力對系統(tǒng)凈效率的影響

圖6給出了透平入口壓力在24～34 MPa變化時對系統(tǒng)凈效率的影響，在所有工況下透平出口壓力和燃燒室出口溫度均分別保持在3.4 MPa和1 150 ℃。從圖6可以看出，隨著透平入口壓力的增加，系統(tǒng)凈效率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而系統(tǒng)的凈比功則呈現(xiàn)單調上升趨勢。當透平入口壓力在26～30 MPa變化時，系統(tǒng)凈效率的變化較小，此時存在最佳透平入口壓力。

在26～30 MPa內，透平入口壓力的升高使得透平做功增加并帶來系統(tǒng)效率提高，但同時透平出口溫度也隨之降低，導致回熱器冷側熱端出口循環(huán)CO2溫度降低，使得系統(tǒng)凈效率呈下降趨勢，最終體現(xiàn)為在該壓力區(qū)間內系統(tǒng)凈效率變化不大。

當透平入口壓力高于30 MPa時，透平排氣溫度無法將循環(huán)工質流回熱至更高溫度，且透平入口壓力的升高意味著CO2壓縮裝置、O2壓縮機、煤合成氣壓縮機的能耗隨之增加。當透平入口壓力低于26 MPa時，循環(huán)CO2在低溫段的比熱容將隨著透平入口壓力的降低而升高，使得回熱器內低溫段熱負荷不匹配，回熱效果變差，從而導致系統(tǒng)凈效率降低。

圖6 系統(tǒng)凈效率和凈比功隨透平入口壓力的變化Fig.6 Variation of net system efficiency and net specificwork with turbine inlet pressure

1.5 透平出口壓力對系統(tǒng)凈效率的影響

當透平出口壓力在2.8～4.0 MPa變化時，其對系統(tǒng)凈效率的影響如圖7所示。透平出口壓力的變化對系統(tǒng)凈效率的影響主要體現(xiàn)在三個方面：一是透平出口壓力的改變影響透平輸出功率；二是對動力循環(huán)中的CO2壓縮能耗產(chǎn)生影響；三是改變透平排氣溫度，影響回熱器的回熱效果。隨著透平出口壓力的升高，透平產(chǎn)生的功率以及CO2循環(huán)壓縮機所需功率均有所降低，從圖7也可以看出，在3.6～4.0 MPa范圍內可能存在最佳透平出口壓力。

圖7 系統(tǒng)凈效率和凈比功隨透平出口壓力的變化Fig.7 Variation of net system efficiency and netspecific work with turbine outlet pressure

圖8為透平出力、CO2壓縮機能耗、CO2泵能耗隨透平出口壓力的變化。由圖8可以看出，隨著透平出口壓力的升高，透平出力和CO2壓縮機能耗均減少，透平出口溫度會隨之升高，考慮到回熱器高溫材料的限制，透平出口壓力應存在最大值。

1.6 回熱器夾點溫差對系統(tǒng)凈效率的影響

回熱器在煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，回熱效果的好壞對系統(tǒng)凈效率有很大影響。為了考察回熱器內夾點溫差對循環(huán)整體性能的影響，分別選取5 K、10 K、15 K和20 K共4個夾點溫差，同時控制系統(tǒng)其他主要參數(shù)不變。從圖9可以看出，當回熱器夾點溫差由5 K增至10 K時，系統(tǒng)凈效率損失1.2%。隨著溫差的增大，回熱器內熱回收效率變低，回流的CO2溫度和質量流量隨之降低，透平發(fā)電量也就越低。同時，循環(huán)CO2壓縮機的能耗需求也降低，部分抵消了發(fā)電量下降帶來的系統(tǒng)凈效率下降。此外，由于回熱效果變差，回熱器出口的熱物流以較高的溫度排出，略微增加了冷卻器的冷卻水質量流量，對整個系統(tǒng)凈效率的影響可忽略不計。

