一種煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計及評價

侯起旺，文兆倫，張忠林，劉葉剛，2，楊景軒，陳東良，2，郝曉剛，官國清

（1太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西太原 030024； 2上海電氣集團(tuán)國控環(huán)球工程有限公司，山西太原 030001；3日本弘前大學(xué)地域戰(zhàn)略研究所，青森 030-0813，日本）

引 言

應(yīng)對全球性氣候變化，我國提出了2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)，可再生能源發(fā)展是必然趨勢。但受當(dāng)前技術(shù)水平、能源需求總量及資源狀況所限，中國近90%的溫室氣體排放源自能源體系，碳基能源利用碳排放和伴生的污染問題是可持續(xù)發(fā)展的重要難題。實現(xiàn)碳中和要求能源體系快速而深度轉(zhuǎn)型，這將有賴于推廣可再生能源和提高能效、減少煤炭使用[1]。但短期內(nèi)煤基資源仍然難以被取代，因此需要立足國情、控制總量、兜住底線，積極有序減量替代，推動煤炭清潔高效利用至關(guān)重要。我國低階煤儲量巨大，而不同于其他煤種，將其燃料與原料功能并重、以熱解為基礎(chǔ)的煤分級分質(zhì)利用和煤基多聯(lián)產(chǎn)是相當(dāng)時期內(nèi)實現(xiàn)低階煤清潔高效利用的有效途徑。

典型的煤分級分質(zhì)利用方式有雙塔式循環(huán)流化床和三塔式循環(huán)流化床工藝。雙塔式循環(huán)流化床技術(shù)包括熱解-氣化、熱解-燃燒、氣化-燃燒等組合方式[2-4]。Tsutsumi 等[5]提出三床耦合的高密度三塔式循環(huán)流化床(TBCFB)煤熱解氣化燃燒技術(shù)，優(yōu)化和改進(jìn)了半焦利用方式；Tsutsumi 等[6]還研究了TBCFB 提升管二次風(fēng)對固體質(zhì)量通量和固含率的影響；郝曉剛等[7]以半焦為載熱顆粒，減少了載體循環(huán)量，促進(jìn)了熱解氣化反應(yīng)；王亞雄等[8]對TBCFB 進(jìn)行模擬，獲得系統(tǒng)適宜的操作條件；陳東良等[9]基于自熱再生理論對化學(xué)吸收法捕集TBCFB 燃燒煙氣中CO2的流程進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高了節(jié)能水平。另外，低階煤直接燃燒發(fā)電能效低，而以低階煤為原料生產(chǎn)化工產(chǎn)品也容易受到其他工藝路線波動的影響。煤基多聯(lián)產(chǎn)將動力系統(tǒng)和化工系統(tǒng)進(jìn)行耦合，有利于降低碳排放，提高系統(tǒng)能量利用率和生產(chǎn)效益，減少環(huán)境污染[10]。

多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層面可分為簡單并聯(lián)型、綜合并聯(lián)型、簡單串聯(lián)型、綜合串聯(lián)型和串并聯(lián)綜合型[11]，串并聯(lián)綜合型較好結(jié)合了并聯(lián)的穩(wěn)定性和串聯(lián)節(jié)能效果好的優(yōu)勢，便于更好實現(xiàn)煤炭資源的綜合梯級利用。而將煤分級分質(zhì)利用與多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相結(jié)合的煤分級利用多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)煤炭資源利用的多目標(biāo)優(yōu)化和高效低污染利用[12-13]，也有利于提高煤炭利用系統(tǒng)的靈活性，有助于我國碳減排和碳中和目標(biāo)實現(xiàn)。

本文將TBCFB 應(yīng)用于串并聯(lián)綜合型多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，提出一種基于碳循環(huán)的煤基化工動力多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，利用Aspen Plus 對該系統(tǒng)進(jìn)行模擬，以新疆淖毛湖煤為例，分析系統(tǒng)的物料平衡、能量平衡和?平衡，并對以熱解煤氣為熱解氣氛的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與以氮氣為熱解氣氛的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行能效評價，將煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)與單產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行相對節(jié)能率及碳排放計算，探尋更加高效、清潔的煤炭利用途徑。

