《Energy》：Techno-economic analysis of NGCC power plant with monoethanolamine based CO
2 capture process: Exploring operational independent integration alternatives
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MEAC集成NGCC电厂的三种配置研究，通过辅助燃烧器、EGRu和EGRc技术组合优化碳捕获效率， techno-economic分析表明EGRu配置能源损失最小（11.5%），而EGRu+EGRc组合平准化电价71.44美元/MWh和碳捕获成本41.51美元/吨最低，同时保持操作独立性。
B.Basant Kumar Pillai|Benjamin Kanz|Alessio Tafone|Tobias Massier|Harald Klein|Ovi Lian Ding
能研院 @ 南洋理工大学，1 Cleantech Loop，637141，新加坡
摘要
目前，发电厂是全球二氧化碳（CO2）排放的主要来源。尽管基于可再生能源的发电量正在稳步增长，但预计天然气联合循环（NGCC）发电厂在未来仍将在电力生产中发挥重要作用。利用燃烧后碳捕获技术来减少这些发电厂的二氧化碳排放是一个有前景的选择。在各种碳捕获方法中，基于单乙醇胺（monoethanolamine）溶剂的二氧化碳捕获（MEAC）技术是最成熟且应用最广泛的燃烧后碳捕获技术。该技术通过使用单乙醇胺的水溶液化学方式从烟气中吸收二氧化碳。本研究通过不同的组合方式，探讨了三种集成有MEAC技术的NGCC发电厂配置，包括辅助燃烧器、废气再利用（EGRu）和废气再循环（EGRc）技术的应用。辅助燃烧器与EGRu和EGRc技术的结合不仅使整个发电厂能够独立运行，还提高了二氧化碳捕获效率。通过技术经济分析，将这些配置与不采用二氧化碳捕获技术的NGCC发电厂进行了对比。结果表明，在所有MEAC集成发电厂配置中，采用EGRu的配置造成的能源效率损失最低，仅为11.5%。相比之下，同时采用EGRu和EGRc的新配置实现了最低的平准化电力成本（71.44美元/MWhe）和最低的二氧化碳捕获平准化成本（41.51美元/吨CO2）。总体而言，这项研究为在保持运行独立性的同时，将NGCC发电厂与基于胺类的二氧化碳捕获技术相结合提供了有吸引力的方案。
引言
目前，全球能源需求主要由化石燃料满足。由于化石燃料相比可再生能源具有更高的能量密度和更好的调度性，它们在未来仍可能是重要的能源来源。然而，化石燃料是温室气体（主要是二氧化碳（CO2）排放的主要来源，而二氧化碳是全球变暖的罪魁祸首。研究表明，在所有行业中，用于发电的化石燃料占据了最大的温室气体排放份额，约占总二氧化碳排放量的29.4%，如图1A所示[1]。目前，煤炭是主要的燃料能源。不过，图1B的预测显示，从2022年到2050年，天然气发电量预计将从65690亿千瓦时增加到84830亿千瓦时[2]。数据清楚地表明，天然气联合循环（NGCC）发电厂很快将发挥与燃煤发电厂同等重要的作用。因此，人们正在进行大量研究以寻找减少二氧化碳排放的方法。
对该领域已发表的文章进行分析后发现，目前最成熟的减少发电厂二氧化碳排放的碳捕获技术是基于单乙醇胺溶剂的燃烧后二氧化碳捕获（MEAC）[3] [4]。这促使研究人员探索了将MEAC技术与NGCC发电厂结合的不同能源集成方法。本文对文献综述中的观察结果进行了总结，见表1。迄今为止，大量研究集中在利用NGCC发电厂产生的蒸汽部分用于燃烧后二氧化碳捕获系统的溶剂再生过程。例如，Botero等人（2009年[5]）和Qureshi等人（2021年[6]）分别采用了这种方法，提出了改进的集成技术和新的概念，以减小MEAC装置的规模。尽管这种方法支持二氧化碳捕获与发电的结合，但它限制了运行灵活性，并可能需要对现有的NGCC发电厂进行改造以提取部分蒸汽。
除了这种溶剂再生策略外，研究人员还探索了多种其他能源集成策略来提高二氧化碳捕获系统的能源效率。一些研究提出了通过添加额外组件来改进带有MEAC技术的NGCC发电厂的配置。例如，Bao等人（2019年[7]）提出了一种结合有机朗肯循环（ORC）和液化天然气冷能的MEAC集成NGCC发电厂，以提高整个过程的效率。同样，Zeng等人（2024年[8]）提出了一种吸收式热交换器和闪蒸蒸发器系统来降低发电厂的能源损失。然而，这些配置设计要么耦合度很高，要么需要大量的资本投入。这些因素往往降低了运行灵活性，并增加了系统的复杂性，尽管它们可能带来能源效率的提升。
