純氧燃燒發電暨碳捕捉模擬系統建立與節能效益評估

國立成功大學「邁向頂尖大學計畫」

  延攬優秀人才工作報告表

NCKU’s “Aim for the Top University Project”

Work Report Form for Distinguished Scholars

□續聘

■離職

100 年 7 月 13 日更新

受聘者姓名

Name of the Employee 陳厚岑 男 女

Male Female

聘　期 Period of Employment

from 2014 年(y)　01 月(m) 01 日(d) to 2014 年(y) 01 月(m)　26 日(d) 研究或教學或科技研發與

管理計畫名稱 The project title of research,

teaching, technology development and management

純氧燃燒發電暨碳捕捉模擬系統建

立與節能效益評估 計畫主持人

（申請單位主管）

Project Investigator (Head of Department/Center)

吳煒

補助延聘編號

Grant Number

HUA 103 - 3 - 3 - 033

一、

（由受聘人填寫）

Please summarize the entire research, teaching, or science and technology R&D and management work process (To be completed by the employee)

受延攬人研究工作主要項目:

1. 純氧燃燒特性探討與蒸氣發電系統之建模。

2. 利用 Aspen Plus®並配合文獻進行純氧燃燒特性探討，並建立蒸氣發電系統模型。

3. 穩態(steady state)操作參數優化：

4. 利用靈敏度分析工具探討純氧燃煤發電系統關鍵操作參數對發電效率與碳排之影響。

5. 熱整合技術應用：

6. 利用狹點分析法(pinch analysis)規劃系統所需熱交換器數量、配置與網路架構，獲得最大熱回收 量，提高發電效能。

受延攬人研究工作全程包含以下幾點: 1. 程序模型建立與測試。

2. 模擬數據分析。

3. 研究成果歸納與整理。

4. 論文撰寫與投稿。

研究內容

本工作項目之目標為針對純氧燃煤電廠進行整體效率評估，透過質能平衡計算軟體 Aspen Plus 模擬電 廠組件配置，分析各單元能耗需求及不同操作參數對系統效率之影響，建立純氧燃煤電廠設計概念與預 測系統效率之能力。下面即針對純氧燃煤電廠作一完整描述。一般而言，純氧燃煤電廠配置如圖 1 所示，

主 要 由 五 個 部 分 組 成 ： (1) 空 氣 分 離 單 元 (ASU) ； (2) 燃 燒 器 ； (3) 蒸 汽 產 生 器 ( 包 含 boiler、superheater、economizer)、(4)二氧化碳捕捉系統與(5)蒸汽循環迴路。有別於空氣燃煤電廠，純氧燃煤 系統之氧氣乃由空氣分離單元供應。常溫常壓空氣進入空分機被冷卻並加壓至設定值 5.17 bar 後於致冷蒸 餾塔進行氧氣、氮氣分離。因兩種氣體沸點差異不大，此物理分離程序需耗費大量能源，造成純氧燃煤電 廠效率低於空氣燃煤之主因。ASU 產生純度 97.5%之氧氣(股流 1)於進入燃燒器前須先預熱，故在管式加 熱器與煙道氣進行熱交換後提升溫度至 270°C 成為股流 2。作為氧化劑之股流 3 即由升溫之純氧與純化過

入，主要作用為去除粉煤內之水份。此處探討兩種燃燒器形式，其一為粉煤(pulverized coal, PC)燃燒器，

研磨機風扇效率設定為 90%，而粉煤與氧化劑反應後產生之煙道氣(股流 4)於燃燒器內之溫度設定為 1695°C，供給熱量加熱飼水(股流 21)成為過熱蒸汽(股流 13 與股流 14)推動渦輪機產生電力。蒸汽產生器 實由鍋爐、過熱器與省煤器所組成，高壓飼水於省煤器被燃燒爐末端之煙道氣先行預熱後，進入鍋爐水牆 直接加熱成為 390°C 之飽和蒸汽，隨即於數個過熱器持續與煙道氣進行熱交換，最終產生達到設定溫度 分別為 600°C(股流 13)與 620°C(股流 14)之過熱蒸汽。