1 煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計與集成

以TBCFB 為氣頭的一種基于碳循環(huán)的煤基化工動力多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，如圖1 所示。該系統(tǒng)包括氣體島、動力島和化工島三部分。氣體島包括熱解、氣化、燃燒和空分四部分；化工島包括凈化、合成和精餾單元，通過調(diào)整氣化單元工藝條件，將凈化單元的出口合成氣氫碳比調(diào)整為2.05～2.15[14]，省去了一氧化碳變換單元；動力島包括二氧化碳捕集和動力發(fā)電單元。煤經(jīng)過熱解產(chǎn)生熱解氣、焦油、半焦，部分熱解氣返回?zé)峤馄髯鳛闊峤鈿夥眨徊糠炙屯鶆恿u燃燒發(fā)電。半焦經(jīng)過水蒸氣氣化產(chǎn)生合成氣，合成氣被送往化工島凈化生產(chǎn)甲醇，未反應(yīng)的合成氣一部分送往動力島燃燒發(fā)電，一部分用作循環(huán)氣返回合成單元。氣體島通過富氧燃燒產(chǎn)生的煙氣中二氧化碳濃度達(dá)95%以上，煙氣直接送往動力單元用作燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電工質(zhì)，節(jié)省了氮氣的消耗，同時可以降低高溫形成的氮氧化物對設(shè)備的損傷[15]，動力單元的尾氣送往二氧化碳捕集單元進(jìn)行二氧化碳純化和壓縮。

圖1 煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)過程圖Fig.1 Process diagram of coal-based polygeneration system with carbon cycle

煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)利用TBCFB 技術(shù)，通過熱解、氣化、燃燒的耦合將煤中組分在源頭定向高質(zhì)轉(zhuǎn)化，并且通過調(diào)整合成氣氫碳比，充分利用合成氣中有效成分，將部分未反應(yīng)合成氣、熱解煤氣送往動力單元燃燒發(fā)電，實現(xiàn)了多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的組分對口、高質(zhì)化轉(zhuǎn)化，將化工生產(chǎn)單元副產(chǎn)熱能與動力單元相耦合，實現(xiàn)了多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的溫度對口、梯級利用。

2 煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)模擬

2.1 煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模擬

本文以低階煤特征明顯的新疆淖毛湖煤(NMH)為研究對象，NMH 的工業(yè)分析和元素分析如表1所示。

表1 NMH工業(yè)分析和元素分析［16］Table 1 Proximate and ultimate analyses of coal NMH［16］

利用Aspen Plus 對年處理30 萬噸煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，年運行時間為8000 h，煤進(jìn)料量為37500 kg/h。碳循環(huán)煤基多聯(lián)產(chǎn)工藝主要包括如下七個部分：熱解氣化燃燒單元、空分單元、凈化單元、合成單元、精餾單元、動力單元和CO2捕集單元。系統(tǒng)流程如圖2 所示，下面對系統(tǒng)重要單元的模擬進(jìn)行介紹。

圖2 煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)工藝流程Fig.2 Process flowsheet of carbon cycled coal-based polygeneration system

2.1.1 熱解氣化燃燒單元模擬 王亞雄等[8]已對TBCFB 模型做了優(yōu)化。由于煤中成分復(fù)雜，因此先通過收率反應(yīng)器根據(jù)煤中元素組成分解成各種單質(zhì)，再通過淖毛湖煤在600℃下行床熱解實驗中[17-18]得到的熱解產(chǎn)物組成，利用化學(xué)計量反應(yīng)器將單質(zhì)合成熱解產(chǎn)物。利用平衡反應(yīng)器模擬半焦水蒸氣氣化過程，通過調(diào)整水蒸氣進(jìn)料量，使氣化產(chǎn)物中氫碳比達(dá)到1.6～1.8，從而省去變換單元，通過凈化就可使合成氣氫碳比達(dá)到2.05～2.15。未氣化的半焦進(jìn)入提升管進(jìn)行燃燒，通過平衡反應(yīng)器模擬燃燒過程。建模過程中，由于煤是非常規(guī)固體，因此煤的焓計算采用Aspen 物性數(shù)據(jù)庫中的HCOALGEN 模型，密度采用DCOALIGT 模型計算[19]。整個單元采用半焦作為載熱顆粒實現(xiàn)單元內(nèi)能量循環(huán)。