废气再循环（EGRc）技术是大多数文献中提到的另一种提高与NGCC发电厂结合的二氧化碳捕获系统性能的策略。在这种方法中，一部分含有大量氧气的废气被重新引入NGCC发电厂的燃烧过程中。这导致二氧化碳浓度增加，从而提高了二氧化碳捕获的经济效益。根据Diego等人（2017年）的研究，当EGRc比率低于16%（按摩尔计）时，需要对现有的NGCC发电厂进行改造[13]。这一限制强调了需要补充的能源集成策略，以进一步改善二氧化碳捕获系统的性能，同时尽量减少对现有NGCC发电厂的改造。
关于实现运行独立性的研究相对较少，这些研究提出了无需对NGCC发电厂进行改造即可集成MEAC技术的方案。其中比较著名的包括Sip?cz和Assadi（2010年）以及Iijima等人（2014年）提出的配置。Sip?cz和Assadi的配置引入了一个辅助锅炉，为MEAC过程中的溶剂再生提供所需的能量，从而消除了从NGCC发电厂提取部分蒸汽的需求。该配置成功实现了运行自主性[9]。然而，由于使用了低热值的生物质作为辅助锅炉燃料，导致整个发电厂的效率下降。此外，生物质燃烧所需的空气量增加，进而增加了烟气体积，从而提高了二氧化碳捕获系统的能源消耗和资本成本。
Iijima等人（2014年）申请了一种新的配置专利，该配置利用废气再利用（EGRu）技术，将NGCC发电厂的废气部分重新用于辅助锅炉的燃烧，以提供溶剂再生所需的能量[11]。这种技术不仅有助于减少整个系统产生的废气体积，还提高了用于二氧化碳捕获的废气中的二氧化碳浓度。然而，目前尚未对该配置进行全面的技术经济分析，因此其实际可行性和成本效益尚未与依赖从NGCC发电厂提取部分蒸汽的传统配置进行比较。
考虑到表1中总结的这些研究，目前还没有先前的工作将EGRu与EGRc技术结合，以评估其在集成有MEAC的NGCC发电厂中的综合潜力。为填补这一研究空白，本研究提出了一种新的、运行独立的MEAC集成NGCC发电厂配置，该配置同时结合了EGRu和EGRc技术。此外，还对仅使用EGRc技术的MEAC集成NGCC发电厂配置进行了全面的技术经济分析，正如前文所述，这种配置此前缺乏详细评估。这项研究有助于更深入地了解运行独立的MEAC集成NGCC发电厂配置，为开发兼顾效率、运行灵活性和经济可行性的系统提供了支持。
燃烧后MEAC技术概述
燃烧后MEAC技术的典型工艺流程图如图2所示。该系统主要包括两个填充塔、一个吸收器和一个解吸器，以及一组泵和一个回热式换热器。如图2所示，MEA溶剂在吸收塔中通过与二氧化碳形成稳定的化学键来吸收二氧化碳，从而将其与其他气体产物分离。富含二氧化碳的吸收溶剂随后通过泵送至解吸器，在加热过程中二氧化碳被释放出来。
参数分析
在对比评估之前，通过参数分析选择了优化后的Case 2、Case 3和Case 4配置。通过改变MEAC发电厂的吸收塔级数，确定了在最小化能源消耗的同时最具经济效益的运行条件。从该分析中获得的优化参数被用作后续比较评估的基础。参数分析过程的详细描述如下
结论与未来方向
本研究分析了各种运行独立的MEAC集成NGCC发电厂配置与不采用二氧化碳捕获技术的NGCC发电厂的性能。基于MEAC发电厂吸收塔级的参数分析，选择了最优的Case 2、Case 3和Case 4配置。Case 3配置中加入的EGRu技术和Case 4配置中加入的EGRc技术不仅减少了废气排放
CRediT作者贡献声明
Ovi Lian Ding：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理工作。Tobias Massier：撰写 – 审稿与编辑、可视化、项目管理工作。Harald Klein：撰写 – 审稿与编辑、监督、软件开发、资源管理。Benjamin Kanz：撰写 – 审稿与编辑、验证、软件开发、方法论研究。Alessio Tafone：撰写 – 审稿与编辑、方法论研究、数据分析。B. Basant Kumar Pillai：撰写 – 初稿撰写、验证工作。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了新加坡总理办公室下属的国家研究基金会在其研究卓越与技术企业（CREATE）计划的支持。
