煤的碳化过程中减少二氧化碳排放的综合性能.doc

专业外语翻译姓名：李明星 班级：过控111班 学号：1108110073 老师：田蒙奎 碳化过程的性能评估以及燃煤发电厂减少二氧化碳的排放摘要： 本文提出了一种新的从矿物碳化过程中回收能量的方法，这种方法叫CCS（碳的捕获和储存）技术，目的是为了减少额外的能源需求和整合现有的发电厂碳化过程中减少二氧化碳排放。碳化过程的热力学质量和能量流模型利用MATLAB 或 SIMULINK软件进行了一系列的研究，使用两个自然可用原料即蛇纹石和橄榄石碳化温度的研究。如果碳化系统在发电厂实现，虽然发电效率和净功率输出被降低太多，但是额外的能量用于大量所需原料的粉碎和二氧化碳的压缩就减少了二氧化碳的排放。现有电厂的效率通常认为是36.1 。如果与碳化系统结合，利用蛇纹石和橄榄石原料效率分别减少了22和24。然而，一个显热可以从碳化和碳化产品的放热反应中回收。当把碳化反应和碳化产品的能量适当地回收可以使电厂效率提高到35和34。关键字：CO2捕获，碳化过程，火力发电厂，热力学模型1、 引言近年来，全球变暖是一个严重的问题，主要是由于不同来源的二氧化碳排放量的增加所导致的，澳大利亚能源部门是负责76.9%温室气体排放量10 。据估计，到2100年全球平均气温将上升1.4至5.8之间 38 。二氧化碳是造成全球气候变暖最主要的温室气体。不同的工厂，如发电厂、炼油厂、化肥厂、水泥厂和钢铁厂是二氧化碳的主要排放地。化石燃料的燃烧，主要是煤对温室气体排放起主要作用，澳大利亚的发电20化石燃料占80和在2011年至2012年在澳大利亚大约70的总发电量来自煤7 。为了防止重大气候变化，二氧化碳浓度在大气中应减少，无论是通过二氧化碳从大气中生物吸收或通过CCS技术（碳捕获和储存）减少CO2排放。在CCS技术，任何来源的CO2从烟道气体中分离，然后运输和其他过程中使用或存放在一个安全的地方，例如地下储存和海洋封存。为了减少二氧化碳排放，CCS技术是可用的。主要有三种方法可以从燃煤发电厂捕获二氧化碳，其中包括全氧燃烧、前、后燃烧捕捉的CO24,5,13,17技术。最近14,21这些技术用于碳捕获的未来IGCC（整体煤气化联合循环）电厂，他们说，所有的捕获方法都有自己的优点，但也有一定的防止其工业应用的缺点，然而，燃烧后技术是最有可能在不久的将来进行商业化，因为它可以在大多数现有和新建电厂中被运用1,3,5,19,22。许多研究人员对加装燃煤电厂燃烧后二氧化碳捕集技术进行了评估，以提高发电厂的性能8,11,30，以及对燃煤电厂和混合燃煤电厂燃烧后二氧化碳捕集技术经济分析做了一些研究4,15,18,37,39。他们研究报告中说，燃煤和混合燃煤电厂具有降低能源消耗和成本的潜在优势。许多其它研究人员也研究了不同类型的燃烧后技术来减少二氧化碳排放量，如化工/液基9,26,27，矿物碳酸化28，MEA（单乙醇胺），氨水和氨水-乙醇混合物25,36。一些研究人员正试图通过提高CCS流程，以减少所需燃烧后CCS技术的额外能量。参考文献2正在开发一种名为冷冻氨的过程，其中单乙醇胺（MEA）是用于再生CCS的过程。胺浸渍的固体吸附剂是另一过程，其中水被从系统中除去，以减少所需的能量12。进一步的研究是很有必要的，目的是为了找到一种新型快捷的方法来降低CCS技术和二氧化碳排放对能源需求。矿物碳化技术有比其他燃烧后的CCS技术更好的潜在好处，因为它涉及到放热反应，如果矿物碳化系统实施后，二氧化碳排放量减少了，但是，工厂的效率和净输量会减少是因为大量能量用来粉碎所需的矿物质和压缩二氧化碳。