自蒸汽產生器出來之煙道氣(股流 5)與純氧進行熱交換後即進入 SCR (selective catalytic reduction)去除氮 硫化物，主要反應式為

2 NO + 2 NH3 + 0.5 O2 = 2 N2 + 3 H2O

對純氧燃煤電廠而言，因氧化劑中稀釋氣體已從氮氣改為二氧化碳，煙道氣中的氮氧化物大部分為燃料 氮氧化物(fuel NOx)，由粉煤內之微量氮原子與氧結合生成，其生成量遠小於空氣燃煤生成之熱氮氧化物 (thermal NOx)，這也是純氧燃煤的優勢之一。煙道氣於 ESP (electrostatic precipitator)去除灰份之懸浮粒子 後，剩餘成份為二氧化碳、水份與微量硫氧化物。此時煙道氣(股流 8)溫度仍遠高於硫氧化物沸點，並無因 冷凝而腐蝕管道疑慮，故迴流煙道氣(股流 9)經風扇輸送與氧氣混合後進入燃燒器，此迴流方式亦稱為濕 式迴流(wet RFG)。因 CFB 之除硫裝置內建於燃燒器，對 PC 燃燒器而言，剩餘煙道氣須以 FGD (flue gas desulfurization)去除硫氧化物，主要利用石灰石(CaCO3)吸收 SO2成為石膏，總化學反應式如下

亞硫酸化反應：0.5 H2O + SO2 + CaCO3 → CaSO3 * 0.5 H2O + CO2

硫酸化反應：CaSO3 * 0.5 H2O +0.5 O2 + 1.5 H2O → CaSO4 * 2 H2O

純化後之煙道氣(股流 10)再經冷卻水降溫並透過水氣分離裝置移除其中水份後，被送入壓縮機加壓至 115bar 進行零排放(zero emission)封存動作，此單元亦是造成純氧燃煤電廠效能降低主因之一。此時封存 煙道氣(股流 12)內二氧化碳濃度可達 90%以上。在蒸汽循環迴路中，有別於 Rankine 迴路之處在於產生功 與需求功之步驟為不可逆程序，即過熱蒸汽在渦輪機中作非絕熱膨脹至冷凝器設定壓力，此時 熵有增加 之趨勢。渦輪排放之流體通常仍為氣液混合物，但只要濕度在 10%內，葉片腐蝕問題就不嚴重。而在需求 功步驟中，幫浦同樣在不可逆且非絕熱(熵>0)將飽和液體加壓至鍋爐內水牆設定壓力。而由冷凝器排出之 飽和液體再送入鍋爐前，會先經過渦輪溢出之蒸汽先行預熱。

結果與討論

熟悉電廠配置設計概念後，首先吾人利用自行建構之 100 MWe 電廠模型，選擇如表 1 中煙煤並固定表 2 所列之參數設定，分析常壓操作下純氧燃煤與空氣燃煤效能。如圖所示，模擬結果與國際 GCCSI 或 NETL 組織發表之數據相匹配，空氣燃煤電廠淨效率約 42%，純氧燃煤電廠約 30%，效率降低之主要原 因為提供純氧之空分機與捕捉封存二氧化碳之壓縮機需消耗大量能源，稍後將詳細討論。雖然純氧燃煤有 上述系統效率下降缺點，但在乾基煙道氣中二氧化碳濃度從 16.7%大幅提升至 90%，可直接進行壓縮封

圖 1 純氧燃煤電廠配置圖

表 1 煤種分析數據

Bituminous Heating Value (kJ/kg) 27207.6 LHV

Proximate Analysis (wt%) 25

Moisture 9.2

Ash 45.7

Volatile Matter 45.1 Fixed Carbon

Ultimate Analysis (wt%) 25

C 9.2

H 67.1

N 4.8

Cl 1.1

S 0.1

O 1.3

0 10 20 30 40 50 60 70

Oxy-firing w/ CCS Air-firing w/o CCS

Net Efciency (% LHV)