2.1.2 動力單元模擬 動力單元包括燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)三部分。本單元利用平衡反應(yīng)器對燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室進(jìn)行模擬，其中燃?xì)廨啓C(jī)燃料氣來源于部分熱解煤氣和部分未反應(yīng)合成氣。壓縮氧氣一部分為燃燒室提供所需氣體，一部分對進(jìn)燃?xì)馔钙降臒煔膺M(jìn)行冷卻，燃?xì)馔钙讲捎脡嚎s機(jī)模塊進(jìn)行模擬。由于燃?xì)馔钙脚艢鉁囟龋?93℃，因此余熱鍋爐選用三壓再熱式蒸汽循環(huán)[20]，蒸汽透平采用壓縮機(jī)模塊進(jìn)行模擬。兩種熱解氣氛燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)參數(shù)如表2所示。

表2 燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)參數(shù)Table 2 Parameters of the gas turbine and steam turbine

2.1.3 凈化單元、甲醇合成與精餾單元模擬 凈化單元采用一步法低溫甲醇洗流程[21]，利用低溫(-50～-60℃)甲醇在吸收塔中吸收氣化氣中的H2S 和部分CO2，利用CO2解吸塔、H2S 濃縮塔和脫水塔脫除甲醇中的CO2、H2S 和水，凈化后的合成氣送往合成單元生產(chǎn)甲醇。甲醇合成單元采用低壓法合成甲醇[22]，合成壓力為5.0 MPa，合成溫度為250℃，采用銅基催化劑進(jìn)行甲醇合成。精餾單元采用三塔雙效精餾法[23]，精餾單元所需熱量由合成反應(yīng)副產(chǎn)蒸汽提供。

2.1.4 空分單元和二氧化碳捕集單元 空分單元采用深冷雙塔空分工藝[24]，二氧化碳捕集單元[25]將動力單元產(chǎn)生的煙氣冷卻至35℃除去煙氣中的部分水蒸氣，而后送入初級壓縮，壓縮至1.5 MPa 后再將煙氣冷卻至常溫，送入閃蒸器除去煙氣中的大部分水蒸氣，再將煙氣壓縮至3.0 MPa。煙氣經(jīng)過兩組冷卻、閃蒸過程，二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)95%以上。

2.2 系統(tǒng)能量衡算方法

系統(tǒng)中每股物流的總能量定義為物理能、化學(xué)能、動能、勢能之和，如式（1）所示：

通常動能和勢能的值很小，因此可以忽略，式(1)被簡化為：

物流的物理能如式(3)所示：

氣體的比焓如式(4)所示：

物質(zhì)的高位熱值和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的比焓通過查表得到[26]。

Cp是氣體比定壓熱容，如式(5)所示：

式中，a，b，c，d是比定壓熱容系數(shù)[27]。

物流的化學(xué)能通過低位熱值計算得到：

通常情況下，煤所具有的能量等于其所具有的化學(xué)能[28]：

2.3 系統(tǒng)?分析

?分析采用龜山-吉田模型[29]作為計算基準(zhǔn)：環(huán)境 溫 度T0為298.15 K，環(huán) 境 壓 力P0為1.01325×105Pa。系統(tǒng)總?為物流?、功源?、熱量?和冷量?之和。

系統(tǒng)中每股物流的物流?定義為物理?、化學(xué)?、動能?和勢能?之和[30]：

通常動能?和勢能?的值很小，因此可以忽略，式(8)被簡化為[31]：

物流的物理?為[32]：

物流的化學(xué)?為[33]：

系統(tǒng)中功源?與系統(tǒng)輸出功相等，即Ex=W。

系統(tǒng)中熱量?和冷量?[34]為：

系統(tǒng)中非常規(guī)組分煤的化學(xué)?[35]為：

2.4 煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能評價方法

采用系統(tǒng)能量利用率βEn、系統(tǒng)?效率βEx和相對能量節(jié)約率ESR來評價系統(tǒng)性能。

式中，Eele是系統(tǒng)輸出凈功率；Etar是系統(tǒng)產(chǎn)生焦油的能量；Ema是系統(tǒng)產(chǎn)生甲醇的能量；Ein是系統(tǒng)輸入的總能量。

