1.本公开涉及二氧化碳捕集技术领域，尤其涉及一种用于二氧化碳捕集的性能评价方法及装置。


背景技术：

2.碳捕集与封存(carbon capture and storage，简称ccs)作为实现高碳燃料低碳利用的唯一途径，已被公认为缓解气候变化的重要技术手段。在ccs各环节中，co2捕集的能源消耗和成本最高，占ccs总能源消耗和成本的70％以上，导致燃煤电厂效率下降6～14个百分点，这无疑是阻碍ccs发展与部署的关键障碍。因此，开发低能耗捕集技术是co2捕集领域的关键任务，而正确评价捕集系统性能是构建低能耗捕集技术的前提。
3.然而，目前的评价指标在评价ccs某些特殊技术路线的性能方面存在局限性，如化学链燃烧、富氧燃烧等，在不考虑co2捕集的情况下，难以找到其相应的不带co2捕集的参比系统。因此，对于这些co2捕集技术路线，在无法准确获得具体的co2捕集能耗的情况下，现有的系统性能评价指标，如co2捕集能耗、系统效率惩罚以及额外的燃料消耗是无法得到的，这为co2捕集系统的评价工作带来了一定的困难。
4.公开内容
5.基于此，本公开一方面提供一种用于二氧化碳捕集的性能评价方法，包括：采用燃煤电厂作为目标系统单产电的第一参比系统，采用燃烧后捕集电厂作为所述目标系统单产二氧化碳的第二参比系统；其中，将所述目标系统的电力输出与二氧化碳输出均作为所述目标系统的产品输出；确定所述目标系统的边界条件、设备参数以及所述第一参比系统、所述第二参比系统的设备参数；基于所述边界条件和设备参数，建立所述目标系统与所述第一参比系统及所述第二参比系统的模拟-计算模型，以计算所述目标系统、所述第一参比系统、所述第二参比系统的热力学特性；根据所述热力学特性计算所述目标系统的折合二氧化碳捕集能耗、折合发电效率以及相对节能效率，作为所述目标系统的性能评价指标；其中，所述折合二氧化碳捕集能耗表示在相同的发电量下，所述目标系统相对于所述第一参比系统因捕集单位二氧化碳多消耗的燃料量；所述折合发电效率表示在所述目标系统与所述第二参比系统具有相同二氧化碳捕集能耗的情况下，所述目标系统的发电效率；所述相对节能效率表示在相同发电量的情况下，所述目标系统相对于所述第一参比系统的燃料节约比，在相同二氧化碳捕集量的情况下，所述目标系统相对于所述第二参比系统的燃料节约比。
6.可选地，所述建立所述目标系统与所述第一参比系统及所述第二参比系统的模拟-计算模型，以计算所述目标系统、所述第一参比系统、所述第二参比系统的热力学特性包括：建立所述目标系统与所述第一参比系统的模拟-计算模型，以计算所述目标系统、所述第一参比系统在设计工况下的热力学特性；建立所述目标系统与所述第二参比系统的模拟-计算模型，以计算所述目标系统、所述第二参比系统在设计工况下的热力学特性。
7.可选地，其中，所述根据所述热力学特性计算所述目标系统的折合二氧化碳捕集
能耗包括：根据
[0008][0009]
计算所述折合二氧化碳捕集能耗，其中，ec
co2，e
为所述折合二氧化碳捕集能耗，e
in
为所述目标系统输入的能量，p
net
为所述目标系统的输出功，η
p，ref1
为第一参比系统的发电效率，m
co2
为目标系统对的二氧化碳捕集量。
[0010]
可选地，其中，根据所述热力学特性计算所述目标系统的折合发电效率包括：根据
[0011][0012]
计算所述目标系统的折合发电效率，其中，η
p，e
为所述目标系统的折合发电效率，e
in
为所述目标系统输入的能量，p
net
为所述目标系统的输出功，ec
co2，e，ref2
为所述第二参比系统的折合二氧化碳捕集能耗，m
co2
为目标系统对的二氧化碳捕集量。
[0013]
可选地，其中，所述根据所述热力学特性计算所述目标系统的相对节能效率包括：根据
[0014][0015]
计算所述相对节能效率，其中，res为所述相对节能效率，η
pref1