碳化过程的放热能量可被回收并被运用在碳化过程中的其他能量消耗部件，包括粉碎矿物和压缩CO2如有热回收就可以在发电厂中使用，这项技术是有前途的;然而，从矿物碳化过程中回收能量的方法是必要的，以减少额外的能源需求，已在本文中已得到解决，本文开发了一种新的和有效的方法从矿物碳化过程中回收能量，并提出与现有电厂减少二氧化碳排放集成了碳化工艺的可行性，上面的分析是用在碳化过程为两个不同的原料，即蛇纹石和橄榄石的质量和能量流模型。虽然这些矿物质丰富，并且在澳大利亚都是现成的，然而这些矿物质开采成本会因国而异。2、 发电厂的碳化 发电厂碳化含有的粉碎、加热、加压、泵和碳化反应的设备，图1展示出发电厂碳化的一般流程图，这一模型用于质量和能量流建模研究，在该图中的原料是第一次到特定的颗粒尺寸的粉碎机然后和按特定的比例液/固混合形成液固混合液，然后通过进料泵向反应器中打入压力，随后将低于热交换器温度的混合液通过热交换器加热并且把发电厂排出了的二氧化碳通过空压机直接压入该混合液，在碳化之前，该混合液被加热到特定的反应温度。被加压的二氧化碳和原混合液在反应器中发生碳化反应，碳化后，得到的混合液用热交换器和冷却器冷却，碳化反应的固体产物通过过滤分离。3、 具体发生的方式和方法通过分析碳化过程与发电厂一体化来减少二氧化碳排放量已经通过了在碳化过程的热力学质量和能量流模型的发展。该模型是在MBLAB和 SIMULINK软件（MATLAB R2011b）在碳化温度范围内使用两个自然可用原料蛇纹石和橄榄石来建立的。这些参数，如碳化反应物原料流量，碳化温度，能量流量，质量流量，放热能量和电能被视为热力学参数，文献资料和真正的燃煤发电厂以及一些假设数据被用于开发质量和能量流模型，在碳化过程中的性能分析是通过计算碳化过程的能量需求和能量回收在一定的温度范围内发电厂碳化的量，研究发电厂的效率，然后决定碳化过程融入它，对这种整合到发电厂的运行效率和减少二氧化碳排放的影响进行了分析，图2展示示出在本研究中所用的碳化过程中建模的流程图。3.1、在这个模型中使用的数据 实际燃煤发电厂的数据被用于碳化过程的建模，一般的操作特性，如发电厂的能力，实际工作容量和研究个案发电厂的每年二氧化碳排放量展示在表1，该矿石转化为碳酸盐的过程中的效率是依赖于矿物和碳化过程的温度和粒子的当量直径，80%的转换效率，假定为Mg2SiO4（橄榄石）和Mg3Si2O5（OH）4（蛇纹石）在碳化过程中使用的23 H2O（水），在反应后可以回收高达90，它可作为一种添加剂被使用。3.2、蛇纹石和橄榄石碳化质量流量模型质量守恒定律接着是质量平衡计算。质量平衡模型是基于含镁矿氧化物或氢氧化物和二氧化碳从电厂排放之间的化学计量碳化反应制定的，下面的碳化反应进行了考虑，蛇纹石的碳化橄榄石的碳化化学计量碳化反应中的质量比被认为是2.09 kgMg3Si2O5（OH4/kg CO2和蛇纹石绑定二氧化碳的实际需求被发现是489.65kg/ s（图3），橄榄石的质量比被发现是1.6kg Mg2SiO4（橄榄石）/kg二氧化碳和实际需要橄榄石封存二氧化碳的量被认为是374.85kg/ s（图4），但应当注意的是，蛇纹石和橄榄石的转换效率为被认为是80，正如前面提到的。图5说明碳化过程中质量平衡是千克/秒，从图5中可以看出，该原料和二氧化碳是通过粉碎机和压缩机分别引入到碳酸化系统的；然后原料混合液通过一个热交换器和加热器进入碳化反应器；最后，将固体碳酸盐产物和未反应的物质使用闪蒸罐和过滤器从反应装置中装置除去。