系統(tǒng)輸出凈功率=系統(tǒng)輸出總功率-系統(tǒng)輸入功率

Etar=焦油低位熱值[36]（kJ/kg）×焦油的流量（kg/s）

Ema=甲醇低位熱值[37]（kJ/kg）×甲醇的流量（kg/s）

Ein=煤低位熱值（kJ/kg）×煤的流量（kg/s）

系統(tǒng)?效率為：

相對能量節(jié)約率定義為：在聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和參照的分產(chǎn)系統(tǒng)輸出相同的產(chǎn)品條件下，兩者總能耗之差的相對比值[38]。

式中，EF、EL分別是單產(chǎn)過程和聯(lián)產(chǎn)過程消耗的原料熱值；EFi、ηi分別是產(chǎn)品i的熱值和單產(chǎn)過程的熱效率。

3 結(jié)果與討論

3.1 煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)影響因素分析

3.1.1 循環(huán)比對系統(tǒng)能量利用率的影響 為了優(yōu)化多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的操作條件，對合成單元循環(huán)比[39]進(jìn)行分析。煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)比對系統(tǒng)的影響如圖3 所示。隨著循環(huán)比的增加，粗甲醇產(chǎn)量增加帶來精餾單元能耗增加，循環(huán)氣壓縮機(jī)壓縮氣體的功耗增大，未反應(yīng)合成氣去往動力燃燒單元的氣量逐漸減少，因此動力單元發(fā)電量減小，隨之發(fā)電量與循環(huán)壓縮機(jī)功耗、精餾單元能耗之差減少，但甲醇產(chǎn)量不斷升高，由甲醇產(chǎn)量升高而增加的能量大于動力單元發(fā)電量與循環(huán)壓縮機(jī)功耗、精餾單元能耗之差的減少量，因此系統(tǒng)的能量利用率增加。當(dāng)循環(huán)比超過0.8 時，發(fā)電量與循環(huán)壓縮機(jī)功耗、精餾單元能耗之差的減少幅度變大。當(dāng)循環(huán)比超過1.05 時，由動力單元發(fā)電量與循環(huán)壓縮機(jī)功耗之差的減少量大于甲醇產(chǎn)量升高所增加的能量，所以系統(tǒng)能量利用率開始減小。當(dāng)循環(huán)比為1.05 時，系統(tǒng)能量利用率最高，因此，選擇煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)合成單元循環(huán)比為1.05。

圖3 碳循環(huán)多聯(lián)產(chǎn)循環(huán)比對系統(tǒng)能量利用率的影響A—發(fā)電量與循環(huán)壓縮機(jī)功耗、精餾能耗之差;B—系統(tǒng)能量利用率;C—甲醇能量Fig.3 Effects of carbon cycle ratio on system energy utilization in the carbon-cycled polygeneration systemA—the difference between power generation and power consumption of the circulating compressor and energy consumption of distillation;B—system energy utilization efficiency;C—methanol energy

3.1.2 煙氣注入量對動力單元的影響 煙氣注入量會影響動力單元尾氣NOx排放量和發(fā)電量。其中，煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)煙氣注入量對動力單元的影響如圖4 所示。煙氣在燃燒室中受熱膨脹，隨著煙氣注入量的增加，燃燒室出口溫度降低，燃?xì)馊紵a(chǎn)生的NOx減少。但由于煙氣中含有少量的NOx，隨著煙氣注入量的增加，燃燒室出口氣體中NOx排放量增加。隨著煙氣注入量的增加，動力單元發(fā)電量增加，但氮氧化物排放限值為25 mg/(m3煙氣)[40]，從圖中看出當(dāng)煙氣注入量為30000 kg/h 時，NOx排放量為25 mg/(m3煙氣)，燃燒室出口溫度為1032℃，符合燃?xì)廨啓C(jī)材料耐溫溫度，因此選擇CO2回注量為30000 kg/h。

