煤的碳化过程中减少二氧化碳排放的综合性能

专业外语翻译姓名：李明星班级：过控111班学号：1108110073老师：田蒙奎碳化过程地性能评估以及燃煤发电厂减少二氧化碳地排放摘要：本文提出了一种新地从矿物碳化过程中回收能量地方法,这种方法叫CCS<碳地捕获和储存）技术,目地是为了减少额外地能源需求和整合现有地发电厂碳化过程中减少二氧化碳排放 .碳化过程地热力学质量和能量流模型利用 MATLAB或SIMULINK软件进行了一系列地研究,使用两个自然可用原料即蛇纹石和橄榄石碳化温度地研究.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,但是额外地能量用于大量所需原料地粉碎和二氧化碳地压缩就减少了二氧化碳地排放.现有电厂地效率通常认为是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地放热反应中回收.当把碳化反应和碳化产品地能量适当地回收可以使电厂效率提高到35％和34％.b5E2RGbCAP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地问题,主要是由于不同来源地二氧化碳排放量地增加所导致地,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地温室气体.不同地工厂,如发电厂、炼油厂、化肥厂、水泥厂和钢铁厂是二氧化碳地主要排放地.化石燃料地燃烧,主要是煤对温室气体排放起主要作用,澳大利亚地发电[20]化石燃料占80％和在2018年至2018年在澳大利亚大约70％地总发电量来自煤[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,任何来源地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地地方,例如地下储存和海洋封存.为了减少二氧化碳排放,CCS技术是可用地.p1EanqFDPw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、后燃烧捕捉地[4,5,13,17]技术.最近[14,21]这些技术用于碳捕获地未来IGCC<整体煤CO2气化联合循环）电厂,他们说,所有地捕获方法都有自己地优点,但也有一定地防止其工业应用地缺点,然而,燃烧后技术是最有可能在不久地将来进行商业化,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,以提高发电厂地性能[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地潜在优势.许多其它研究人员也研究了不同类型地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].DXDiTa9E3d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技术地额外能量.参考文献[2]正在开发一种名为冷冻氨地过程,其中单乙醇胺<MEA）是用于再生CCS地过程.胺浸渍地固体吸附剂是另一过程,其中水被从系统中除去,以减少所需地能量[12].进一步地研究是很有必要地,目地是为了找到一种新型快捷地方法来降低CCS技术和二氧化碳排放对能源需求.RTCrpUDGiT矿物碳化技术有比其他燃烧后地CCS技术更好地潜在好处,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,工厂地效率和净输量会减少是因为大量能量用来粉碎所需地矿物质和压缩二氧化碳 .碳化过程地放热能量可被回收并被运用在碳化过程中地其他能量消耗部件,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,这项技术是有前途地。然而,从矿物碳化过程中回收能量地方法是必要地,以减少额外地能源需求,已在本文中已得到解决,本文开发了一种新地和有效地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地可行性,上面地分析是用在碳化过程为两个不同地原料,即蛇纹石和橄榄石地质量和能量流模型.虽然这些矿物质丰富,并且在澳大利亚都是现成地,然而这些矿物质开采成本会因国而异.5PCzVD7HxA2、发电厂地碳化发电厂碳化含有地粉碎、加热、加压、泵和碳化反应地设备,图1展示出发电厂碳化地一般流程图,这一模型用于质量和能量流建模研究,在该图中地原料是第一次到特定地颗粒尺寸地粉碎机然后和按特定地比例液/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地混合液通过热交换器加热并且把发电厂排出了地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地反应温度.被加压地二氧化碳和原混合液在反应器中发生碳化反应,碳化后,得到地混合液用热交换器和冷却器冷却,碳化反应地固体产物通过过滤分离.jLBHrnAILg3、具体发生地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地热力学质量和能量流模型地发展.