为第一参比系统的发电效率，m
co2
为目标系统对的二氧化碳捕集量，e
in
为所述目标系统输入的能量，p
net
为所述目标系统的输出功，ec
co2，eref2
为所述第二参比系统的折合二氧化碳捕集能耗。
[0016]
本公开另一方面提供一种用于二氧化碳捕集的性能评价装置，包括：选择模块，用于选择燃煤电厂作为目标系统单产电的第一参比系统，选择燃烧后捕集电厂作为所述目标系统单产二氧化碳的第二参比系统；其中，将所述目标系统的电力输出与二氧化碳输出均作为所述目标系统的产品输出；确定模块，用于确定所述目标系统的边界条件、设备参数以及所述第一参比系统、所述第二参比系统的设备参数；第一计算模块，用于基于所述边界条件和设备参数，建立所述目标系统与所述第一参比系统及所述第二参比系统的模拟-计算模型，以计算所述目标系统、所述第一参比系统、所述第二参比系统的热力学特性；第二计算模块，用于根据所述热力学特性计算所述目标系统的折合二氧化碳捕集能耗、折合发电效率以及相对节能效率，作为所述目标系统的性能评价指标；其中，所述折合二氧化碳捕集能耗表示在相同的发电量下，所述目标系统相对于所述第一参比系统因捕集单位二氧化碳多消耗的燃料量；所述折合发电效率表示在所述目标系统与所述第二参比系统具有相同二氧化碳捕集能耗的情况下，所述目标系统的发电效率；所述相对节能效率表示在相同发电量的情况下，所述目标系统相对于所述第一参比系统的燃料节约比，在相同的二氧化碳捕集量的情况下，所述目标系统相对于所述第二参比系统的燃料节约比。
[0017]
可选地，所述第一计算模块包括：第一计算单元，用于建立所述目标系统与所述第一参比系统的模拟-计算模型，以计算所述目标系统、所述第一参比系统在设计工况下的热
力学特性；第二计算单元，用于建立所述目标系统与所述第二参比系统的模拟-计算模型，以计算所述目标系统、所述第二参比系统在设计工况下的热力学特性。
[0018]
可选地，其中，所述第二计算模块包括：第三计算单元，用于根据
[0019][0020]
计算所述折合二氧化碳捕集能耗，其中，ec
co2，e
为所述折合二氧化碳捕集能耗，e
in
为所述目标系统输入的能量，p
net
为所述目标系统的输出功，η
p，ref1
为第一参比系统的发电效率，m
co2
为目标系统的二氧化碳捕集量。
[0021]
可选地，其中，所述第二计算模块还包括：第四计算单元，用于根据
[0022][0023]
计算所述目标系统的折合发电效率，其中，η
p，e
为所述目标系统的折合发电效率，e
in
为所述目标系统输入的能量，p
net
为所述目标系统的输出功，为所述第二参比系统的折合二氧化碳捕集能耗，m
co2
为目标系统的二氧化碳捕集量。
[0024]
可选地，其中，所述第二计算模块还包括：第五计算单元，用于根据
[0025][0026]
计算所述相对节能效率，其中，res为所述相对节能效率，η
p，ref1
为第一参比系统的发电效率，m
co2
为目标系统的二氧化碳捕集量，e
in
为所述目标系统输入的能量，p
net
为所述目标系统的输出功，为所述第二参比系统的折合二氧化碳捕集能耗。
附图说明
[0027]
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
[0028]
图1示意性示出了根据本公开实施例提供的用于二氧化碳捕集的性能评价方法的流程图。
[0029]
图2示意性示出了根据本公开实施例提供的典型加压富氧燃烧的系统图。
[0030]
图3示意性示出了根据本公开实施例提供的典型的化学链燃烧的co2捕集发电系统图。
[0031]
图4示意性示出了根据本公开实施例提供的600mwe超临界燃煤电厂燃烧后捕集系统图。
[0032]
图5示意性示出了本公开实施例还提供的用于二氧化碳捕集的性能评价装置的框图。
具体实施方式
