论文总字数：26329字

摘 要

关键词：塔式太阳能集热器；CaO储热；耦合；CO2捕集；节能减排

ANALYSIS OF COAL POWER GENERATION INTERGRATING CaO BASED SOLAR ENERGY STORAGE WITH CO₂ CAPTURE

03011109 HUANG Miao

Supervised by XIANG Wenguo

Abstract：It is difficult to plug an existing solar power plant into grid because of its unsteadiness. The system integrates a tower solar collection system and coal fired power plant to make use of solar power and enhance the efficiency of power generation. The tower solar collection system provides high temperature to the calcination of CaCO₃ to transfer solar power into CaO. CaO will be sent into the coal fired power plant and react with CO₂ from high temperature flue gas. The energy generated by this reaction will be used to heat water vapor. Choosing a 1000MW unit of coal fired power plant and a 10MW solar tower collection system as an example, a model based on CaO heat storage under high temperature is built to simulate coal fired power plant with CO₂ capture. Aspen Plus is utilized to simulate the thermal performance of the system. The results show that the efficiency of power generation of 10MW solar tower collection system can reach 40.5%, which is 15.5 percentage higher than a solar thermal power plant. The coal consumption is 362.12t/h before integrating and 356.42t/h after integrating and it is because of the input of solar power. If the input of solar power increase the coal consumption will decrease more. The integrating system can reduce 15t/h of CO₂ emission. The integrated system reduce the penalty of exergy.

Key words: tower solar collection system; CaO heat storage; integration; CO₂ capture; energy saving and emission reduction