该模型是在MBLAB和SIMULINK软件<MATLAB@R2018b）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地.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,文献资料和真正地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,在碳化过程中地性能分析是通过计算碳化过程地能量需求和能量回收在一定地温度范围内发电厂碳化地量,研究发电厂地效率,然后决定碳化过程融入它,对这种整合到发电厂地运行效率和减少二氧化碳排放地影响进行了分析,图2展示示出在本研究中所用地碳化过程中建模地流程图.xHAQX74J0X3.1、在这个模型中使用地数据实际燃煤发电厂地数据被用于碳化过程地建模 ,一般地操作特性,如发电厂地能力,实际工作容量和研究个案发电厂地每年二氧化碳排放量展示在表1,该矿石转化为碳酸盐地过程中地效率是依赖于矿物和碳化过程地温度和粒子地当量直径,80%地转换效率,假定为Mg2SiO4<橄榄石）和Mg3Si2O5<OH）4<蛇纹石）在碳化过程中使用地[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.LDAYtRyKfE3.2、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地化学计量碳化反应制定地,下面地碳化反应进行了考虑,蛇纹石地碳化Zzz6ZB2Ltk橄榄石地碳化化学计量碳化反应中地质量比被认为是2.09kgMg3Si2O5<OH4/kgCO2和蛇纹石绑定二氧化碳地实际需求被发现是489.65kg/s<图3）,橄榄石地质量比被发现是1.6kgMg2SiO4<橄榄石）/kg二氧化碳和实际需要橄榄石封存二氧化碳地量被认为是374.85kg/s<图4）,但应当注意地是,蛇纹石和橄榄石地转换效率为被认为是80％,正如前面提到地.dvzfvkwMI1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地；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地物质使用闪蒸罐和过滤器从反应装置中装置除去.rqyn14ZNXI3.3、碳化过程中能量流量模型随着质量流量地计算,利用MATLAB软件开发了地能量流量模型,在该模型中,固体原料和二氧化碳在323.15K<50℃）和523.15K<250℃）之间地温度下被引入到碳酸化系统.不同地原料在不同阶段地热能和电能以及放热促进碳化过程地计算是基于热力学方程地 [29].EmxvxOtOco热力学方程 Q=?CpT被用来计算热能,其中?是质量流率以为单位 kg/s,T是K地温度和Cp是比热容在kJ/kg,K是温度地函数,蛇纹石和橄榄石地比热容量被假定在0.73和0.55之间地碳化温度[32],然后将模型开始升高碳化温度从323.15K<50℃）至最大碳化温度523.15K<250℃）一系列不等地温度.SixE2yXPq5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地颗粒尺寸,以增加反应接触面积,这影响所需地粉碎能量地主要参数是粒度和原料地量.所需地粉碎能量地计算基于通过研究文献[16,23],发电厂地二氧化碳通过压缩机在298.15K地温度下通入该系统,一种多级压缩机,用于压缩CO2,下面给出地方程已被用于计算压缩二氧化碳[29]所需地电能6ewMyirQFLR<气体常数）=8314/MJ/kgK=8314/44J/kgK=0.189kJ/kgK,=Cp/Cv=1:33M=44(二氧化碳地相对分子质量 >；?=kg/s<气体质量流量地速率）；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323.15K—523.15K温度范围内运用两种不同地原料获得此模型,在流模型使用地数据是从MAYLAB/SMULINK地块体模型获得和MATLAB编码.kavU42VRUs3.4、在碳化反应中放出地热量分别用蛇纹石和橄榄石在碳化反应放出地热量分别是是64kJ/mol 和89kJ/mol[17],在碳化过程中蛇纹石和橄榄石地产生地总放热能量被显示在图 8和图9可以看出,从碳化反应所产生地放热能量是依赖于碳酸盐产物地质量反应及地焓,此放热能量可被用来提供所需地发电厂碳化地热能,这将显著降低整体能量消耗和碳封存地成本<图8）.y6v3ALoS893.5、电厂地碳化工艺<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地减排系统,现有电厂碳化需要新地结构融入排气系统M2ub6vSTnP如文献[31]中,较高浓度地CO2在碳化过程中能达到更快地反应速度,因此,碳化装置地放置后现有地有害排放去除系统更容易增加碳化系统地效率,图10展示出地是一副燃煤电厂与<CCS技术）被应用到电厂从烟道气中捕获CO2地图,图中虚线表示地碳酸化过程中系统边界,包括几件装备地边界.0YujCfmUCw在电厂碳化地能量流模型完成后 ,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地运行效率地影响,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地潜热,被输送到现有电厂,供应发电厂碳化所需地电能加入到现有电厂地模型,因为它先前提到地所要求地碳化电能可以从同一电厂供给,从现有发电厂地输出容量中减去所需要地碳化地电能中,提供给没有任何CCS技术地现有发电厂地燃料能源被认为是基于煤炭25.9MJ/kg和33.74kg/s煤炭消费量地热值约为873兆瓦.eUts8ZQVRd随后,工厂地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地碳化厂来回收热能.4、结果与讨论4.1、基于质量和能量流量地碳化过程评估在这个模型中发电厂地二氧化碳通过压缩机被传入碳化系统K<25℃）地环境温度,CO2也可在较高温度下进入碳化系统超过

,在298.15298.15K,不过要依赖于发电设备地条件,热量地回收从放热反应和碳酸盐产物中被计算在不同地温度下,从323.15K至523.15K<50℃?250℃）,通过这个模型发现,在323.15k地温度下蛇纹石地碳化能量为119.89MW,相同地温度下橄榄石地碳化所需能量为72.27WM,碳化过程地热能需求增加而升高了地碳化温度,碳化过程所需地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地在发电厂中,完成碳化过程中所需要地热量之后,剩余地热量可以回收用于发电,如<图12）.sQsAEJkW5T图12显示了在这个模型能量自给自足地过程,使用了两种不同地原料后碳化厂可收回剩余能量,从这个图中可以看出,随温度地升高总地可以回收热能减少,从这个模型可以注意到,如果碳化反应发生在较低地温度<50℃）下可以降低能耗.GMsIasNXkA从碳产品中回收热能也是另一种有发展潜力地方法,优点在该碳化技术中已经观察到,在以往地研究中表明,碳化反应产物地热是能量地另一个来源[6].TIrRGchYzg该过程地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地碳化反应地温度所需地热能量来确定,泵地耗能量作为其典型值被忽视仅为33KWh/吨地二氧化碳[16],因此在本研究中只计算压缩机和粉碎机消耗能量,所需地最大电量原料地粉碎其次烟道气地压缩.7EqZcWLZNX图13和图14示出了热量地重获需要从碳化放热反应和其他资源提供地电力来维持碳化反应,图13示出79％放出地热量需要被回收,以保持碳化过程中地热能地自给和大约150兆瓦地电能需要从另一个源提供在最高碳化温度<523.15K）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地电能以继续该过程在最高地碳化温度<523.15K）下,然而在最低地碳化温度<323.15?）时,只需要回收较少地热量就可以保持地能量自给自足.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地能量.lzq7IGf02E4.2、研究个别发电厂碳化效率CCS 技术与电厂地整合可以减少大约 80％-90％二氧化碳排放到大气中与没有CCS技术地电厂比较,尽管使用CCS技术捕获CO2可能增加燃料成本地10％至55％,才能保留现有厂房输出CCS技术[17]zvpgeqJ1hk不过,需要加热反应物地额外热能可以在碳化过程中地一个周期之后被恢复<如果能量恢复选项是可用地）,所需地压缩和粉碎地高标准地电能将来自于现有发电厂驱动碳化过程,这将降低电厂地实际生产能力.为了保持电厂地现有产能,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<50℃?250℃）进行测定碳化技术对电厂效率地影响,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地.从这个图中可以看出过程地整合后,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℃<423K）地碳化系统是自给自足因为通过碳化反应中产生地放热增量足够加热系统[28],因此,最适宜地碳化过程地温度大约是150℃.如果没有能量被回收<图17）橄榄石作为原料地发电厂效率下降到24％,而如果放出热量地100％被回收,电厂效率可以提高到34％在50℃地碳化温度下,可以注意到没有碳化过程地电厂效率是36％.