论文标题：A coal-fired power plant integrated with biomass co-firing and CO₂ capture for zero carbon emission (一种采用生物质共燃和二氧化碳捕集来实现碳中和的燃煤电站)

期刊：Frontiers in Energy

作者：Xiaojun XUE , Yuting WANG , Heng CHEN, Gang XU

发表时间： 25 Nov 2021

DOI：10.1007/s11708-021-0790-8

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研究亮点

本文在典型燃煤电厂的基础上，采用生物质共燃技术和二氧化碳捕集技术来实现零碳排放。

首先，提出了包括燃煤电厂、二氧化碳捕集装置和生物质共燃装置的系统。

其次，根据实际数据，对综合系统的热力学和技术经济性能进行了定量分析，揭示了碳减排潜力。

最后，进行了敏感性分析，以显示主要参数对排放性能、热性能和经济性能的影响，如净功率输出、效率惩罚、电力成本（COE）和二氧化碳捕获成本（COA）。

中文摘要

本研究提出了一个可以实现碳零排放的燃煤电厂耦合方案：在燃煤电厂中采用生物质共燃和二氧化碳捕集技术，同时二氧化碳捕集过程中释放的低温余热被回收用于加热冷凝水。

本文基于某660兆瓦的超临界燃煤电厂，对所提方案的热力学性能、排放指标和经济性能进行了评估。此外，还进行了敏感性分析，从而分析几个关键参数对新系统性能的影响。结果显示，当生物质质量掺混率为15.40%，CO₂捕集率为90%时，燃煤电厂的CO₂排放可以达到零，从而表明研究中提出的技术路线确实可以实现燃煤电厂的零碳排放。

此外，由于CO₂捕集装置的能耗巨大，导致机组净热效率下降了10.31%。因此，新系统的电力成本和CO₂捕获成本分别为80.37美元/MWh和41.63美元/tCO₂。敏感性分析表明，随着再沸器的能耗从3.22GJ/tCO₂下降到2.40GJ/tCO₂，机组净发电效率的损失降低到8.67%。这项研究可能会促进发电行业早日实现碳中和的目标。

研究背景及意义

化石燃料产生的二氧化碳是温室气体的主要来源，导致了一系列全球问题，如温度升高和气候变化。虽然中国近年来严格控制燃煤电站的发展，但是2019年燃煤电站仍占全国总装机容量的59.2%，占发电量的68.9%。此外，燃煤电厂作为基荷，也承担着电网调峰的使命。面对“双碳”目标以及全球变暖的双重压力，如何实现燃煤电站的二氧化碳零排放，甚至是负排放，成为众多学者研究的重点。

目前主要有三种方法可以减少碳排放：提高机组的热效率，碳捕集以及生物质共燃。由于

1）现有燃煤电站的部件性能和系统集成度已经达到很高的水平，这使得能源效率难以大幅提高热效率的提高，对实现二氧化碳零排放的效果很有限；

2）二氧化碳捕集过程的能耗较高，很难实现完全脱除二氧化碳；

3）生物质共燃对燃烧设施有较多的负面影响，如锅炉的腐蚀和积灰等，导致生物质混燃比也有限制。

由此可见，仅单独采用一种方法很难完全实现燃煤电厂的零碳排放。有鉴于此，本文在一个真实案例机组的基础上，提出采用生物质共燃和二氧化碳捕集技术相结合，从而实现燃煤机组的零碳排放。

研究内容及主要结论

图1为新提出的系统，它由一个传统的燃煤系统、一个生物质混燃装置和一个二氧化碳捕集装置组成。烟气在进入二氧化碳捕集装置之前，依次通过SCR脱销、静电除尘器和烟气脱硫来去除氮氧化物、灰分、有毒颗粒、二氧化硫和其他有毒气体。离开脱硫装置的烟气被增压风机压缩，然后依次进入吸收塔、二氧化碳冷凝器、多级压缩机和中间冷却器，从而完成脱除二氧化碳。

图1 新系统的系统示意图

在这个系统中，二氧化碳捕集装置不仅要消耗大量的热能，而且还要释放大量的低温热量，如解吸塔中的CO₂冷凝器，以及多级压缩机中冷器。如果这些低温热量能够得到有效利用，整个系统的能耗就会大大降低。

如图1所示，从冷凝泵出来的冷凝水被分为两部分。一部分进入换热器HE1和换热器HE2，另一部分继续流经原来的回热系统（6号^~8号低压加热器）。最后，两部分的冷凝水在5号低压加热器的入口处汇合。

由此可见，新方案回收的余热可以部分取代原来的6号^~8号低压加热器。因此，进入6号^~8号低压加热器的抽汽明显减少，导致汽轮机的电功率得到明显的提升。

图2 新系统和传统燃煤火电二氧化碳排放量

图2显示了在CO₂零排放场景下，参考燃煤电厂和新系统的CO₂排放情况。由于新系统中CO₂捕集装置会产生额外能源消耗，因此新系统中的CO₂产生率为1073.27克/千瓦时，是参考燃煤电厂的1.32倍。对于参考燃煤电厂来说，如果没有CO₂捕集装置和生物质联合燃烧装置，产生的CO₂将全部排入大气，因此CO₂排放率等于CO₂产生率。