3.3、碳化过程中能量流量模型 随着质量流量的计算，利用MATLAB软件开发了的能量流量模型,在该模型中，固体原料和二氧化碳在323.15 K（50）和523.15 K（250）之间的温度下被引入到碳酸化系统。不同的原料在不同阶段的热能和电能以及放热促进碳化过程的计算是基于热力学方程的29。 热力学方程Q=Cp T被用来计算热能，其中是质量流率以为单位kg/s，T是K的温度和Cp是比热容在kJ/kg，K是温度的函数，蛇纹石和橄榄石的比热容量被假定在0.73和0.55之间的碳化温度32，然后将模型开始升高碳化温度从323.15 K（50）至最大碳化温度523.15 K（250）一系列不等的温度。 电能被用在发电厂粉碎矿物和压缩二氧化碳，粉碎需要通过降低原料的颗粒尺寸，以增加反应接触面积，这影响所需的粉碎能量的主要参数是粒度和原料的量。所需的粉碎能量的计算基于通过研究文献16,23，发电厂的二氧化碳通过压缩机在298.15 K的温度下通入该系统，一种多级压缩机，用于压缩CO2，下面给出的方程 已被用于计算压缩二氧化碳29所需的电能 R（气体常数）=8314/MJ/kg K=8314/44 J/kg K=0.189 kJ/kg K， =Cp /Cv=1:33 M=44(二氧化碳的相对分子质量)； =kg/s（气体质量流量的速率）； W=kw（压缩机功率）； 图6和图7展示了碳化过程中整体能量流量模型，在323.15K523.15K温度范围内运用两种不同的原料获得此模型，在流模型使用的数据是从MAYLAB / SMULINK的块体模型获得和MATLAB编码 。3.4、在碳化反应中放出的热量 分别用蛇纹石和橄榄石在碳化反应放出的热量分别是是64kJ/mol和89kJ/mol17，在碳化过程中蛇纹石和橄榄石的产生的总放热能量被显示在图8和图9可以看出，从碳化反应所产生的放热能量是依赖于碳酸盐产物的质量反应及的焓，此放热能量可被用来提供所需的发电厂碳化的热能，这将显著降低整体能量消耗和碳封存的成本（图8）。3.5、电厂的碳化工艺（CCS技术） 现有煤粉（PC）电厂都配备了三个主要单位，即锅炉、一台发电机和烟气净化，碳化系统被纳入现有电厂毗邻烟气净化，堆栈之前通常是最危险的减排系统，现有电厂碳化需要新的结构融入排气系统如文献31中，较高浓度的CO2在碳化过程中能达到更快的反应速度，因此，碳化装置的放置后现有的有害排放去除系统更容易增加碳化系统的效率，图10展示出的是一副燃煤电厂与（CCS技术）被应用到电厂从烟道气中捕获CO 2的图，图中虚线表示的碳酸化过程中系统边界，包括几件装备的边界。在电厂碳化的能量流模型完成后,该模型结合使用MYLAB软件研究实例发电厂，然后进行分析碳化系统对现有发电厂的运行效率的影响，从图11中可以看到，从发电厂碳化可收回热能中包括放热和产品的潜热，被输送到现有电厂，供应发电厂碳化所需的电能加入到现有电厂的模型，因为它先前提到的所要求的碳化电能可以从同一电厂供给，从现有发电厂的输出容量中减去所需要的碳化的电能中，提供给没有任何CCS技术的现有发电厂的燃料能源被认为是基于煤炭25.9MJ/kg和33.74kg/s煤炭消费量的热值约为873兆瓦。随后，工厂的运行效率通过改变可回收热能确定碳化过程结合与没有任何碳化捕获能量的碳化厂来回收热能 。