[0033]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
[0034]
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0035]
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
[0036]
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
[0037]
贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
[0038]
类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0039]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
[0040]
针对现有co2捕集能耗评价方法无法广泛适用于各类co2捕集技术路线的问题，本公开提出了一种普适性的捕集能耗评价方法，包括：确定目标系统的边界条件和设备参数。采用燃煤电厂作为目标系统单产电的第一参比系统，采用燃烧后捕集电厂作为目标系统单产二氧化碳的第二参比系统；其中，将目标系统的电力输出与二氧化碳输出均作为所述目标系统的产品输出。基于边界条件和设备参数，建立目标系统与第一参比系统及第二参比系统的模拟-计算模型，以计算目标系统、第一参比系统、第二参比系统的热力学特性。根据热力学特性计算目标系统的折合二氧化碳捕集能耗、折合发电效率以及相对节能效率，作
为目标系统的性能评价指标。下面结合具体的实施例进行详细介绍。
[0041]
图1示意性示出了根据本公开实施例提供的用于二氧化碳捕集的性能评价方法的流程图。
[0042]
如图1所示，该性能评价方法例如可以包括操作s101～操作s104。
[0043]
在操作s101，采用燃煤电厂作为目标系统单产电的第一参比系统，采用燃烧后捕集电厂作为目标系统单产二氧化碳的第二参比系统；其中，将目标系统的电力输出与二氧化碳输出均作为目标系统的产品输出。
[0044]
在本公开实施例中，目标系统可以包括加压富氧燃烧系统或化学链燃烧系统。其中，考虑到对于某些不采用co2分离技术即可以实现co2捕集的技术路线，难以找到其相应的不带co2捕集的参比系统，使得现有评价方法里的一些指标难以直接用于其系统评估计算中，本公开将目标系统类比于多联产系统，将co2与电力均视为捕集系统产品输出。
[0045]
加压富氧燃烧系统是用高纯度的氧气替代空气作为燃料的氧化剂，从而产生高co2浓度的烟气，减少了燃烧后需要净化的烟气量，冷凝、净化后的烟气直接压缩后储存。深冷分离出的纯氧和一部分烟气混合参与煤粉燃烧，从而减少了空气中氮气的引入，使得烟气中的co2浓度能够达到90％。
[0046]
图2示意性示出了根据本公开实施例提供的典型加压富氧燃烧的系统图。
[0047]
如图2所示，加压富氧燃烧的流程例如可以包括：空分后纯度达95％的高压氧气进入高压富氧锅炉与煤燃烧，锅炉中产生高温烟气与循环烟气进行混合以降低烟气温度，再用于加热水以及再热蒸汽，产生的高温蒸汽进入汽轮机做功。热回收之后的烟气一部分返回到锅炉中，另一部分则经过脱硫脱硝、净化之后压缩存储。
[0048]
化学链燃烧系统特点之一就是将氧化过程与还原过程相分离。载氧体首先与h2/co等还原剂反应生成高温烟气，被还原后的载氧体进入空气反应器中与空气中的氧气反应再生，再次被送入到燃料反应器之中反应。
[0049]
图3示意性示出了根据本公开实施例提供的典型的化学链燃烧的co2捕集发电系统图。
[0050]
