单柱与双柱空分装置集成Allam循环的性能评估：综合能量、火用、经济及生命周期影响评价

《Energy Conversion and Management-X》：Performance evaluation of the Allam cycle with single and double column ASUs: an integrated energy, exergy, economic, and life cycle impact assessment

　　

对采用单柱和双柱空分装置（ASU）的Allam循环进行4E比较。基于真实空气进料和生命周期的环境评估。双柱设计在热力学上更优，而单柱设计在经济性上更佳。双柱设计的能量效率为50.97%，火用效率为48.69%。单柱设计经济性最优，内部收益率（IRR）为24.83%，投资回收期（PB）为3.09年。

Allam循环集成单柱与双柱空分装置的4E性能对比研究解读

1. 研究背景与现存问题

能源需求因钢铁、水泥、石化等能源密集型产业的扩张、数据中心及数字技术的快速增长以及电动汽车制造业的发展而呈指数级增长。这种转型要求在限制碳排放的同时大幅增加发电量。碳捕集、利用与封存（CCUS）技术被认为是减少CO₂排放最有前景的技术之一。其中，Allam循环作为一种创新的发电方式，采用超临界CO₂（sCO₂）作为工质，并与纯氧（O₂）进行燃料燃烧，产物仅为水和CO₂，可实现近完全的碳捕集。

尽管Allam循环具有高效和碳捕集的潜力，但其面临的主要挑战在于高纯度O₂的生产成本以及与现有电厂的成本竞争力。空分装置（ASU）的设计与优化是决定其经济性能的关键因素。已有研究表明，ASU是Allam循环中最昂贵的单元，也是火用破坏的主要来源之一。然而，现有研究缺乏对单柱ASU（SC-ASU）和双柱ASU（DC-ASU）两种配置在与天然气驱动的Allam循环集成时，在真实空气组分条件下的系统性对比。特别是，不同ASU配置、O₂压缩策略以及热集成对整体能量、火用、经济和环境性能的综合影响尚不明确。因此，本研究旨在填补这一空白，通过统一的4E框架对两种ASU配置进行全面比较，为Allam循环中O₂供应段的设计选择提供依据。

2. 研究内容与结论

研究人员针对Allam循环分别集成了SC-ASU和DC-ASU两种配置，并在统一的操作假设下进行了模拟与对比分析。研究采用了Aspen Plus V14软件进行流程模拟，其中Allam循环采用SRK状态方程，分离器采用Peng-Robinson状态方程。研究基于真实空气组分（包含N₂、O₂、Ar、CO₂和H₂O）进行建模，而非理想的N₂-O₂混合物。研究从能量、火用、经济和环境四个维度（即4E分析）展开评估，并辅以敏感性分析以阐明关键设计参数和经济参数的影响。主要技术方法包括：流程模拟与能量平衡计算、基于第二定律的火用分析、基于净现值（NPV）、内部收益率（IRR）、投资回收期（PB）和平准化度电成本（LCOE）的经济性评估，以及基于生命周期影响评估（LCIA）的环境影响分析。

3. 研究结果

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  系统描述与模拟设置：研究人员详细描述了SC-ASU和DC-ASU的工艺流程。SC-ASU采用单一精馏塔，空气经三级压缩、冷却后进入塔内分离，液态O₂产品被泵送至300 bar供Allam循环使用。DC-ASU则包含高压塔（HPC）和低压塔（LPC），两者通过冷凝器-再沸器连接，空气压缩至5.8 bar后分流进入两塔。Allam循环以甲烷为燃料，流量15.5 kg/s，在1150°C和30 MPa的绝热燃烧室中进行富氧燃烧，燃烧产物驱动透平做功，CO₂工质经冷却、压缩、液化后大部分循环回系统，部分作为产品输出。研究设定了关键的运行参数，如透平入口温度、压力比、冷却流率等。
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  能量与火用分析：结果表明，DC-ASU配置在热力学上表现更优。其整体能量效率达到50.97%，火用效率为48.69%，均高于SC-ASU配置。这归因于DC-ASU更高效的空气分离过程，降低了ASU自身的能耗。火用分析揭示了系统中火用破坏的主要来源，燃烧室、透平和回热器（MHX）通常是火用损失最大的部件。
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  经济性分析：在经济性方面，SC-ASU配置展现出显著优势。其内部收益率（IRR）高达24.83%，投资回收期（PB）仅为3.09年，远优于DC-ASU配置。这表明，尽管SC-ASU在热力学效率上略逊一筹，但其较低的初始资本投入和运营成本使其在整体经济性上更具竞争力。研究还进行了敏感性分析，考察了燃料价格、N₂价格、电价及利率等因素对经济指标的影响。
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  环境影响评估：基于生命周期影响评估（LCIA）的分析显示，两种配置均实现了极低的直接CO₂排放。Allam循环固有的碳捕集能力确保了其出色的环境绩效。研究进一步量化了单位发电量的CO₂捕集量，证实了该技术在低碳电力生产中的巨大潜力。
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  参数分析：研究人员探讨了O₂纯度、ASU热回收程度、回热器最小温差、透平冷却流率和温度、燃烧室温度、压比等关键参数对系统性能的影响。例如，提高O₂纯度有助于提升燃烧效率和降低压缩机功耗，但会增加ASU的能耗和成本。优化透平冷却方案和回热器的设计对于提升整体效率和降低成本至关重要。

4. 讨论与结论

讨论部分总结：研究指出，ASU是Allam循环中最具技术经济挑战性的子系统。SC-ASU与DC-ASU的选择需要在热力学性能与经济性之间进行权衡。DC-ASU虽然热力学效率更高，但其复杂的结构和更高的投资成本使得其在经济性上不如结构更简单的SC-ASU。研究强调，不能仅凭ASU本身的资本成本来判断整个系统的经济性，必须结合其对电厂净功率输出和运营成本的综合影响进行评估。此外，热集成策略（如利用ASU的压缩热）对提升系统整体性能具有重要作用。

研究结论：本研究对集成单柱和双柱空分装置的Allam循环进行了全面的4E比较。研究表明，双柱ASU设计在热力学上更优，实现了50.97%的能量效率和48.69%的火用效率。而单柱ASU设计在经济性上表现最佳，其内部收益率为24.83%，投资回收期为3.09年。这项研究为Allam循环中O₂供应段的设计提供了一个统一的4E选择图谱，明确了在不同场景下哪种ASU配置和热集成水平是最优的，并将这种选择转化为具体的资本成本节约和清洁技术竞争力的可衡量提升。