生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電體系的合成氣組分與能量分析

鄭妍，姚宣，陳訓(xùn)強

（國能龍源環(huán)保有限公司，北京市 海淀區(qū) 100039）

0 引言

2020 年9 月22 日，我國向國際社會作出碳達峰、碳中和的鄭重承諾[1]。2020 年中央經(jīng)濟工作會議明確將做好碳達峰、碳中和工作列為2020年八項重點任務(wù)之一。目前來看，能源行業(yè)碳達峰、碳中和實施路徑主要包括大力推動能源清潔化發(fā)展，大力推動能源高效化發(fā)展，大力推進能源消費側(cè)電能替代和大力推進自然碳匯和碳捕集。在清潔能源建設(shè)方面，除了加快太陽能基地、風(fēng)電基地和水電基地因地制宜發(fā)展分布式清潔能源和海上風(fēng)電之外，還需要充分重視生物質(zhì)能源。生物質(zhì)能源是目前世界上應(yīng)用最廣泛的可再生能源之一，消費總量僅次于煤炭、石油、天然氣，位居第4 位，它也是唯一可循環(huán)、可再生的炭源。利用農(nóng)作物秸稈及農(nóng)產(chǎn)品加工剩余物、林業(yè)剩余物和能源作物等生物質(zhì)資源，可以直接替代煤炭化石能源，并實現(xiàn)碳零排放。因此碳達峰、碳減排目標實現(xiàn)過程中，在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)方面，充分挖掘生物質(zhì)替代傳統(tǒng)能源是一項關(guān)鍵舉措[2-7]。

Aspen Plus 作為流程模擬軟件，近年來已在各類物料的燃燒、氣化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對目前的研究狀況，利用Aspen Plus 對生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電體系中的氣化過程進行了建模和分析。重點研究分析當(dāng)量比和環(huán)境壓力對合成氣氣體組分的影響，并結(jié)合計算結(jié)果探討了合成氣熱值及能量的變化規(guī)律，并對如何進一步更高效實現(xiàn)耦合發(fā)電進行了研討。

1 生物質(zhì)燃煤耦合發(fā)電技術(shù)

“十四五”期間我國可再生能源、天然氣和核能裝機的持續(xù)增長，以及高碳化石能源利用率的大幅降低，都給燃煤發(fā)電企業(yè)帶來巨大的壓力。2018年6月21日，國家能源局、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改試點項目建設(shè)的通知》(以下簡稱《通知》)，確定了84 個技改項目試點，涉及全國23 個省、自治區(qū)、直轄市。2019年11月，發(fā)改委發(fā)布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄2019》，其中燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電作為新增鼓勵產(chǎn)業(yè)，被列入指導(dǎo)目錄中。然而，隨著生物質(zhì)與燃煤機組耦合發(fā)電項目不再享受國家可再生能源電價附加資金補助，由地方制定出臺相關(guān)政策措施，解決補貼資金問題，限制了耦合項目在“十三五”末期的進一步發(fā)展。但隨著雙碳目標的進一步明確以及地方政府相關(guān)政策的出臺，比如山東省《關(guān)于2020年農(nóng)林生物質(zhì)直燃發(fā)電項目電價精準補貼有關(guān)事項的通知》，生物質(zhì)耦合發(fā)電項目在“十四五”迎來了新的發(fā)展機遇[8-11]。

從20世紀90年代起，歐洲就開始開展生物質(zhì)燃燒技術(shù)研究與應(yīng)用。在歐洲實施過生物質(zhì)與煤炭耦合發(fā)電的燃煤電廠的數(shù)量很多，但只有少數(shù)幾家進行過長期的、高比例的生物質(zhì)耦合發(fā)電，這些發(fā)電廠大多位于荷蘭、丹麥和英國。荷蘭目前已經(jīng)有超過50 個項目，在荷蘭的燃煤發(fā)電廠，耦合10%(質(zhì)量比)的二次燃料已經(jīng)相對成熟。英國是目前世界上采取生物質(zhì)耦合技術(shù)最多的國家。英國共有16 座大型火電廠完成了生物質(zhì)耦合發(fā)電，其中13 座為總?cè)萘砍^1 000 MW 的大型燃煤電廠[12]。

國內(nèi)目前生物質(zhì)耦合發(fā)電項目包括國電長源荊門、華電襄陽、大唐長山等氣化耦合發(fā)電項目以及華電十里泉、國電寶雞等直燃耦合發(fā)電項目。整體來看，國內(nèi)生物質(zhì)耦合實際投運業(yè)績很少，尚未經(jīng)大量實踐檢驗，生物質(zhì)與燃煤機組耦合發(fā)電技術(shù)尚未完全成熟，有些關(guān)鍵設(shè)備的開發(fā)、制造，整體系統(tǒng)運行的安全性、可靠性等各方面需進一步完善[13]。

