陳嘉豪，袁 野，何 勇，王智化，譚佳昕，朱燕群，岑可法

(浙江大學(xué) 能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027)

0 引 言

目前煤炭仍是我國主要能源，2019年我國原煤產(chǎn)量高達(dá)37.5億t，煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的57.7%[1]，且在未來幾十年內(nèi)，煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)地位不變。然而我國煤炭利用存在煤炭以低效率燃燒方式消耗以及污染物排放嚴(yán)重等問題[2]。因此探尋煤炭清潔高效利用技術(shù)迫在眉睫[3-4]。煤基多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)以煤氣化為核心，集發(fā)電、供熱和化工合成等系統(tǒng)于一體，目前主要有以煤熱解、完全氣化和部分氣化為基礎(chǔ)的3種技術(shù)路線。其中以煤的部分氣化為基礎(chǔ)的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的主要原理是根據(jù)煤中不同成分特點(diǎn)對煤加以分級分質(zhì)利用。工藝流程如下：首先煤在氣化爐中進(jìn)行部分氣化，產(chǎn)生的煤氣可根據(jù)成分選擇用于工業(yè)用氣或民用氣，氣化剩余的半焦則可送入鍋爐進(jìn)行燃燒發(fā)電或供熱。相較于以完全氣化為基礎(chǔ)的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，部分氣化系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：煤氣化過程無需爐膛高壓、很長的反應(yīng)停留時(shí)間以及過高的碳轉(zhuǎn)化率，可以在技術(shù)要求相對簡單的氣化爐中進(jìn)行部分氣化，降低了技術(shù)難度和成本；該系統(tǒng)通常采用流化床氣化技術(shù)，相較于氣流床，流化床的運(yùn)行成本更低。美國Foster Wheeler公司開發(fā)的第2代增壓循環(huán)流化床聯(lián)(APFBC)和循環(huán)和燃煤高性能發(fā)電系統(tǒng)(HIPPS)以及日本開發(fā)的第2代增壓流化床循環(huán)(APFBC)和增壓內(nèi)部循環(huán)流化床聯(lián)合循環(huán)(PICFG)都是基于部分氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)[5]。本文對300 MW煤粉鍋爐進(jìn)行煤氣、電力多聯(lián)產(chǎn)改造也主要基于煤的部分氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)煤炭的煤氣、電力分級分質(zhì)利用。

數(shù)值模擬是煤氣化的重要研究手段之一[6]，模擬煤氣化過程的模型方法一般分為2種：反應(yīng)平衡模型和化學(xué)動力學(xué)模型[7]。兩者的理論基礎(chǔ)分別為反應(yīng)熱力學(xué)和反應(yīng)動力學(xué)。反應(yīng)平衡模型的建模以及計(jì)算過程相對簡單，但需做出相對較多的假設(shè)，如假設(shè)整個(gè)氣化過程都是穩(wěn)態(tài)，最終化學(xué)反應(yīng)都達(dá)到平衡狀態(tài)，忽略流動傳熱傳質(zhì)特性等，此模型通用性較好?；瘜W(xué)動力學(xué)模型的建模過程比較復(fù)雜，模擬計(jì)算的準(zhǔn)確程度與氣化爐的參數(shù)有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)度，通用性差，優(yōu)勢是其對氣化爐出口的煤氣組成模擬更為準(zhǔn)確。在模擬煤氣化過程時(shí)，目前國內(nèi)外學(xué)者主要采用反應(yīng)平衡模型進(jìn)行建模。張斌等[8]通過建立氣化爐平衡模型研究了不同氣化爐的最佳平衡溫度，簡單設(shè)定系統(tǒng)的熱損失為煤總熱值的2%，模擬計(jì)算所得的氣體組分和EPRI公布的典型數(shù)據(jù)基本一致。林立[9]使用化學(xué)滲濾脫揮發(fā)分模型(CPD)模擬煤的脫揮發(fā)分過程，利用Gibbs自由能最小原理計(jì)算化學(xué)反應(yīng)平衡得到產(chǎn)物組成，發(fā)現(xiàn)用Aspen Plus軟件模擬氣流床氣化，對煤氣中關(guān)鍵組分的預(yù)測結(jié)果較為準(zhǔn)確，但對CH4等微量組分的預(yù)測準(zhǔn)確性較差。張宗飛等[10]同樣選用了反應(yīng)平衡模型，應(yīng)用Gibbs自由能最小化方法建立了Shell粉煤氣化模型，并在模擬參數(shù)設(shè)定時(shí)導(dǎo)入實(shí)際工業(yè)煤氣化的碳轉(zhuǎn)化率以及估算的熱損值用以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度，研究了不同操作條件下的氣化性能。原滿等[11]利用Aspen Plus軟件建立了固定床高溫氣化模型，研究了煤氣化過程隨空煤比和空氣預(yù)熱溫度的變化情況，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，分析得知在模擬溫度范圍內(nèi)，有效煤氣產(chǎn)率隨氣化劑預(yù)熱溫度上升而提高；氣化劑溫度相同時(shí)，空煤比1.5的有效煤氣產(chǎn)率最高。綜上所述，Aspen Plus軟件模擬煤氣化過程的可行性已得到認(rèn)可和驗(yàn)證，利用反應(yīng)平衡模型可較為準(zhǔn)確地預(yù)測煤氣主要成分和半焦產(chǎn)量，進(jìn)而研究不同工況對氣化爐運(yùn)行狀況的影響，以探尋其最佳操作條件。

