这是一座改进型燃煤电厂，集成碳捕集工艺，结合卡诺SSB蓄电池和溶剂储存，实现废热升级和灵活运行

2026-07-21 20:25:30

二氧化碳捕获和峰值削减是传统燃煤电厂（CFPP）面临的两大挑战。集成储能系统可以显著提升CFPP的峰值削减能力，并减轻碳捕捉过程中带来的运营成本。本研究提出了一种新型峰值削减方案，将卡诺电池（CB）系统和溶剂储存系统结合到配备燃烧后碳捕获（CFPP-PCC）的燃煤电厂中。建立了一个全面的热经济模型以评估所提系统。结果显示，通过回收和升级再沸器蒸汽抽取产生的废热，CB实现了82.47%的高等效往返效率。固定90%的CO时₂可调负载范围从301.7-563.5兆瓦扩展到96.8-623.4兆瓦，宽度是传统CFPP-PCC系统的2.01倍。经济分析显示，净现值和动态回本期分别为2.2617亿美元和1.72年。本研究为提升CFPP-PCC单元的运营灵活性提供了宝贵见解。

简介

电力系统正向以可再生能源为主导的新范式转型。然而，风能和太阳能等可再生能源的间歇性和波动性对电网稳定性构成了重大挑战[1]。随着他们在电网中的份额增加，对灵活监管的需求也随之增加[2]。燃煤电厂（CFPPs）凭借其巨大的基载能力和固有的灵活性潜力，将继续是未来高可再生渗透率电力系统的重要组成部分[3]。尽管如此，实质性的指挥官₂CFPPs的排放加剧了温室效应，凸显了推动碳捕集与封存（CCS）技术的紧迫性[4]。
在多种CCS技术中，基于单乙醇胺（MEA）的燃烧后碳捕获（PCC）因其高捕获效率，仍是最成熟且应用最广泛的方案[5]。然而，常见的策略是利用从低压涡轮机抽取的蒸汽为再沸器供热。蒸汽通常温度高于所需的130°C。为防止MEA溶剂降解[6]，提取的蒸汽必须在进入再沸器前冷却。冷却过程中释放的敏感热目前在传统系统中被作为废热排放，导致显著的能量损失。因此，研究人员通过废热回收技术提升单位效率进行了研究。Wu等人[7]在CFPP-PCC中应用了背压供热轮机和背压碳捕获轮机，分别匹配加热和碳捕获时提取蒸汽的过热程度。同样，Xu等人[8]使用了辅助蒸汽轮机以匹配再沸器参数（0.27兆帕，130°C），并结合工艺回热和改良锅炉换热器，使总能效相比参考系统提升了3.86%。
与此同时，用于碳捕捉的蒸汽抽取对发电装置的操作灵活性构成了关键限制。在高负荷条件下，增加蒸汽开采以捕集碳会减少发电量。在低负荷运行期间，为确保蒸汽轮机安全运行，必须保持进入低压涡轮的特定最低蒸汽流量要求。然而，在高碳捕获率（CCR）向低压涡轮的蒸汽流量会显著减少。这导致发电能力与碳捕获需求之间存在不匹配，阻碍了负荷减轻。Dai 等人[9]观察到，随着CCR从70%增加到90%，可行载荷范围逐渐缩小。刘等人[10]提出了一种太阳能辅助和低压气瓶近零输出（LP-ZO）方案，以削弱电力-碳耦合的约束，将输出范围从311-439兆瓦扩展到92.97-560.89兆瓦。此外，将溶剂储存技术与碳捕获结合被认为是提升峰值削减灵活性和系统经济性的可行途径[11]。Qiu等人[12]指出，溶剂储存在可变能量价格下比部分捕获更具成本效益，并且在严格监管下保持稳定的捕获水平。随后，该团队[13]制定了利用溶剂储存以最大化净运营利润的最优调度策略。与此同时，Cheng等人[14]证明了溶剂储存系统可以在用电高峰期减少能量损失，从而提高净功率输出。基于此，Dai等人[9]提出了一种结合LP-ZO技术与贫富溶剂储藏的运营策略，在90%CCR下将操作负载范围扩大1.7倍。此外，Chen 等人[15]提出将熔盐热储存系统（MSHSS）集成到碳捕集燃煤电厂中，以提升其灵活性。与参考系统相比，可调负载范围从335.05兆瓦扩大到355.43兆瓦，增加了1.06倍。虽然热能储存可以通过负载转移将发电与碳捕获脱钩，但其扩大设备运行范围的能力仍然有限。
近年来，卡诺电池（CBs），也称为抽水热能储存（PTES），作为一种新型储能技术，提供了有前景的解决方案，能够以热激励的形式储存电力。充电过程中，通过热泵或电加热器等电加热系统，在高温（HT）和低温（LT）储液箱之间建立温差。产生的热能储存在热能储存装置中。在放电过程中，热机（如动力循环）由储存的热能供给并产生电力[16,17]。通常，HT储层是热储存系统，而LT储层则可能是环境或冷藏系统。卡诺电池主要应用于两个方面：（1）回收低品位废热以提升能源储存效率。Scharrer 等人[18]利用地热能作为卡诺电池的热源，在85°C热源下实现了60∼70%的往返效率。 张等人[19]将卡诺电池与低等级废热集成，实现了65.5%的往返效率;以及（2）有效扩展CFPP的运行负载范围。Zhang等[20]集成了由抽取涡轮蒸汽驱动的卡诺电池，在不同设计条件下将最低负载降低了4.50%∼7.57%，显著提升了机组的深峰削减能力。
在此背景下，本研究提出了一种创新的碳捕集燃煤电力系统设计，结合卡诺电池和溶剂储能系统。基于LP-ZO技术，卡诺电池高效回收并提升提取蒸汽的显热为高温熔盐热能。同时，通过协调溶剂储存和熔盐热储存系统，该集成系统实现了吸收、脱附和发电过程的解耦，显著扩大了高CCR下的负载调节范围。开发并验证了一个全面的热经济模型，以确定系统集成配置和关键设计参数。随后，所提系统从四个维度进行定量分析：能源效率、体能效率、运营灵活性和经济性能。最后，利用灵敏度分析研究关键参数（包括压缩机等熵效率、再沸器温度和溶剂储存流量）对系统性能的影响。研究结果为提升此类耦合系统的设计和运行提供了有用见解。