生物質(zhì)燃煤耦合發(fā)電技術(shù)可以分為直接耦合、間接耦合和并聯(lián)耦合發(fā)電。直接耦合是將生物質(zhì)處理至能夠與原煤混燃的狀態(tài)后直接在爐膛內(nèi)燃燒的技術(shù)，可分為經(jīng)簡單處理后進入機組原磨煤機、經(jīng)專用的制備(粉)系統(tǒng)后進入煤粉燃燒器、經(jīng)專用的制備(粉)系統(tǒng)后進入單獨的燃燒器等3種方式。間接耦合發(fā)電是指生物質(zhì)氣化或熱解后，將所產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物經(jīng)過處理送入燃煤機組。并聯(lián)耦合發(fā)電是指生物質(zhì)采用獨立的燃燒裝置完成燃燒及熱量回收后，將產(chǎn)生的蒸汽并入耦合機組熱力系統(tǒng)發(fā)電。整體來看，3 種技術(shù)路線均有其適應(yīng)的場景。針對生物質(zhì)耦合比例較小的項目可采用直接耦合的方式，投資成本較小。氣化和蒸汽可以實現(xiàn)高比例生物質(zhì)耦合[14]。

近年來，生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電項目因為其在計量方面的優(yōu)勢，已成為生物質(zhì)利用方面的熱點技術(shù)。生物質(zhì)氣化是生物質(zhì)燃料經(jīng)熱化學(xué)反應(yīng)生成生物質(zhì)燃氣的過程(通常采用流化床反應(yīng)器)，反應(yīng)生成的燃氣主要包含一氧化碳、二氧化碳、氫氣和一些烴類有機物。氣化過程中產(chǎn)生可燃氣的比例與反應(yīng)氣氛和氣化環(huán)境(壓力、溫度)關(guān)系，以及如何在發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)更高效率的能量利用急需得到進一步深入研究。但是由于生物質(zhì)種類繁多、成分復(fù)雜、投資過大和運行成本比較高，直接進行具體的實驗研究難度較大，尋找一種較為經(jīng)濟的方法替代或引導(dǎo)實驗具有重要的意義。

2 計算模型

2.1 氣化模型

本文采用Aspen Plus 軟件重點模擬生物質(zhì)氣化過程中產(chǎn)生的合成氣的成分并對其進行分析。實際生物質(zhì)氣化過程是一部分生物質(zhì)發(fā)生燃燒，熱量用于維持后續(xù)的氣化過程，其間伴隨著熱解發(fā)生。因此，利用熱解、燃燒和氣化3 個反應(yīng)模塊構(gòu)建整個氣化過程。氣化模型采用吉布斯自由能方法構(gòu)建。吉布斯反應(yīng)器根據(jù)系統(tǒng)的吉布斯自由能趨于最小值的原則，計算同時到達化學(xué)平衡和相平衡的系統(tǒng)組成和相分布，吉布斯反應(yīng)器是唯一能處理氣液固三相平衡的反應(yīng)器模塊。

圖1 為氣化反應(yīng)過程流程圖。整個計算流程為：生物質(zhì)原料進入熱解模塊(DECOMP)進行分解，產(chǎn)生氣體和固體，其中固體部分與空氣一起進入燃燒反應(yīng)模塊(COMBUST)進行燃燒，氣體部分和燃燒過程產(chǎn)生的產(chǎn)物進入氣化反應(yīng)器(GASIFY)進行氣化；氣化產(chǎn)物通過分離模塊(SEPATATE)進行分離，得到干燥的氣體和水蒸氣，將氣化產(chǎn)生的氣體稱為合成氣，合成氣擁有一定的熱值和溫度，然后被送入耦合機組爐膛進行焚燒發(fā)電。整個反應(yīng)過程的能量流程為：熱解模塊產(chǎn)生熱量進入燃燒反應(yīng)器，之后再進入氣化反應(yīng)器。