本文基于我國某電廠300 MW電站鍋爐，對其進(jìn)行多聯(lián)產(chǎn)改造研究，在原有系統(tǒng)上新增一套氣化系統(tǒng)，用煤部分氣化后產(chǎn)生的半焦代替煤作為鍋爐的燃料進(jìn)行燃燒發(fā)電。此外，在原有單純發(fā)電的基礎(chǔ)上，新增一項(xiàng)煤氣產(chǎn)出。整個(gè)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)最關(guān)鍵的氣化爐反應(yīng)過程使用Aspen Plus軟件進(jìn)行建模計(jì)算，得到產(chǎn)出的煤氣組分以及半焦產(chǎn)率后，對整個(gè)300 MW多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析。

1 Aspen Plus 煤氣化模擬

1.1 模型的建立

本文選擇通用性較強(qiáng)的反應(yīng)平衡模型。首先做以下假設(shè)[12]：① 將整個(gè)煤氣化過程分為熱解和部分燃燒2個(gè)階段，且均為穩(wěn)態(tài)；② 煤粉顆粒為球狀且忽略其內(nèi)部的傳熱和傳質(zhì)；③ 氣化爐內(nèi)氣體在徑向無溫度和濃度梯度；④ 爐壓無明顯變化。

為提高模擬準(zhǔn)確性，需選擇最合適的物性方法。煤燃燒生成的煙氣主要成分為N2、CO2、O2和H2O，總體上呈非極性或弱極性，適用的物性方法有RK-SOAVE、PR-BM或RKS-BM等[13]，本文模型采用的狀態(tài)方程方法為PR-BM。氣化過程中的反應(yīng)物和產(chǎn)物有：C、CO、CO2、CH4、H2、H2O、O2、N2、NO、NO2、N2O、H2S、S、SO2、SO3、COAL(煤)和ASH(灰分)[14]。其中，煤和灰分為非常規(guī)組分，兩者的焓模型都選擇HCOALGEN，密度模型選擇DCOALIGT[15]。焓模型后的選項(xiàng)代碼值依次表示燃燒熱、生成熱、熱容和焓基準(zhǔn)，選項(xiàng)代碼值代表不同的計(jì)算方法，煤設(shè)定為6、1、1、1，灰分設(shè)定為1、1、1、1[16]。

Aspen Plus中建立的煤氣化模擬流程如圖1所示[17]，其中產(chǎn)率反應(yīng)器模塊(RYield)不規(guī)定化學(xué)計(jì)量系數(shù)和動力學(xué)數(shù)據(jù)，用于模擬非常規(guī)組分煤按收率轉(zhuǎn)化成常規(guī)組分C、H2、O2、H2O、N2、S的過程(其中ASH無需轉(zhuǎn)化)，以便進(jìn)行后續(xù)的模擬反應(yīng)計(jì)算，此過程不需輸入額外熱量，由燃燒過程提供[11]。吉布斯反應(yīng)器模塊(RGibbs)[18]用于模擬氣化爐的燃燒反應(yīng)，此模塊從理論上計(jì)算反應(yīng)完全時(shí)的產(chǎn)物組成，其結(jié)果不受反應(yīng)器大小、進(jìn)料量等參數(shù)影響。

圖1 Aspen Plus煤氣化流程模型Fig.1 Aspen Plus coal gasification process model

1.2 模型的檢驗(yàn)