4、 结果与讨论4.1、基于质量和能量流量的碳化过程评估 在这个模型中发电厂的二氧化碳通过压缩机被传入碳化系统，在298.15 K（25）的环境温度，CO2也可在较高温度下进入碳化系统超过298.15 K，不过要依赖于发电设备的条件，热量的回收从放热反应和碳酸盐产物中被计算在不同的温度下，从323.15 K至523.15 K（50250），通过这个模型发现，在323.15k的温度下蛇纹石的碳化能量为119.89MW,相同的温度下橄榄石的碳化所需能量为72.27WM，碳化过程的热能需求增加而升高了的碳化温度，碳化过程所需的加热能量通过碳化反应放热提供，如果能量有机会回收和设备是有效的在发电厂中，完成碳化过程中所需要的热量之后，剩余的热量可以回收用于发电，如（图12）。图12显示了在这个模型能量自给自足的过程，使用了两种不同的原料后碳化厂可收回剩余能量，从这个图中可以看出，随温度的升高总的可以回收热能减少，从这个模型可以注意到，如果碳化反应发生在较低的温度（50）下可以降低能耗。 从碳产品中回收热能也是另一种有发展潜力的方法，优点在该碳化技术中已经观察到，在以往的研究中表明，碳化反应产物的热是能量的另一个来源6。 该过程的电能消耗可以结合电力消耗来确定，泵和粉碎，热能消耗通过计算加热反应物至所需的碳化反应的温度所需的热能量来确定，泵的耗能量作为其典型值被忽视仅为33KWh/吨的二氧化碳16，因此在本研究中只计算压缩机和粉碎机消耗能量，所需的最大电量原料的粉碎其次烟道气的压缩。图13和图14示出了热量的重获需要从碳化放热反应和其他资源提供的电力来维持碳化反应，图13示出79放出的热量需要被回收，以保持碳化过程中的热能的自给和大约150兆瓦的电能需要从另一个源提供在最高碳化温度（523.15 K）为蛇纹石碳化，在另一方面，橄榄石碳化过程只需要23热能需要回收和140MW的电能以继续该过程在最高的碳化温度（523.15 K）下，然而在最低的碳化温度（323.15）时，只需要回收较少的热量就可以保持的能量自给自足。从这些图中可以看出，降低碳化温度热能和电能需求减少，图15表示两种原料能源消耗，包括热能和电能，从图15中可以得出结论，在碳化过程中蛇形原料需要用比橄榄石原料更多的能量。 4.2、研究个别发电厂碳化效率 CCS技术与电厂的整合可以减少大约80-90二氧化碳排放到大气中与没有CCS技术的电厂比较，尽管使用CCS技术捕获CO2可能增加燃料成本的10至55，才能保留现有厂房输出CCS技术17 不过，需要加热反应物的额外热能可以在碳化过程中的一个周期之后被恢复（如果能量恢复选项是可用的），所需的压缩和粉碎的高标准的电能将来自于现有发电厂驱动碳化过程，这将降低电厂的实际生产能力。为了保持电厂的现有产能，煤炭输入必须增加，使用蛇纹石和橄榄石作为原料在不同碳化温度下（50250）进行测定碳化技术对电厂效率的影响，图16和17显示了电厂效率与无碳化系统比较，效率计算是基于热量从碳化放热反应和碳酸盐产物回收进行的。从这个图中可以看出过程的整合后，电厂效率降低与现有电厂比较，当碳化温度提高效率降低更多，然而，在温度低于150（423 K）的 碳化系统是自给自足因为通过碳化反应中产生的放热增量足够加热系统28，因此，最适宜的碳化过程的温度大约是150。如果没有能量被回收（图17）橄榄石作为原料的发电厂效率下降到24，而如果放出热量的100被回收，电厂效率可以提高到34在50的碳化温度下，可以注意到没有碳化过程的电厂效率是36。