目 录

1、 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 CaO储能简介 2

1.3 本文的选题意义 3

1.4 本文的主要工作 4

2、 系统模型与评价方法 5

2.1 ASPEN PLUS功能简介 5

2.2 设计流程 5

2.3 热力学分析方法介绍 7

2.3.1 焓分析法 7

2.3.2 熵分析法 7

2.3.3 火用分析法 7

2.4 系统性能指标 8

3、系统结构与参数 10

3.1 原燃煤火电机组参数选择 10

3.2 物性参数与物性方法 10

3.3 锅炉 11

3.4 换热器 12

3.5 碳酸化炉 13

3.6 煅烧炉 13

3.7 气固分离器 14

3.8 CO2捕集 14

4、热力学性能及参数敏感性分析 15

4.1 模拟结果分析 15

4.2 敏感性分析 16

4.3 火用分析 19

4.3.1 火用与计算方法简介 19

4.3.2 燃料火用的计算 20

4.3.3 烟气火用的计算 20

4.3.4 工质的火用计算 20

4.3.5 火用计算结果 20

4.3.6 火用损失分析 21

4.3.7 减小火用损失的措施 21

5、结论与展望 23

5.1 结论 23

5.2 展望 23

致谢 24

参考文献: 25

太阳能CaO高温储热辅助CO₂捕集燃煤发电系统分析

1、 绪论

1.1 研究背景电能是人类生产生活中不可缺少的二次能源，传统的电能生产方式为燃煤火电机组发电。燃烧化石能源将产生大量CO₂，CO₂是温室气体的主要来源，如果能对CO₂实现减排将对减少温室效应的影响产生帮助。CO₂捕集及储存技术（CCS）已经被人们认为是一个在现今CO₂排放受到限制的时代能够继续使用化石能源的潜在技术。在众多CCS技术中，燃烧后捕集CO₂技术是唯一一种适合改造现有电站的技术。这里现有电站指的是近期建造的或是正在建设的电站，那些过于老旧的低效率发电厂并不适用于CCS。基于胺吸收剂的CCS技术已经被证明是对于燃烧后CO₂捕集系统有商业价值的。但是这仍需要优化与扩大规模，这也促进了燃烧后捕集CO₂技术使用其他溶剂和固体吸收剂的研究发展^[1]。随着经济的发展,人们对电能数量和质量的需求越来越高。不论是工业和民用，电力需求昼夜相差都很大,但发电厂的最大容量必须与高峰用电相匹配,这就造成了投资大而且利用率较低，夜间不能保持一定负荷发电将不利于电站保持高效率运行。另一方面，由于煤、石油等传统化石能源并不是取之不尽用之不竭的，近期发展出了许多新能源发电方式，如太阳能、风能、水能等等^[2]。由于具有随机性以及间歇性，风能、太阳能等新可再生能源发电量并不稳定，会对电网产生严重冲击，有时将引发大规模恶性事故，因此虽然新兴的可再生清洁能源发电装机容量虽然巨大，潜力也巨大，但许多机组并不能与电网耦合，导致其产生的巨大发电量不能被成产生活所用，变为了废电。因此，研发与风电、太阳能发电机组容量相匹配的储能装置，并将储能装置与传统稳定的燃煤火电机组耦合以将废电利用起来，已经成为人们充分利用可再生能源的合适方法。此外，由于加入了储能装置，对于可再生能源发电系统，其能源利用率得到有效提高、环境影响情况得到有效改善、发电系统的经济性也得到了保证。从世界范围来看，随着新能源发电技术的发展和智能电网的水平提高，将储能技术与传统发电厂耦合技术正逐渐受到越来越多的关注，欧盟、美国、日本等也都专门设立经费支持研究与开发储能技术。目前来看，各国都还处于将储能技术用于产业应用的初级阶段，又由于我国与国际先进储能技术水平的差别不是很大，大力加强储能技术的研发强度可以使我国在未来的能源技术竞争中占据强有利的地位^[3]。热力学第一定律从能量数量上评价热力系统，而热力学第二定律从能量品质的角度出发评价系统。第二定律中包含了火用的概念:当系统由一任意状态可以的变化到与给定环境想平衡的状态时,理论上可以无限转换为其他能量形式的那部分能量称为火用(Exergy),一切不能转换为畑的那部分能量称为火无(Anergy),任何能量均由火用(Ex)和火无(An)组成。蔡文汇，崔亚明等人总结了火电厂各部分的火用效率计算方法^[11]。锅炉的火用效率无论是否采用太阳能集热场耦合,只有44%-47%,且随着运行负荷的降低,锅炉的火用效率呈现出下降的趋势。锅炉侧的火用损失由以下几个主要因素影响:(1)燃煤在化学燃烧过程中巨大的不可逆性,导致产生的热量未能完全被利用;(2)锅炉结构布置的安排和燃烧方式,影响锅炉各个部位对燃煤燃烧后产生热量的吸收;(3)锅炉中各个部件金属材料物理特性,决定了能量交换的有效性。

1.2 CaO储能简介现有的储能技术大致分为四种：物理储能、化学储能、电磁储能和相变储能。物理储能包括抽水储能、压缩空气储能等，这些方法都有一个主要的缺陷就在于对于建设地点的自然地理环境要求较高，且只适合大规模储能。这就对物理储能的发展造成了限制，因此将物理储能与现有的燃煤火电厂相结合将受地理因素局限，不具有普遍应用的潜力。电磁储能的技术仍不成熟，现阶段的电磁储能成本较高，也不适合用于与现有燃煤火电机组的结合。化学储能则具有其他储能方法所不具有的优点。化学储能由于直接将其他能量转化为化学能，所以不受卡诺循环最高效率的限制。如果选择合适的反应物与产物，对环境的影响可以降低许多，化学反应的效率较其他储能方法也较高。化学产物的稳定性往往也较高，所储存的能量不易耗散。因此，化学储能是现在应用较为广泛的一种储能方式，其中最普遍的是燃料电池。本文就是利用化学储能将塔式太阳能发电系统与现有燃煤火电机组耦合，以提高太阳能利用效率。CaO可用做高温储能介质在650℃高温下可与CO2反应生成CaCO3，如反应（1）：

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