如图3所示，化学链燃烧的流程例如可以包括：煤直接与载氧体反应生成高温烟气，其主要成分为co2与h2o，高温烟气直接进入余热锅炉加热水蒸气做功，产生的蒸汽用于蒸汽透平做功。余热锅炉出口烟气经过冷凝分离出水之后形成高co2浓度的烟气可以直接压缩存储。从净压缩机加压的空气与载氧体进行氧化反应，反应器出来的烟气直接送入到燃气轮机做功，燃气轮机的出口烟气再通过余热锅炉产生蒸汽送入蒸汽轮机做功，然后直接排放到环境之中。
[0051]
在本公开实施例中，由于在co2捕集领域中不存在单独生产co2的系统，而燃烧后捕集电力生产和co2捕集单元之间独立性最高，因此，可以采用燃煤电厂和燃烧后捕集电厂分别作为单产电和单产co2的参比系统。
[0052]
具体的，目前全球在运行的两个大规模ccus发电示范工程均采用了燃煤电厂+燃烧后捕集的技术路线，其他大规模项目大多是基于现有的天然气联合循环电厂或者燃煤电厂改造成为燃烧后捕集的电厂。考虑到600mwe火力发电机组为主流的超临界发电机组，可以选择600mw超临界火电厂作为参比系统。
[0053]
图4示意性示出了根据本公开实施例提供的600mwe超临界燃煤电厂燃烧后捕集系
统图。
[0054]
如图4所示，该系统的上半部分为传统的燃煤电厂发电流程，煤在锅炉中燃烧，加热水产生的蒸汽用于蒸汽轮机发电，采用再热与回热的方式实现系统热的高效利用。煤燃烧后的烟气经过脱硫净化，加压后进入吸收塔。脱除co2后的烟气仍然含有少量的co2，可以直接排到大气之中，吸收后的富溶液进入解吸塔，在解吸塔中co2和水蒸气的混合物与吸收剂分离，由塔顶进入冷凝装置分离出的水分回流至解吸塔，干燥的co2经过压缩后储存。吸收剂溶液从吸收塔底部进入再沸器再生，并回用于吸收塔，可保证吸收塔内的组分平衡。捕集单元所使用的溶剂为mea，具有吸收速度快、吸收能力强、价格便宜等优势。
[0055]
在操作s102，确定目标系统的边界条件、设备参数以及第一参比系统、第二参比系统的设备参数。
[0056]
在本公开实施例中，确定目标系统的边界、能流、物流等关键信息。
[0057]
目标系统模拟的边界条件以及通用设备参数如表1所示。
[0058]
表1
[0059][0060][0061]
各系统的主要设备参数可以如图2所示。
[0062]
表2
[0063][0064]
在操作s103，基于边界条件和设备参数，建立目标系统与第一参比系统及第二参比系统的模拟-计算模型，以计算目标系统、第一参比系统、第二参比系统的热力学特性。
[0065]
在本公开实施例中，建立目标系统与第一参比系统的模拟-计算模型，以计算目标系统、第一参比系统在设计工况下的热力学特性。建立目标系统与第二参比系统的模拟-计算模型，以计算目标系统、第二参比系统在设计工况下的热力学特性。
[0066]
在本公开实施例一具体实验示例中，通过模拟-计算模型计算的热力学特性如表3所示。
[0067]
表3
[0068][0069]
在操作s104，根据热力学特性计算目标系统的折合二氧化碳捕集能耗、折合发电效率以及相对节能效率，作为目标系统的性能评价指标。
[0070]
在本公开实施例中，折合二氧化碳捕集能耗表示在相同的发电量下，所述目标系统相对于所述第一参比系统捕集单位二氧化碳多消耗的燃料量。可以根据
[0071][0072]
计算折合二氧化碳捕集能耗，其中，ec
co2，e
为折合二氧化碳捕集能耗，e
in
为目标系统输入的能量，p
net
为目标系统的输出功，η
p，ref1
为第一参比系统的发电效率，m
co2
为目标系统的二氧化碳捕集量。
[0073]
例如，将表3记录的结果带入公式(1)分别计算第二参比系统，富氧燃烧系统以及化学链燃烧系统的折合co2捕集能耗。
[0074]
在本公开实施例中，折合发电效率表示在目标系统与第二参比系统具有相同二氧化碳捕集能耗的情况下，目标系统的发电效率。可以根据
[0075][0076]
计算目标系统的折合发电效率，其中，η
p，e
为目标系统的折合发电效率，e
in
为目标系统输入的能量，p
net
为目标系统的输出功，ec