在碳化产物能量回收率100是假想的，电厂的运行效率可以在50的碳化温度提高到46，但是，蛇纹石作为原料放出的能量只有26回收率，实际上，碳化产品的热量100的回收率是不可能实现的，真实的产品显热回收应在实施前予以考虑，但应当指出的是放射本能分析（使用热力学第二定律）用于发电厂识别其中的热效率提高33-35的区域，它通过提供深刻见解说明不可逆转的原因导致损失有用功，这是另一种方法和一个显著地研究需要确定能量不可逆所涉及的过程，作者进一步研究矿物碳化过程，特别是在较低的碳化温度的分析（图16）。4.3、碳化过程在现有电厂输出功率的影响4.3、碳化过程对现有电厂输出功率的影响 在50的温度时，使用蛇纹石和橄榄石原料的功率输出分别减小39.23和35（图18和19）与现有电厂输出功率比较，能量的输出减少增加而增加碳化温度因为更多的能量在较高温度被用来保持的碳化过程。 大量的额外煤被用来维持现有电厂功率输出，在这里提及，电厂的无碳化过程中煤的消耗耗为33.74kg/s，然而，电厂燃料能源消耗可通过从电厂碳化回收热能减少，图20和21显示煤的消耗从碳化放热反应和碳化产品的能源回收，平均煤耗和平均效率在碳化温度从50至250被认为是用于简化分析，从图21所示可以看出，32.75的效率可以实现煤耗在22.23千克/ s时只有放热能量被回收。4.4、通过碳化过程减少发电厂的CO2排放这个模型是假定为从发电厂排放的CO2 100被传递到碳化厂，蛇纹石和橄榄石的转换效率被认为是80，结果是，80的蛇纹石和橄榄石通过碳化反应转变成碳酸盐产品和100%的二氧化碳被传入碳化厂。由于煤是二氧化碳排放的主要来源，少的煤耗意味着更少的二氧化碳排放量，在这项研究中观察到煤耗的减少能降低二氧化碳排放，碳化过程中多余的能量可以在这个过程中使用，图22和图23显示的排放与发电厂的效率。研究个别现有发电厂的二氧化碳排放量是187.42kg/s，然而从电厂碳化中利用多余可回收能源可以减少二氧化碳排放量。5、 结论 在碳化过程中需要大量的热能和电能的可能减少现有电厂的总效率，这项研究通过碳化过程建模介绍了一些能量的回收法，用于降低电厂运营成本通过结合这项技术到现有发电厂，它也是由布伦特和皮特里提及在碳化过程中所产生的能量可以用于预处理矿物质和二氧化碳6。这个过程首先需要另一个热能来热反应物至碳化温度，完成一个周期碳化反应，反应器的热能和产品热能可以回收继续进行该过程，本研究确定了，碳化系统是热能量自给通过碳化反应和无热回收是需要从产品中操作此过程中产生的放热，然而，大量的电能用于粉碎矿物到特定粒径和CO2的压缩是在碳化过程中的主要能源成本。 在两个原料的研究，橄榄石碳化提供更好的结果：电厂能达到24的发电效率在没有任何放热反应和产品热回收的情况下。然而，如果所有的放热能量回收，以橄榄石为原料的电厂的效率将增加至35。应当注意本研究中，如果能量回收是可用的电厂一个电厂现有性能就可以和碳化过程保持，进一步的研究是必要在能量集中和能量回收，这个过程是一种可行的手段对于减少二氧化碳排放到大气中的，碳化室是整体系统的本质部分，其中在碳化反应进行和从发电厂排放的二氧化碳被固定成碳酸盐就是在碳化室进行的，因此，连续碳化的碳化室和碳化反应产生的放热能量的持续利用是必需的，需要进一步研究设计恰当的碳化室使放出的热量通过回收持续利用。这项CCS技术的研究结果可能会变得更加节能，而且可能更经济可行，如果一个电厂配备了二氧化碳减排和煤清洁技术将使环境受益。参考文献1 Abu-Zahra MRM, Schneiders JHJ, Niederer JPM, Feron PHM, Versteeg GF. 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