一种集成太阳能、甲烷发电和冷却技术的碳捕获系统的性能分析与生命周期评估——应用于1000兆瓦超超临界燃煤电厂

《Journal of Cleaner Production》：Performance analysis and life cycle assessment of a carbon capture system integrating solar and methane power generation and cooling in a 1,000 MW ultra-supercritical coal-fired power unit

提出一种集成太阳能辅助锅炉水和甲烷基发电制冷子系统的超超临界燃煤发电-碳捕集系统（USCU-MS-CCS），通过梯级利用废热和减少高品质蒸汽提取，显著提升净发电量至817.82 MW（+74.64 MW），降低煤耗48.2 g/(kW·h)，减少碳排放69.13%。系统综合热力学经济分析和全生命周期评估表明，太阳能辅助和甲烷子系统的协同优化使平准化发电成本降低7.4%，碳捕集成本降低17.14%，同时实现环境效益最大化。

　　

卢生东|杨新乐|布书娟

辽宁工程技术大学机械工程学院，抚顺，123000，中国

摘要

为了促进大规模燃煤发电的清洁和可持续发展，本研究提出了一种新型的集成碳捕获系统，该系统结合了太阳能辅助的给水加热系统以及基于甲烷的发电和制冷子系统，应用于一个1000兆瓦的超超临界燃煤机组，简称USCU-MS-CCS。该配置旨在通过提高低品位废热的多级利用效率并减少高品质蒸汽的抽取量，来减轻燃烧后碳捕获的高能量损耗。通过对参考USCU、传统USCU-CCS和提出的USCU-MS-CCS系统进行全面的熱经济分析和从摇篮到坟墓的生命周期评估（LCA），评估了这些系统的性能。与USCU-CCS配置相比，USCU-MS-CCS的净发电量增加了74.64兆瓦，发电效率提高了3.60%，煤炭消耗量减少了48.2克/千瓦时。由于有效的废热回收和太阳能辅助集成，平准化电力成本（LCOE）和二氧化碳去除成本（COR）分别降低了7.4%和17.14%。生命周期分析表明，碳捕获能够显著减轻气候影响，相对于参考系统，USCU-CCS的全球变暖潜力（GWP）降低了66.97%，USCU-MS-CCS降低了69.13%。参数化和敏感性分析进一步揭示了主蒸汽压力、甲烷运行条件、二氧化碳捕获率、运行寿命和太阳辐照度对系统性能和环境影响的作用。总体而言，USCU-MS-CCS为在严格的碳减排目标下减少燃煤发电的能源损失、燃料消耗和碳排放提供了一条可行且可扩展的途径。

引言

由于煤炭的价格实惠和高热值，它继续作为全球能源结构的主要支柱（吴等人，2024年）。在发电领域，燃煤技术能够提供可靠且连续的电力，有助于缓解风能和太阳能等可再生能源的间歇性和波动性（裴等人，2025年）。同时，氢能和核能的大规模部署受到基础设施可用性、安全法规、高投资成本和长建设周期等因素的限制（马等人，2024年；Buongiorno等人，2019年）。因此，在可预见的未来，燃煤机组仍然是确保电网稳定和峰值负荷调节不可或缺的组成部分（Petrunin等人，2020年）。然而，燃煤发电产生的排放物已经造成了严重的环境挑战，并被广泛认为是全球碳排放的主要来源之一（张等人，2024年）。为应对气候变化，中国于2020年提出了“双碳”战略目标，这加速了新一代燃煤设施的发展，包括超临界和超超临界系统。这些现代发电厂配备了先进的排放控制技术，显著减少了温室气体排放（王等人，2024年；Yousuf等人，2025年）。

碳捕获和储存（CCS）已成为支持全球脱碳和减少大型固定源二氧化碳排放的关键技术途径（Bose等人，2024年）。这种方法作为向低碳能源系统过渡的短期解决方案受到了广泛关注。一般来说，CCS过程分为三类：燃烧前（Mu等人，2025年）、燃烧中（Chu等人，2024年）和燃烧后捕获（PCC）（吴等人，2024年）。其中，PCC被认为是技术上最成熟且经济上最可行的选择，可以在不对现有燃煤设施进行大规模结构改造的情况下直接进行改造（Raganati和Ammendola，2024年）。特别是，化学吸收技术展示了高效率和运行灵活性，使其非常适合用于燃煤发电系统中的大规模二氧化碳分离。叶等人（2019年）研究了新建和改造发电厂场景下的CCS系统成本，发现新电厂的碳捕获成本比改造电厂便宜12-35元人民币/吨，烟气中的硫含量是影响总体成本的关键因素。吴等人（2022年）提出了一种新的联合发电集成方案，实现了提取蒸汽的高效利用，从而将熵损失减少了40.27兆瓦·熵，并增加了64.18%的热量供应。范等人（2023年）对现有的煤-生物质联合发电厂进行了CCS（CBECCS）改造，结果表明，到2025年过渡到CBECCS可以提供0.97吉吨二氧化碳/年的碳封存潜力。