Present SCPC w/ Bit Coal NETL (2007) SCPC w/ Bit Coal NETL (2007) SCPC w/ Sub-bit Coal GCCSI (2009) SCPC w/ Bit Coal GCCSI (2009) USCPC w/ Bit Coal

圖 2 常壓 PC 電廠淨效率比較

表 2 模擬參數設定

Parameter Value

Air separation unit

ASU operating pressure 5 bar O2 purity (mol%) 97.5%

Furnace

combustion temperature 1695°C Steam temperature 400°C Radiant superheater temperature 530°C Steam flow

RFG ratio

32.26 kg/s 80%

Rankine cycle

HP turbine inlet pressure 240 bar HP turbine inlet temperature 600°C IP turbine inlet pressure 49 bar IP turbine inlet temperature 620°C LP turbine inlet pressure 5 bar Condenser pressure 0.1 bar CO2 capture and sequestration

CO2 compression pressure 120 bar CO2 purity (mol%) up to 90%

2. 燃燒壓力(常壓至 40 bar)

3. 燃燒器型式(PC 與 CFB)

4. 氧化劑之氧氣濃度(22%至 30%)

5. 尺度(100MW 至 1000MW)

圖 3 同時比較了三種煤種於兩種燃燒器進行純氧燃燒(氧化劑之氧氣濃度為 22%)，在不同操作壓力之淨效 率變化。就煤種影響而言，無意外地燃燒無煙煤可獲得最佳發電效率，常壓下無煙煤之效率較褐煤高約 4.5%，但考慮到為提升發電效率而造成煤種購買費用增加，須進一步詳細評估相關成本因素。就壓力效應 而言，系統淨效率於操作壓力為 5 bar 內快速提升，舉例而言以煙煤於 PC 燃燒情況下效率增加約 2%，操 作壓力大於 5 bar 後效率提升速度趨於緩和，至 10 bar 時三種煤種於兩種燃燒器燃燒下之純氧燃煤電廠皆 有最大效率，其中以褐煤受壓力效應影響最明顯，最終增加效率在 PC 與 CFB 燃燒時皆有 3%左右。隨著 操作壓力增加超過 10 bar，系統效率不但沒有繼續提升，反而緩慢降低。此趨勢亦與國際 NETL 組織發表 之模擬結果相同。

0 10 20 30 40

26 27 28 29 30 31 32 33 34

Net Efciency (% LHV)

Operating Pressure (bar)

PC w/ Anthracite CFB w/ Anthracite PC w/ Bituminous CFB w/ Bituminous PC w/ Lignite CFB w/ Lignite

圖 3 純氧燃煤 PC 與 CFB 電廠於不同壓力下燃燒不同煤種之淨效率比較

為探究系統淨效率於操作壓力 10 bar 後不增反減之現象，在分析不同壓力下純氧燃煤 PC 電廠之能源消 耗量。從圖 3 可以明顯看出，於常壓操作下總能耗最高約 160 MWe，其中空分機與 CO2壓縮機能耗分別為 90 MWe與 46 MWe，兩者之合即佔總能耗 85%，而剩於 15%則由其他設備如迴流風扇、鍋爐風扇、冷卻水 塔幫浦等所消耗。若以電廠總輸出功率(gross power) 500 MWe為基準，空分機與 CO2壓縮機兩單元消耗功 率共 27.2%，由此可見其消耗功率之多。當操作壓力增至 10 bar，由圖 4 觀察主要設備單元之能耗大部分 呈現下降之趨勢，尤其以 CO2壓縮機最顯著，惟空分機能量需求會隨著操作壓力上升而增加，但總體計 算得到電廠能耗於此操作壓力下最低，約為 135 MWe。當壓力大於 10 bar 後，設備能耗下降量逐漸小於設 備能耗增加量，造成電廠總能耗不減反增，此現象即反映在淨效率隨壓力變化上。

