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中国航发燃机：碳捕集技术在燃气轮机中的应用

时间：2021-12-15 16:01:30 来源：中国航发

中国航发燃机：碳捕集技术在燃气轮机中的应用

前言：目前，大力发展可再生能源发电，从而限制CO2排放已经成为全球共识，各国政府和监管部门不断出台减排措施，与此同时迫切需要灵活的发电解决方案作为调节电源，解决可再生能源发电带来的随机性、间歇性及波动性等问题。通过提高效率、工艺混合、使用低碳燃料或整合CO2捕获技术，可以减少新设计和改造的燃气轮机CO2排放量，这也巩固了燃气轮机行业的战略地位。为早日实现脱碳目标，中国航发燃机深入研究世界各国脱碳技术路线，对未来燃气轮机技术发展及燃料的适用性进行研究，并编译了本文，以期引发行业内更多有益的思考。

燃烧后CO2捕集与燃气轮机的集成技术

燃气轮机脱碳发电，无论是针对现有的天然气机组还是未来新建机组，都会对运营成本和可调度电力水平产生重大影响，因为碳捕获技术会产生额外的能量损失。因此，选择并优化最合适的捕集技术，同时保持工厂灵活性具有重要意义，需进一步研究如何最大限度地降低成本和能量损失。

燃烧后二氧化碳捕集技术，例如CA循环或使用压力或温度摆动概念的固体吸附剂，可改善热整合，从而降低运营成本。还应研究其他选择，例如CO2分离膜等。

废气再循环包括增强的再循环选项（例如使用CO2分离膜），以挺高废气CO2水平，从而降低捕集厂的规模和成本。这种方法将导致燃烧和热气路径环境发生重大变化，还可能影响可操作性、材料和部件寿命。

两个关键要素对上述技术非常重要。

1.集成燃气轮机和捕集过程的能源转换效率有关，需要优化并最大程度地减少能量损失，同时也与运行灵活性和捕集技术性能的组合优化有关，需要进一步研究。

2.瞬态运行对捕获性能的影响及其对控制策略的影响，尤其是因为燃气轮机发电厂被视为平衡电网并为不断增加的可再生能源份额提供调节电源是最灵活的解决方案。

使用氢气、生物质衍生气体和其他低碳气体运行

由于有限和没有升级气体净化以降低整体工厂复杂性，生物质衍生气体通常不如化石衍生气体清洁。这可能会导致燃烧和热气路径环境面临挑战，这将与旨在提高燃气轮机燃料灵活性所需的研究相关联。

需要进一步研究氢气在燃气轮机中的使用，无论是直接燃烧还是掺氢燃烧。这种氢气，纯的或混合的（甚至可能来自天然气管网），可以来自多种来源，包括重整天然气、来自气化过程的富含H2的合成气、来自未使用的可再生电力的水电解或生物质衍生。要被视为低碳解决方案，前两个选项需要涉及燃烧前捕集。

使用先进、高效循环的富氧燃气轮机

一系列先进、高效的循环燃气轮机正在开发中，从而提供更高效率的替代方案，其固有的CO2分离技术适用于燃烧后捕获选项的应用。这些使用氧燃烧来提供低N2废气，更容易从中分离CO2。在这些循环中，分离出的CO2被压缩用于运输和储存，并且一些CO2或冷凝蒸汽可以再循环到燃烧器以适度燃烧。此类循环在极高的压力下运行，并带来了重大的操作和组件制造挑战。例如超临界CO2动力循环，其中废气CO2被回收（例如NetPower循环），或清洁能源系统循环（包括天然气/O2燃烧），其中蒸汽用于缓和燃烧条件。

虽然为产生低成本、低碳电力提供巨大潜力，但这些循环需要在燃烧、热气路径环境（由于高蒸汽/CO2水平的影响）、材料、机械要求、控制策略方面取得重大进展等。这些与传统系统非常不同，并存在许多挑战和不确定性，可能会限制循环的潜在性能并严重阻碍其发展。研究这些改变运行环境的影响将有助于识别那些最具潜力的循环，从而为未来的燃气轮机开发提供一条可能的路径。

此外，燃气轮机与必要的O2生产过程的集成是一个研究领域，旨在优化更大的系统以实现整体效率和灵活性，其与绿色制氢等其他过程的整合也需要评估。


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