将PCC技术与燃煤发电系统有机结合可以显著减少二氧化碳排放。然而，PCC所需的大量能源消耗仍然对其大规模部署构成了主要挑战。这一挑战主要归因于二氧化碳吸收过程中溶剂再生所需的大量热能。因此，一些研究人员提出了引入辅助系统来抵消二氧化碳分离所需的能量。宋等人（2025年）提出了一种耦合系统，该系统利用太阳能辅助甲烷重整系统出口处的热能，并采用压缩热进行碳捕获。结果表明，耦合系统可以将电能转换效率和总体能源效率分别提高150.49%和7.25%。马等人（2023年）提出了三种太阳能辅助碳捕获系统的技术路线。与传统的蒸汽抽取加热单元相比，集成太阳能热收集系统可以将煤炭消耗量减少2.5克/千瓦时，并将热效率提高0.9%。赵等人（2014年）提出将太阳能驱动的有机朗肯循环（ORC）系统与碳捕获系统集成到发电厂中，以避免与传统蒸汽抽取相关的能量损失，从而实现更低的能源成本。苏等人（2022年）开发了一种结合甲烷蒸汽重整制氢和碳捕获的系统，结果表明干重整吸收了更多的热量。这项技术在能源系统开发中显示出强大的应用潜力，特别是在热电联产（CHP）和冷热电联产（CCHP）系统中。Kev等人（2023年）比较了有无太阳能辅助PCC技术的燃煤发电厂的碳捕获性能。他们发现，太阳能辅助PCC系统在单位发电量的全球变暖潜力（GWP）最低，二氧化碳排放减少最多。

先前的研究已经结合了太阳能和废热回收来提高CCS的性能。然而，系统的功能仍然主要局限于发电和碳减排，而在深度多能源耦合下的能量级联利用尚未得到充分探索。特别是，能够协调发电、制冷和加热并以碳减排为核心目标的综合CCHP框架很少有报道。在这项研究中，选择了一个1000兆瓦的超超临界燃煤机组（USCU）作为参考系统，并提出了一种新型的燃煤碳捕获和储存集成系统（USCU-MS-CCS）。在传统的超超临界燃煤CCS集成系统（USCU-CCS）的基础上，该配置引入了基于甲烷的发电和制冷子系统以及太阳能辅助的给水加热子系统。根据宋等人（2025年）的研究，甲烷在压缩到超临界状态后可以有效地吸收低品位废热。在USCU-MS-CCS系统中，烟气废热被用来预热甲烷到吸收器的最佳入口温度，而其剩余压力进一步被用于发电和制冷。太阳能辅助的给水加热子系统利用太阳能集热器为溶剂再生和二氧化碳解吸提供稳定的热源，从而显著减少了系统内的能量损失和煤炭消耗。根据先前的研究，基于甲烷的发电和制冷技术（Pashchenko，2023年）以及太阳能辅助的加热技术（董等人，2022年）已经达到了相对成熟的阶段。因此，在短期内，对现有系统进行改造比大规模部署氢能或建设新的核电站更具技术可行性。

另一方面，生命周期评估（LCA）作为一种成熟的环境评估工具，有助于量化系统整个生命周期内的生态影响。因此，越来越多的研究兴趣集中在将LCA应用于结合CCS技术的燃煤发电上。陶和Brander（2024年）对结合CCS的燃煤发电进行了详细的LCA分析，表明基于单乙醇胺（MEA）的二氧化碳捕获可以显著减少总排放量，碳足迹减少了93.57%。郑等人（2025年）研究了一种结合天然气联合循环（NGCC）单元的钙循环基CCS系统，通过LCA显示，NH3燃料的CaL过程比氧化燃料和太阳能辅助的替代方案具有更高的环境负担。王等人（2024年）评估了一种高效生物质基发电系统的生命周期碳足迹。该研究强调了显著的环境优势，报告的总升温影响值仅为97.69千克二氧化碳当量/兆瓦时。目前，基于常见参考电厂的集成系统的环境评估研究仍然有限。更重要的是，现有研究很少在统一的LCA框架内考察CCS集成燃煤发电厂的能源损耗机制、环境权衡和系统可持续性。因此，本研究采用了从摇篮到坟墓的LCA框架来评估和比较USCU-MS-CCS系统的环境性能。分析不仅考虑了独立配置，还考虑了与煤炭开采和化学品生产相关的上下游过程。这种方法有助于深入理解组件级别的环境机制，从而支持对USCU-MS-CCS可持续性的全面评估。

系统构建

系统设计

在分析中，选择了中国中部的一个1000兆瓦USCU作为参考单元。该单元配备了一个单再热锅炉、一个冷凝式蒸汽轮机和一个再生加热系统。再生加热系统包括三个高压加热器、五个低压加热器、一个除氧器和一个给水预热器。主蒸汽压力为28兆帕，主蒸汽温度为600摄氏度，再热蒸汽温度为620摄氏度。

热力学性能评估模型

煤炭消耗率、热消耗率和发电效率是评估热力学系统的关键参数，因为它们能够评估发电系统的能源消耗和节能潜力。在这些参数中，标准煤炭消耗率反映了基于煤炭的发电单元的能源利用效率（杨等人，2010年），其表达式如下：