0 20 40 60 80 100 120 140 160

CO₂ Compressor

Others Furnace ESP

ASU Recycled

Fan Total

Power Consumption (MW e)

Auxiliary Devices

Atmosphere 10 bar 20 bar 30 bar 40 bar

圖 4 純氧燃煤 PC 電廠中單元能耗

接著探討氧化劑中氧氣濃度對系統效率之影響，圖 5 可以看出在固定過剩氧為 10%與燃燒溫度為 927°C 之操作條件下，以煙煤為燃料於 PC 或 CFB 內燃燒時，氧氣濃度大於 25%後系統效能將不再升高，效率 增加量僅約 0.75%。若將燃料改為褐煤，則可看到系統效率隨著氧化劑中氧氣濃度增加而提升，當氧氣濃 度從原本 22%增加至 30%時，系統淨效率增加量約 2%，此時 PC 與 CFB 兩燃燒器之系統效率差異依舊維 持在 0.7%。

圖 5 常壓下純氧燃煤 PC 電廠於氧化劑中不同氧氣濃度之淨效率比較

為探討電廠規模對效率之影響，我們以同樣純氧燃煤 PC 電廠為基準，於常壓操作下藉由調整飼水流量 改變電廠總輸出功率從 100 MWe至 1000 MWe，從圖 6 看出當總輸出功率於 100 MWe時系統效率最低，

約為 29.8%，大於 500 MWe後系統效能趨於一定值，約為 30.2%，即當總輸出功率差距 1 個級數時，系統 效率差異僅 0.4%，可見後續模擬分析不同規模之電廠效率時之數據具有一定之可靠度。

200 400 600 800 1000 29.5

30.0 30.5

Net Efciency (% LHV)

Gross Power (MW_e) Oxy-PC /w CCS Bituminous Coal Atmospheric

圖 6 常壓下不同總輸出功率之純氧燃煤 PC 電廠之淨效率比較

二、

由計畫主持人或單位主管填寫

Please evaluate the performance of research, teaching or science and technology R&D and management Work: ( To be completed by Project Investigator or Head of Department/Center)

(1)是否達到延攬預期目標？

Has the expected goal of recruitment been achieved?

受延攬人的研究工作與成果均達到計畫預期目標。

(2)研究或教學或科技研發與管理的方法、專業知識及進度如何？

What are the methods, professional knowledge, and progress of the research, teaching, or R&D and management work?

受延攬人專業知識及研究進展符合預期目標。

(3)受延攬人之研究或教學或科技研發與管理成果對該計畫(或貴單位)助益如何？

How have the research, teaching, or R&D and management results of the employed person given benefit to the project (or your unit)?

受延攬人具有化工程序控制專業知識，並整理相關模擬軟體中常用工具箱之使用說明，因此工作期間 對本研究團隊在相關領域學習上助益甚大。

(4)受延攬人於補助期間對貴單位或國內相關學術科技領域助益如何？

How has the employed person, during his or her term of employment, benefited your unit or the relevant domestic academic field?

受延攬人的工作內容符合計畫預期目標並提升延攬單位研究能量之外，對於潔淨能源製程應用於電廠 模擬提供新標的與研究方向。

(5)具體工作績效或研究或教學或科技研發與管理成果：

Please describe the specific work performance, or the results of research, teaching, or R&D and management work:

受延攬人已彙整近期研究成果 1 篇預計投稿至國際學術期刊。

(6)

是否續聘受聘人?

□續聘

■ ^不續聘

受延攬人因生涯規劃，須辦理中途離職。唯後續研究工作將由主持人負責依規劃研究項目陸續完成相 關學術論文發表工作。

※此報告表篇幅以三～四頁為原則。This report form should be limited to 3-4 pages in principle.

※此表格可上延攬優秀人才成果報告繳交說明網頁下載。

This report form can be downloaded in http://scholar.lib.ncku.edu.tw/explain/