圖1 氣化反應(yīng)過程流程圖Fig.1 Gasification reaction process flow chart

為了準確模擬生物質(zhì)燃燒、氣化，并簡化氣化模擬流程，對模擬作如下假設(shè)：氣體與生物質(zhì)在相關(guān)反應(yīng)器內(nèi)均為瞬間完全混合，反應(yīng)穩(wěn)定運行，所有反應(yīng)均達到化學(xué)平衡，反應(yīng)器內(nèi)部分布均勻，不考慮熱量和壓力損失；氣體產(chǎn)物成分僅考 慮H2、N2、O2、S、CO、CO2、CH4、SO2、H2S、NH3、H2O；生物質(zhì)完全轉(zhuǎn)化，不考慮焦油含量，且灰分為惰性組分。

2.2 燃料分析

為了研究不同環(huán)境參數(shù)對生物質(zhì)氣化結(jié)果的影響，本文采用玉米秸稈作為氣化原料。該原料經(jīng)過破碎后，進行了工業(yè)和元素分析，具體結(jié)果如表1所示，該參數(shù)為模型輸入?yún)?shù)。

表1 生物質(zhì)工業(yè)、元素分析結(jié)果Tab.1 Biomass industry and elemental analysis results

秸稈原料與其他的生物質(zhì)類似，擁有較高的揮發(fā)分，其干燥基揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)超過50%。元素分析中，C 和O 為主要成分，其干燥無灰基質(zhì)量分數(shù)分別為54.72%和32.95%?；沂盏交臀话l(fā)熱量為14.02 MJ/kg?；页煞址矫?，Na、K、Ca等堿金屬及堿土金屬含量較高。

3 結(jié)果與分析

3.1 壓力和當(dāng)量比對氣化過程的影響

當(dāng)量比(即燃料系數(shù)，指燃料燃燒時完全燃燒理論所需要的空氣量與實際供給的空氣量之比)是影響實際氣化反應(yīng)過程最重要的因素，通常通過控制當(dāng)量比來控制氣化反應(yīng)過程的溫度和整體氣化反應(yīng)進程。當(dāng)量比越大，越趨近于燃燒；當(dāng)量比越小，越趨近于熱解。在生物質(zhì)氣化耦合反應(yīng)的進程中，需要燃燒一部分生物質(zhì)用來提供氣化所需的能量，因此當(dāng)量比不能太低，否則會影響燃燒穩(wěn)定性。但是當(dāng)量比也不應(yīng)過高，過高會導(dǎo)致煙氣量和能耗增加，不利于氣化后的氣體送入燃煤機組進行耦合發(fā)電。根據(jù)表1 的元素分析結(jié)果，秸稈氣化后的可燃氣主體為H2、CO 和CH4，因此重點分析這3 種氣體的變化規(guī)律。圖2 為氣態(tài)組分隨當(dāng)量比的變化，可以看出，H2體積分數(shù)隨當(dāng)量比的增加呈現(xiàn)單調(diào)降低的趨勢，由19.47%降低至5.19%，這是由于隨著當(dāng)量比的提高和空氣量的增加，H2被氧化比例提高，其含量逐漸降低。CO 體積分數(shù)隨當(dāng)量比的增加呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，在當(dāng)量比為0.3 附近達到最大值，約為22%，這是由于C 元素隨著氧化比例提高，產(chǎn)物主體首先是CO，然后再變?yōu)镃O2。CH4隨著當(dāng)量比的增加呈現(xiàn)單調(diào)下降的狀態(tài)，從1.3%降低至接近于0，這是因為當(dāng)量比提高，會導(dǎo)致氧氣含量和溫度提高，所以CH4幾乎完全被氧化。

圖2 氣態(tài)組分隨當(dāng)量比的變化Fig.2 Variation of gaseous components with equivalence ratio

當(dāng)氣化反應(yīng)的壓力從101.325 kPa 增加至506.625 kPa 時，H2、N2、CO、CO2、CH4和H2O的體積分數(shù)整體變化不大，如圖3 所示。H2體積分數(shù)隨壓力的增加呈現(xiàn)單調(diào)降低的趨勢，由14.17%降低至11.94%。CO 體積分數(shù)隨壓力的增加也通常呈現(xiàn)單調(diào)降低的趨勢，由21.63%降低至20.72%，降低幅度較H2低。CH4隨著反應(yīng)壓力的增加呈現(xiàn)單調(diào)增加的狀態(tài)，從0.003 8%增加至0.095%，但是由于CH4在整體可燃氣體中的體積分數(shù)較小，因此其對于整個合成氣熱值的影響較小。