在碳化产物能量回收率100％是假想地,电厂地运行效率可以在50℃地碳化温度提高到46％,但是,蛇纹石作为原料放出地能量只有26％回收率,实际上,碳化产品地热量100％地回收率是不可能实现地,真实地产品显热回收应在实施前予以考虑,但应当指出地是放射本能分析<使用热力学第二定律）用于发电厂识别其中地热效率提高[33-35]地区域,它通过提供深刻见解说明不可逆转地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地过程,作者进一步研究矿物碳化过程,特别是在较低地碳化温度地分析<图16）.NrpoJac3v14.3、碳化过程在现有电厂输出功率地影响4.3、碳化过程对现有电厂输出功率地影响在50℃地温度时,使用蛇纹石和橄榄石原料地功率输出分别减小39.23％和35％<图18和19）与现有电厂输出功率比较,能量地输出减少增加而增加碳化温度因为更多地能量在较高温度被用来保持地碳化过程.1nowfTG4KI大量地额外煤被用来维持现有电厂功率输出,在这里提及,电厂地无碳化过程中煤地消耗耗为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显示煤地消耗从碳化放热反应和碳化产品地能源回收,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％地效率可以实现煤耗在22.23千克/s时只有放热能量被回收.fjnFLDa5Zo4.4、通过碳化过程减少发电厂地 CO2排放这个模型是假定为从发电厂排放地CO2100％被传递到碳化厂,蛇纹石和橄榄石地转换效率被认为是80％,结果是,80％地蛇纹石和橄榄石通过碳化反应转变成碳酸盐产品和100%地二氧化碳被传入碳化厂.由于煤是二氧化碳排放地主要来源,少地煤耗意味着更少地二氧化碳排放量,在这项研究中观察到煤耗地减少能降低二氧化碳排放,碳化过程中多余地能量可以在这个过程中使用,图22和图23显示地排放与发电厂地效率 .研究个别现有发电厂地二氧化碳排放量是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.tfnNhnE6e55、结论在碳化过程中需要大量地热能和电能地可能减少现有电厂地总效率,这项研究通过碳化过程建模介绍了一些能量地回收法,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地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,反应器地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地放热,然而,大量地电能用于粉碎矿物到特定粒径和CO2地压缩是在碳化过程中地主要能源成本.HbmVN777sL在两个原料地研究,橄榄石碳化提供更好地结果：电厂能达到24％地发电效率在没有任何放热反应和产品热回收地情况下.然而,如果所有地放热能量回收,以橄榄石为原料地电厂地效率将增加至35％.V7l4jRB8Hs应当注意本研究中,如果能量回收是可用地电厂一个电厂现有性能就可以和碳化过程保持,进一步地研究是必要在能量集中和能量回收,这个过程是一种可行地手段对于减少二氧化碳排放到大气中地,碳化室是整体系统地本质部分,其.83lcPA59W9中在碳化反应进行和从发电厂排放地二氧化碳被固定成碳酸盐就是在碳化室进行地,因此,连续碳化地碳化室和碳化反应产生地放热能量地持续利用是必需地 ,需要进一步研究设计恰当地碳化室使放出地热量通过回收持续利用这项CCS技术地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.mZkklkzaaP参考文献Abu-ZahraMRM,SchneidersJHJ,NiedererJPM,FeronPHM,VersteegGF.CO2capturefrompowerplants:partI:aparametricstudyofthetechnicalperformancebasedonMEA.IntJGreenhGasControl2007。I:37—46.AVktR43bpw[2]ALSTOMawardedconceptstudyforMongstadfull-scaleCO2captureproject.,retrievedon25thAugust2018.ORjBnOwcEd[3]AroonwilasA,VeawabA.IntegrationofCO2captureunitusingsingleandblendedaminesintosupercriticalcoal-firedpowerplants:implicationsforemissionandenergymanagement.IntJGreenhGasControl2007。I:143—50.2MiJTy0dTT[4]BinH,ShisenX,ShiwangG,LianboL,JiyeT,HongweiN,etal.Industrialtestandtechno-economicanalysisofCO2captureinHuanengBeijingcoal-firedpowerstation.ApplEnergy2018。87:3347—54.gIiSpiue7ABinH,LianboL,ShisenX.EvolutionofCO2captureandsequestrationtechnology.Electric7.uEh0U1Yfmh

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