圖4 碳循環(huán)多聯(lián)產(chǎn)煙氣回注量對動力單元的影響A—NOx排放量;B—動力單元輸出電量;C—燃燒室出口溫度Fig.4 Effects of flue gas reinjection on power unit in the carbon-cycled polygeneration systemA—NOx emission;B—power unit output power;C—combustion chamber outlet temperature

3.2 煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)物料流、能量流和?流

利用桑基圖表示碳循環(huán)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的物料、能量和?衡算結(jié)果，并且箭頭表示流動的方向，線條寬度表示數(shù)據(jù)的大小。對循環(huán)比為1.05、煙氣回注量為30000 kg/h 的煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，動力單元采用煙氣回注方式。

3.2.1 物料平衡 煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)的物料衡算桑基圖如圖5所示。煤的進(jìn)料量為37500 kg/h，通過熱解生成了4098.08 kg/h 的焦油，同時生成了11895.2 kg/h 的熱解氣。未熱解的半焦通過氣化生成18321.4 kg/h 的合成氣，粗合成氣經(jīng)過凈化得到13188.9 kg/h的合成氣。通過合成單元生成14301.7 kg/h的粗甲醇，并且有13658.3 kg/h 的未反應(yīng)合成氣進(jìn)行循環(huán)，粗甲醇通過精餾生成11455.61 kg/h 的精甲醇。剩余的99.1 kg/h 未反應(yīng)合成氣送往燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行發(fā)電。

圖5 煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)物料衡算（kg/h）Fig.5 Material balance of carbon cycled coal-based polygeneration system(kg/h)

多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)中主要物流的詳細(xì)模擬數(shù)據(jù)如表3 所示，物流編號對應(yīng)圖2 中的物流號，物流中微量組成忽略。

表3 多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)主要物流模擬數(shù)據(jù)Table 3 Simulation results of main streams of polygeneration carbon cycle system

3.2.2 能量平衡 煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)的能量衡算桑基圖如圖6 所示。從圖中看出，煤輸入244.27 MW 的能量，可以產(chǎn)生15.12 MW 的電量，并且聯(lián)產(chǎn)63.32 MW 的甲醇和35.57 MW 的焦油。熱解過程需要循環(huán)半焦提供67.76 MW的能量，氣化過程需要循環(huán)半焦提供15.44 MW 的能量。系統(tǒng)中燃燒單元的熱損失最大，空分需要輸入熱量5.88 MW，而碳捕集、精餾和合成均輸出熱量。從圖中可以看出煤中能量的走向，其中32.1%的能量在燃燒過程中損失，甲醇占了煤中能量的25.9%，而焦油占了煤中能量的15.4%，6.2%的能量轉(zhuǎn)化為電能，其余能量以各種形式散發(fā)到環(huán)境中。

圖6 煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)能量衡算（MW）Fig.6 Energy balance of carbon cycled coal-based polygeneration system(MW)

3.2.3 ?平衡 煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)的?衡算桑基圖如圖7所示。從圖中可以看出，煤輸入313.61 MW的?量，氣化單元?損失占總?損失的83.2%，這主要是由于半焦燃燒化學(xué)反應(yīng)程度較高，導(dǎo)致?效率較低，造成了較大的?損失。氣化單元的?效率為50.15%，凈化單元的?效率為91.52%，精餾單元的?效率為97.37%，合成單元的?效率為94.51%，碳捕集單元的?效率為71.75%，動力單元的?效率為69.45%，空分單元的?效率為64.52%。氣化單元為系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)，需要進(jìn)一步提高氣化單元的?效率。

圖7 煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)?衡算（MW）Fig.7 Exergy balance of carbon cycled coal-based polygeneration system(MW)