圖3 氣態(tài)組分隨氣體壓力的變化Fig.3 Variation of gaseous components with gas pressure

3.2 壓力和當(dāng)量比對合成氣能量的影響

因為氣化耦合發(fā)電系統(tǒng)是要將合成氣送入耦合機組爐膛進行焚燒發(fā)電，因此，通常人們比較關(guān)注合成氣的熱值。圖4顯示了H2、CO和CH4氣體的熱值隨當(dāng)量比的變化，同時也給出了3 種氣體熱值之和隨當(dāng)量比的變化規(guī)律。熱值是通過每小時產(chǎn)出的可燃氣體量乘以其本身的熱值得出。從圖4中可以看出，隨著當(dāng)量比增加，CO和H2熱值均呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢，這與氣化過程產(chǎn)生氣體的量與其所占體積分數(shù)有關(guān)。CH4熱值基本上隨著當(dāng)量比的降低而逐漸降低。從合成氣總熱值曲線來看，其與CO 和H2熱值展現(xiàn)了相同的變化規(guī)律，在當(dāng)量比為0.3時達到最高值，在當(dāng)量比為0.3～0.35 這一區(qū)間，整體變化幅度不大，然后隨當(dāng)量比增加，熱值下降幅度加快。由此可以得出，氣化耦合體系的當(dāng)量比在0.3～0.35 對于合成氣熱值最有利。

圖4 合成氣熱值及能量隨當(dāng)量比的變化規(guī)律Fig.4 Variation of calorific value and energy of syngas with equivalence ratio

然而，除了合成氣熱值外，帶入爐膛的還有一部分是顯焓所對應(yīng)的能量。如果合成氣的溫度整體低于爐膛內(nèi)的煙氣溫度，那么還需要再燃燒合成氣或者煤來提高氣體的溫度。因此，提出了一個用來評價合成氣能量的綜合指標，即用可燃氣體熱值+顯焓的方式(忽略合成氣送入爐膛時的能量損失)。那么同樣從圖4 中可以看出，合成氣能量綜合指標隨著當(dāng)量比的增加，呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢，在0.35 左右達到最大值，在0.3～0.4基本相差不大。

相比于單獨用熱值的評價方式，用合成氣熱值+顯焓的方式，整體氣化過程當(dāng)量比在0.3～0.4，處于一個相對高效的區(qū)間，比通過熱值分析得出的0.3～0.35 范圍要寬，更利于整個氣化過程的控制。

同時，進一步評估了熱值和熱值+顯焓隨壓力的變化規(guī)律，如圖5所示。從圖5中可以看出，H2和CO 的熱值隨著壓力的增加呈現(xiàn)單調(diào)降低的趨勢，而CH4的熱值隨著壓力的增加而增加；3種可燃氣整體熱值隨著壓力的增加略微降低；熱值+顯焓隨著壓力的增加整體變化幅度不大。因此，對于氣化耦合體系，合成氣的能量受環(huán)境壓力的影響較小。

圖5 合成氣熱值及能量隨壓力的變化規(guī)律Fig.5 Variation of calorific value and energy of syngas with pressure

4 結(jié)論

通過Aspen Plus 方法對生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電體系中的氣化過程進行了建模和分析。重點對當(dāng)量比和環(huán)境壓力對合成氣氣體組分的影響進行了分析，并結(jié)合計算結(jié)果探討分析了合成氣熱值及能量的變化規(guī)律。

依據(jù)模擬計算結(jié)果，H2、CO和CH4三種主要可燃氣體的變化規(guī)律如下：H2體積分數(shù)隨當(dāng)量比的增加呈現(xiàn)單調(diào)降低的趨勢，由19.47%降低至5.19%；CO 體積分數(shù)隨當(dāng)量比的增加呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，在當(dāng)量比為0.3 的附近達到最大值，約為22%；CH4體積分數(shù)隨著當(dāng)量比的增加呈現(xiàn)單調(diào)降低的趨勢，從1.3%降低至接近于0。環(huán)境壓力對3種氣體的含量影響較小。

依托理論研究的成果，合成氣總熱值與CO和H2熱值展現(xiàn)了相同的變化規(guī)律；在當(dāng)量比為0.3時達到最高值，在0.3～0.35 這一區(qū)間，整體變化幅度不大，當(dāng)量比大于0.35 下后降幅度加快?？紤]到帶入爐膛的能量還有氣體顯焓，提出了一種熱值+顯焓的合成氣能量評價方式，其在當(dāng)量比為0.35 左右達到最大值，在0.3～0.4 變化不大。因此可以得出，當(dāng)量比在0.3～0.4，合成氣熱量較高，生物質(zhì)氣化反應(yīng)當(dāng)量比應(yīng)優(yōu)選在此高效區(qū)間內(nèi)。同時，合成氣熱值+顯焓受環(huán)境壓力的影響較小。