圖8 透平出力、CO2壓縮機能耗和CO2壓縮泵能耗隨透平出口壓力的變化

圖9 系統(tǒng)凈效率隨回熱器內夾點溫差的變化Fig.9 Variation of net system efficiency with pinchtemperature difference in regenerator

1.7 O2純度對系統(tǒng)凈效率的影響

選擇最佳O2純度的主要目的是將ASU、碳捕集和循環(huán)CO2流再壓縮的總能耗降至最低，獲得最佳系統(tǒng)凈效率。一般情況下，O2純度越高，碳捕集和ASU的功率需求越高，循環(huán)氣體壓縮機的能耗越低。此外，當O2純度超過97%時，ASU的功率需求增加明顯，精餾過程從氮/氧分離轉變?yōu)檠?氬分離，其優(yōu)點是相對揮發(fā)性較低。

同時，回流的工質在被送入CO2泵前的最小壓力也取決于工質中的CO2純度，送入燃燒室的O2純度會對回流中的CO2純度產(chǎn)生直接影響。循環(huán)CO2流中的CO2純度越高，壓縮機所需要達到的中間壓縮壓力就越低，因此動力循環(huán)中的CO2壓縮裝置功率需求也就越低。就本文構建的系統(tǒng)來說，將O2純度從99.5%降低到97%，主循環(huán)流在泵送前必須壓縮的最小壓力從8.0 MPa增加到10.0 MPa。如圖10所示，O2純度增大帶來的空氣分離裝置能耗小于系統(tǒng)壓縮裝置能耗的下降，整體上系統(tǒng)能耗隨O2純度增加而下降，當O2純度由95%增加至99.5%時，系統(tǒng)凈效率由40.16%升高到40.67%，升高了約0.5%。

圖10 不同裝置能耗隨O2純度的變化Fig.10 Variation of energy consumption of differentunits with oxygen purity

由上述分析可以看出，煤氣化直接加熱式sCO2循環(huán)系統(tǒng)采用高純度(99.5%)氧流時具有更高的系統(tǒng)凈效率，主要是因為動力循環(huán)中壓縮裝置能耗的下降大于ASU能耗的增加。針對系統(tǒng)設計，采用較高的O2純度意味著ASU系統(tǒng)復雜性和能耗增加，但同時也簡化了CO2壓縮機和煙氣壓縮純化系統(tǒng)的設計。

2 煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)建模及性能分析

2.1 煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)建模

利用Aspen Plus軟件對煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)進行建模分析。根據(jù)系統(tǒng)的特點可將其分為3個子系統(tǒng)：ASU子系統(tǒng)、碳捕集子系統(tǒng)和直燃式sCO2動力循環(huán)子系統(tǒng)，其中ASU子系統(tǒng)和碳捕集子系統(tǒng)的工作原理及模型搭建在上文中已進行了詳細介紹，此處將不再重復。煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)流程如圖11所示，其動力循環(huán)子系統(tǒng)工作流程如下：煤粉與sCO2混合以漿態(tài)的方式被送入燃燒室，與回熱器出來的循環(huán)CO2流、O2流等進行混合燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫高壓煙氣流與煙氣再循環(huán)流混合驟冷后進入高溫除塵器，實現(xiàn)飛灰等固體雜質與煙氣的分離，除塵后的煙氣進入sCO2透平做功；透平出口的排氣進入回熱器，通過預熱通入燃燒室的循環(huán)CO2流和O2流回收排氣中的熱量；回熱器出口的低溫排氣進入分離凈化裝置，除去煙氣中的酸氣等污染物，達到可直接碳捕集的水平；純凈的CO2混合工質經(jīng)過進一步冷卻后，一部分循環(huán)回燃燒室，用于調節(jié)溫度，一部分被用于給料系統(tǒng)，剩下的部分經(jīng)過壓縮后直接捕集用于CO2儲存、利用。

圖11 煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)流程圖Fig.11 Schematic diagram of coal direct-fired sCO2 power cycle system