co2，e，ref2
为第二参比系统的折合二氧化碳捕集能耗，m
co2
为目标系统的二氧化碳捕集量。
[0077]
例如，将表3记录的结果带入公式(2)分别计算第二参比系统，富氧燃烧系统以及化学链燃烧系统的折合发电效率。
[0078]
在本公开实施例中，相对节能效率表示在相同发电量的情况下，目标系统相对于第一参比系统的燃料节约比，在相同的二氧化碳捕集量的情况下，目标系统相对于第二参比系统的燃料节约比。可以根据
[0079][0080]
计算相对节能效率，其中，res为相对节能效率，η
p，ref1
为第一参比系统的发电效率，m
co2
为目标系统的二氧化碳捕集量，e
in
为目标系统输入的能量，p
net
为目标系统的输出功，ec
co2，e，ref2
为第二参比系统的折合二氧化碳捕集能耗。
[0081]
例如，将表3记录的结果带入公式(3)分别计算第二参比系统，富氧燃烧系统以及化学链燃烧系统的相对节能率。
[0082]
通过上述三式计算的结果如表4所示：
[0083]
表4
[0084]
[0085]
根据本公开实施例提供的用于二氧化碳捕集的性能评价方法，将co2捕集系统类比于多联产系统，将电力与co2均视为捕集系统的产品输出，相对于传统的系统效率只考虑了电作为产品时的系统性能，co2作为具有一定价值的产品，同样应该被考虑进来。充分考虑了各类co2捕集系统的特征。针对于加压富氧燃烧和化学链燃烧这样的系统，由于缺少相对应的无捕集系统，捕集能耗的计算必须基于确定的参比系统，本公开采用燃煤电厂和燃烧后捕集电厂分别作为单产电和单产co2的参比系统，并引入了折合co2捕集能耗、折合发电效率和相对节能率等关键性能指标，有助于比较具有不同碳捕集能源系统，并进行捕集能耗，发电效率以及节能率的对比。也就是说，该性能评价方法能够广泛适用于各类co2捕集技术路线的通用系统性能评价方法，能够实现所有co2捕集技术路线的性能评估，更好地指导未来低能耗捕集系统的构建。
[0086]
图5示意性示出了本公开实施例还提供的用于二氧化碳捕集的性能评价装置的框图。
[0087]
如图5所示，该性能评价装置例如可以包括：
[0088]
选择模块510，用于选择燃煤电厂作为目标系统单产电的第一参比系统，选择燃烧后捕集电厂作为目标系统单产二氧化碳的第二参比系统；其中，将目标系统的电力输出与二氧化碳输出均作为目标系统的产品输出。
[0089]
确定模块520，用于确定目标系统的边界条件、设备参数以及第一参比系统、第二参比系统的设备参数。
[0090]
第一计算模块530，用于基于边界条件和设备参数，建立目标系统与第一参比系统及第二参比系统的模拟-计算模型，以计算目标系统、第一参比系统、第二参比系统的热力学特性。
[0091]
第二计算模块540，用于根据热力学特性计算目标系统的折合二氧化碳捕集能耗、折合发电效率以及相对节能效率，作为目标系统的性能评价指标。
[0092]
在本公开实施例中，第一计算模块530例如可以包括：
[0093]
第一计算单元，用于建立目标系统与第一参比系统的模拟-计算模型，以计算目标系统、第一参比系统在设计工况下的热力学特性。
[0094]
第二计算单元，用于建立目标系统与第二参比系统的模拟-计算模型，以计算目标系统、所述第二参比系统在设计工况下的热力学特性。
[0095]
在本公开实施例中，第二计算模块540包括例如可以包括：
[0096]
第三计算单元，用于计算折合二氧化碳捕集能耗。
[0097]
第四计算单元，用于计算目标系统的折合发电效率。
[0098]
第五计算单元，用于计算相对节能效率。
[0099]
需要说明的是，装置实施例部分的技术细节及效果与方法实施例部分类似，具体参见方法实施例部分，此处不再赘述。
[0100]
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。