在新的系统中，10%的CO₂是通过燃烧生物质产生的（^~107.33 gCO₂/kWh），它来自大气，是碳中性的，因此不属于碳排放。其余90%的CO2被二氧化碳捕集装置吸收（^~965.94 gCO₂/kWh），这意味着整个系统的CO₂排放为零，实现了新系统的零碳排放。

图3 CO₂捕获率和生物质质量混合率对二氧化碳排放率的影响

图3分析了不同的CO₂捕获率和生物质质量混合率下的CO₂排放率的变化趋势。在相同的生物质质量混合率下，CO₂排放率随着CO₂捕集率的增加而降低。在相同的CO₂捕获率下，CO₂排放率随着生物质质量混合率的增加而减少。具体分析如下：

A点表示没有CO₂捕集装置的参考燃煤电厂.其中，CO₂排放率值约为811.21gCO₂/kWh。

B点表示采用燃烧后CO₂分离技术的典型燃煤电厂，CO₂捕获率约为90%，CO₂排放率约为107.33 gCO₂/kWh。因此，仅靠CO₂捕集装置不可能完全消除CO₂排放。

C点表示一个典型的燃煤电厂与生物质协同燃烧技术相结合。在这种情况下，生物质的混合比例约为30%，CO₂排放率约为647.62gCO₂/kWh。由于考虑到锅炉的腐蚀和灰烬的沉积，生物质质量混合率的限制，单靠生物质联合燃烧不能实现CO₂零排放。

D点意味着，当生物质质量混合率和CO₂捕获率分别达到15.4%和90%时，拟议系统的CO₂排放率实际上可以达到0gCO₂/kWh。同样的情况也发生在F点（生物质质量混合比为30%，同时CO₂捕获率为79.3%）。因此，燃煤电厂真正的CO₂零排放可以通过生物质质量混合比和CO₂捕获率的适当组合来实现。

E点表示综合系统的"负排放"。在这种情况下，在30%的生物质质量混合比和90%的CO₂捕获率下，CO₂排放率约为^_-115.0 gCO₂/kWh，这意味着所提出的系统在产生1kWh电能时可以从大气中回收115.0 g 的CO₂。事实上，在拟议的系统中，"负排放"可以在DF线以下的区域实现。例如，当CO₂捕获率为90%时，生物质质量混合比高于15.4%，或者当生物质质量混合比为30%时，CO₂捕获率高于79.3%，都可以实现 "负排放"。

原文信息

A coal-fired power plant integrated with biomass co-firing and CO₂ capture for zero carbon emission

Xiaojun XUE , Yuting WANG , Heng CHEN, Gang XU

作者单位：

Beijing Key Laboratory of Emission Surveillance and Control for Thermal Power Generation, North China Electric Power University, Beijing 102206, China

Abstract：

A promising scheme for coal-fired power plants in which biomass co-firing and carbon dioxide capture technologies are adopted and the low-temperature waste heat from the CO₂ capture process is recycled to heat the condensed water to achieve zero carbon emission is proposed in this paper. Based on a 660 MW supercritical coal-fired power plant, the thermal performance, emission performance, and economic performance of the proposed scheme are evaluated. In addition, a sensitivity analysis is conducted to show the effects of several key parameters on the performance of the proposed system. The results show that when the biomass mass mixing ratio is 15.40% and the CO₂ capture rate is 90%, the CO₂ emission of the coal-fired power plant can reach zero, indicating that the technical route proposed in this paper can indeed achieve zero carbon emission in coal-fired power plants. The net thermal efficiency decreases by 10.31%, due to the huge energy consumption of the CO₂ capture unit. Besides, the cost of electricity (COE) and the cost of CO₂ avoided (COA) of the proposed system are 80.37 $/MWh and 41.63 $/tCO₂, respectively. The sensitivity analysis demonstrates that with the energy consumption of the reboiler decreasing from 3.22 GJ/tCO₂ to 2.40 GJ/ tCO₂, the efficiency penalty is reduced to 8.67%. This paper may provide reference for promoting the early realization of carbon neutrality in the power generation industry.

Keywords:

coal-fired power plant, biomass co-firing, CO₂ capture, zero carbon emission, performance evaluation

Cite this article

Xiaojun XUE, Yuting WANG, Heng CHEN, Gang XU. A coal-fired power plant integrated with biomass co-firing and CO₂ capture for zero carbon emission. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-021-0790-8

通讯作者简介

陈衡，华北电力大学副教授，硕士生导师。主要从事电站热力系统优化、多种能源系统互补集成等研究。

Frontiers in Energy （SCI，2020 IF 2.709）)于2007年创刊，是全英文能源领域综合性学术期刊。主编是翁史烈院士、倪维斗院士、苏义脑院士和彭苏萍院士。执行主编是上海交通大学黄震院士。出版能源领域原创研究论文、综述、科学快报、专题论文等。特别关注可再生能源、未来能源、超常规能源、2030能源、微/纳米能源、能源与环境等全球能源的重大挑战问题。

涉及领域包括（不限于）：先进的能源材料，储能与应用，氢能与燃料电池，CO2 捕集、封存和利用，太阳能和光伏系统，生物燃料和生物能源，地热能，风能，地热能，潮汐能，核能，传热传质技术，能源与环境，建筑节能及能源经济政策等。

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