動力循環(huán)子系統(tǒng)主要包括燃燒室模塊、氣固分離模塊、透平模塊、回熱器模塊、水分離及凈化模塊、中間冷卻器模塊和CO2壓縮模塊，該子系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)透平做功并實現(xiàn)工質循環(huán)回流及CO2捕集。燃燒室的建模參考了前人關于煤增壓燃燒的研究[16]。

在煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)中由于燃燒室入口壓力較高(約30 MPa)，因此選擇用sCO2-煤漿態(tài)給料方式，通過高壓柱塞泵將燃料送入高壓燃燒室內。為方便對比，仍選用神華煙煤作為燃料，燃料質量流量也保持為215 460 kg/h，熱輸入功率為1 362 MW(LHV)。

2.2 煤氣化直接加熱式和煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)性能對比分析

為了對比煤氣化直接加熱式和煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)的效率及能耗分布，在假定相同關鍵循環(huán)參數(shù)(包括透平入口溫度、透平入口壓力、透平出口壓力、回熱器夾點溫差等)的基礎上，對煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)進行了模擬，并對2個系統(tǒng)的各主要性能指標進行了對比，結果見表2。

表2 2種循環(huán)系統(tǒng)性能比較

由表2可知，在相同的循環(huán)參數(shù)和熱輸入條件下，采用煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)的凈效率為40.67%，而煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)凈效率為48.21%，系統(tǒng)凈效率約提高了7.54%，這對于燃煤電站而言是很大的進步。從表2還可以看出，系統(tǒng)凈效率的提升主要來自于以下3個方面：一是取消煤合成氣壓縮裝置，減少大約35 933 kW的系統(tǒng)能耗，與此同時可以觀察到輸送氣壓縮裝置能耗上升了約2 239 kW，整體來說將燃料輸送到高壓燃燒室的能耗降低。二是煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)取消了煤氣化系統(tǒng)，在降低整體氧氣消耗量的同時也降低ASU及O2壓縮機的能耗。三是煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)的透平入口工質質量流量大于煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)，使得sCO2透平發(fā)電功率從969 909 kW增加至1 027 134 kW，增幅為57 225 kW。盡管此時工質質量流量的增加也會略微提高壓縮裝置的能耗，但從系統(tǒng)整體能耗分析來看，透平入口工質質量流量增加后，系統(tǒng)凈效率仍然呈提高趨勢。

同時還可以發(fā)現(xiàn)，煤直接燃燒式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)凈比功為300.4 kJ/kg，要高于煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)。較高的凈比功代表著單位質量工質的做功能力更強，有助于縮小系統(tǒng)占地規(guī)模，減小系統(tǒng)設備尺寸，從而更好地兼顧效率和成本投資兩方面。

3 結 論

(1) 構建了煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)模型，在透平入口循環(huán)工質為1 150 ℃/30 MPa的參數(shù)條件下，系統(tǒng)凈效率可達40.67%，同時實現(xiàn)接近100%的碳捕集，相比于帶有碳捕集裝置的常規(guī)燃煤電站系統(tǒng)具有較大的效率優(yōu)勢。

(2) 煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)能耗主要集中在循環(huán)CO2壓縮裝置、煤合成氣壓縮機和O2壓縮機上，占據(jù)系統(tǒng)總能耗的72.16%，空氣分離裝置能耗也對系統(tǒng)凈效率具有顯著影響。

(3) 在煤氣化直接加熱式sCO2動力循環(huán)系統(tǒng)中，在95%～99.5%的O2純度范圍內，整體系統(tǒng)的能耗隨O2純度增加而下降，當O2純度由95%增加至99.5%時，系統(tǒng)凈效率由40.16%升高到40.67%，提高了約0.5%。

(4) 在相同關鍵循環(huán)參數(shù)條件下，由于取消了煤氣化及合成氣壓縮裝置，煤直接燃燒式sCO2循環(huán)的系統(tǒng)凈效率相比煤氣化式循環(huán)提高了7.54%。