3.3 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能比較

統(tǒng)一以煤進(jìn)料量37500 kg/h 為基準(zhǔn)，對傳統(tǒng)煤基多聯(lián)產(chǎn)和煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行性能評價，系統(tǒng)能量利用率和?效率作為評價指標(biāo)，如表4 所示。傳統(tǒng)煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)使用氮氣作為熱解氣氛，產(chǎn)生的焦油量減少，半焦大部分通過氣化產(chǎn)生合成氣，因此合成甲醇量增加；以熱解氣作為熱解氣氛的煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生甲醇能量減少，產(chǎn)生焦油能量增加，實現(xiàn)了煤向更高能量品位化學(xué)能的轉(zhuǎn)變。煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)能量利用率提高1.8%，?效率提高1%，實現(xiàn)了煤的高質(zhì)化轉(zhuǎn)化，通過將煤轉(zhuǎn)化為更高品位能量的化學(xué)能降低了系統(tǒng)?損，提高了?效率。

表4 兩種多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能對比分析Table 4 Comparative analysis of two kinds of polygeneration systems

煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)與單產(chǎn)系統(tǒng)性能對比如表5 所示。在聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)輸出相同規(guī)模產(chǎn)品情況下，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)消耗的原料煤為37.5 t/h，單產(chǎn)電力、甲醇和焦油煤消耗分別為11.89、24.37 和6.83 t/h[41]。根據(jù)式（17），聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的相對能量節(jié)約率為13%，對于年處理30 萬噸煤的系統(tǒng)，折合減少二氧化碳排放量[42]14.9 萬噸/年。

表5 聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與單產(chǎn)系統(tǒng)性能Table 5 Performance of polygeneration system and reference systems

4 結(jié) 論

本文基于TBCFB 對煤進(jìn)行分級分質(zhì)轉(zhuǎn)化的優(yōu)勢，設(shè)計了一種實現(xiàn)煤的高質(zhì)轉(zhuǎn)化的煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)。對年處理30 萬噸煤的系統(tǒng)進(jìn)行了模擬并分析了合成氣循環(huán)比、煙氣注入量對系統(tǒng)的影響，比較了煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)和傳統(tǒng)煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能，得出以下結(jié)論。

（1）以系統(tǒng)能量利用率最高為目標(biāo)，優(yōu)化后的煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)的合成氣循環(huán)比為1.05，煙氣注入量取30000 kg/h。

（2）利用熱解氣作為熱解氣氛促進(jìn)了煤的高質(zhì)化轉(zhuǎn)化，碳循環(huán)煤基多聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)能量利用率為49.7%，高于傳統(tǒng)煤基多聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)能量利用率。

（3）與甲醇合成單產(chǎn)過程、IGCC 發(fā)電過程和費托合成過程相比，煤基多聯(lián)產(chǎn)碳循環(huán)系統(tǒng)的相對能量節(jié)約率達(dá)13%，對于年處理30 萬噸煤的系統(tǒng)，折合二氧化碳減排14.9萬噸/年。

（4）TBCFB 氣化單元?損失占系統(tǒng)總?損失的83.2%，是系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，需要進(jìn)一步提高氣化單元的?效率，降低?損失。

致謝：感謝山西科化技術(shù)服務(wù)有限公司在本課題研究過程中的經(jīng)費支持。

符 號 說 明

Ex——功源?，kW

Ex,Q——熱量?，kW

Ex,Q′——冷量?，kW

En——總能量，kW

Ench——化學(xué)能，kW

Enep——勢能，kW

Enki——動能，kW

Enph——物理能，kW

Ex——物流?，kW

Exch——化學(xué)?，kW

Exep——勢能?，kW

Exinput——輸入總?，kW

Exki——動能?，kW

Exloss——?損失，kW

Exph——物理?，kW

h——比焓，kJ/kmol

LHV——低位熱值，MJ/kg

[M]——煤中灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

m——組分質(zhì)量流量，kg/h

ni——摩爾流量，kmol/h

Q——加熱量，kW

Q′——冷卻量，kW

s——比熵，kJ/(kmol·K)

W——系統(tǒng)輸出功，kW

[X]——煤中X元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

下角標(biāo)

0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)