用于模型檢驗(yàn)的對照試驗(yàn)基于浙江大學(xué)設(shè)計(jì)研發(fā)的煤粉高溫裂解氣化試驗(yàn)平臺進(jìn)行[5]。平臺的核心部分是氣化爐本體，最高可以承受1 400 ℃的氣化溫度。對照試驗(yàn)的氣化溫度選定為1 200 ℃，爐膛壓力為常壓，原料采用內(nèi)蒙古混煤，給煤量為72 kg/h，煤質(zhì)分析見表1。

表1 煤樣工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal

對照試驗(yàn)開始前將爐膛預(yù)熱到1 200 ℃，給粉系統(tǒng)開始向煤粉燃燒器輸送煤粉，與氧氣或空氣混合后進(jìn)入爐膛發(fā)生煤氣化反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物主要為半焦和煤氣，半焦通過半焦冷卻和分離系統(tǒng)進(jìn)行收集，煤氣在取樣后由焚燒火炬焚燒以防污染環(huán)境。

使用建立的Aspen Plus煤氣化流程模型模擬3種不同氣氛條件下的煤氣化過程，分別為純氧、50%氧氣、空氣。Aspen Plus模擬值與試驗(yàn)值對比見表2～4。

表2 純氧條件下模擬值與試驗(yàn)值對比Table 2 Comparison between simulated and experimental values under pure oxygen

表3 50%氧氣條件下模擬值與試驗(yàn)值對比Table 3 Comparison between simulated and experimental values under 50% oxygen

表4 空氣條件下模擬值與試驗(yàn)值對比Table 4 Comparison between simulated and experimental values under air conditions

由表2～4可知，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，證明本文建立的氣化模型可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測氣化爐的出口組分，具有一定的參考價(jià)值。

2 300 MW機(jī)組煤粉部分氣化多聯(lián)產(chǎn)研究

2.1 方案設(shè)計(jì)

本文基于我國某電廠1號鍋爐(300 MW煤粉鍋爐)進(jìn)行煤粉部分氣化多聯(lián)產(chǎn)改造，設(shè)計(jì)的多聯(lián)產(chǎn)方案流程如圖2所示，純氧和煤粉輸入氣化爐中進(jìn)行氣化反應(yīng)，產(chǎn)物主要有煤氣、半焦和水，半焦代替原煤進(jìn)入電站鍋爐燃燒發(fā)電[19]。在原單純靠電站鍋爐燃煤發(fā)電的基礎(chǔ)上，增加了一項(xiàng)煤氣產(chǎn)出。

圖2 煤粉部分氣化多聯(lián)產(chǎn)方案流程Fig.2 Flowchart of coal partial gasification polygeneration project

2.2 模擬計(jì)算結(jié)果與討論

2.2.1氧煤比對多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的影響

1)氧煤比對煤氣組成的影響

為保證多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)最后輸出的發(fā)電功率保持300 MW恒定不變，利用Aspen Plus軟件進(jìn)行迭代模擬煤氣化過程。

該廠所用原煤為神府東勝煤，煤質(zhì)分析見表5。5組不同氧煤比下原煤和純氧的輸入量見表6。

表6 不同氧煤比下的原料輸入量Table 6 Input amount of raw materials under different oxygen to coal ratios

依據(jù)Aspen Plus 的模擬計(jì)算結(jié)果，整理得到氧煤比對煤氣組成以及有效氣產(chǎn)率(出口氣中CO、H2和CH4的占比總和)的影響，如圖3所示?？芍谀M的氧煤比范圍內(nèi)，其他條件相同時(shí)，氧煤比越高，有效氣率越大。這是因?yàn)镃和CO2在高溫條件下可以發(fā)生反應(yīng)生成CO，氧煤比增大使煤粉燃燒反應(yīng)變得更加劇烈，產(chǎn)生更多熱量，促進(jìn)了上述反應(yīng)的進(jìn)行，消耗CO2生成更多的CO，有效氣產(chǎn)率隨之上升。圖中CO2和CO的占比曲線也證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖3 氧煤比對煤氣組成的影響Fig.3 Effect of oxygen to coal ratio on gas composition

2)氧煤比對多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的影響

得到煤氣化過程的模擬計(jì)算結(jié)果后，進(jìn)一步計(jì)算整個(gè)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的投入和產(chǎn)出，以研究氧煤比對多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)效益的影響以及300 MW機(jī)組進(jìn)行多聯(lián)產(chǎn)改造前后的經(jīng)濟(jì)性對比。

主要物料價(jià)格為：原煤500元/t，氧氣173.91元/kNm3，煤氣920.55元/kNm3，電0.40元/kWh。其中原煤和電的價(jià)格均按市場價(jià)估算；氧氣采用空分制氧(92%純度)，成本取0.4 kWh/Nm3；煤氣先計(jì)算熱值，價(jià)格按天然氣進(jìn)行折算(36 MJ/Nm3，3元/Nm3)，煤氣組分熱值分別為：CO 12.64 MJ/Nm3、H2S 25.35 MJ/Nm3、H212.74 MJ/Nm3、CH439.82 MJ/Nm3。根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益，見表7。

表7 不同氧煤比下系統(tǒng)改造前后經(jīng)濟(jì)效益對比Table 7 Comparison of economic benefits before and after modification under different oxygen to coal ratios 萬元

由表7可知，在模擬的氧煤比范圍內(nèi)，300 MW電站鍋爐機(jī)組經(jīng)多聯(lián)產(chǎn)改造后可以顯著提高經(jīng)濟(jì)效益，且增加的收益隨氧煤比的增大而提高。氧煤比從0.1提高到0.3時(shí)，增加的小時(shí)收益從2.68萬元增加到10.37萬元，增幅達(dá)287%，可見氧煤比是影響多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的重要參數(shù)。

2.2.2煤種對多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的影響

1)煤種對煤氣組成的影響

為研究煤種對多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的影響，除該電廠所用神府東勝煤外，本文選用了神華煙煤、錫盟褐煤以及鞏義無煙煤3個(gè)煤種進(jìn)行對比研究，煤質(zhì)分析見表8。

表8 3種對比煤的工業(yè)分析和元素分析Table 8 Proximate and ultimate analysis of three comparative coals

將氧煤比固定為0.3，使用Aspen Plus軟件分別對4種煤進(jìn)行煤氣化模擬，獲得的煤氣組成如圖4所示。

圖4 煤種對煤氣組成的影響Fig.4 Effect of coal type on coal gas composition

由圖4可知，氧煤比為0.3時(shí)，錫盟褐煤氣化后的有效氣產(chǎn)率最大，而神華煙煤、鞏義無煙煤、神府東勝煤的有效氣率基本持平，略低于錫盟褐煤，該結(jié)果主要與煤中碳含量有關(guān)。

2)煤種對多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的影響

為研究煤種對多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)效益的影響以及300 MW機(jī)組進(jìn)行多聯(lián)產(chǎn)改造前后的經(jīng)濟(jì)性對比，進(jìn)一步計(jì)算整個(gè)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的投入和產(chǎn)出。結(jié)果發(fā)現(xiàn)錫盟褐煤氣化后產(chǎn)生的半焦含量過低，導(dǎo)致系統(tǒng)維持300 MW電力輸出需投入巨量原煤，因此后續(xù)計(jì)算只包括神華煙煤、鞏義無煙煤和神府東勝煤。主要物料價(jià)格同2.2.1節(jié)，且假設(shè)不同煤種價(jià)格一致。經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 不同煤種系統(tǒng)改造前后經(jīng)濟(jì)效益對比Table 9 Comparison of economic benefits before and after modification of different coal types 萬元

由表9可知，氧煤比為0.3時(shí)，使用不同煤樣對300 MW電站鍋爐機(jī)組進(jìn)行多聯(lián)產(chǎn)改造都可以顯著提高經(jīng)濟(jì)效益，神府東勝煤最優(yōu)，神華煙煤次之，鞏義無煙煤的選擇優(yōu)先度最低。

3 結(jié) 論

1)利用Aspen Plus建立了煤氣化模型，模擬結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好，并將該模型應(yīng)用于300 MW電站鍋爐機(jī)組的煤粉部分氣化多聯(lián)產(chǎn)改造研究。

2)在模擬的氧煤比范圍內(nèi)，隨著氧煤比的升高，煤氣品質(zhì)、有效氣產(chǎn)率以及多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益均明顯提高。

3)氧煤比為0.3時(shí)，使用神府東勝煤的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)，其次是神華煙煤以及鞏義無煙煤，錫盟褐煤由于煤氣化后產(chǎn)生半焦量過低不利于多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)作。

4)本文多聯(lián)產(chǎn)改造經(jīng)濟(jì)效益研究只是基于煤氣化模型的模擬結(jié)果，沒有考慮氣化爐設(shè)計(jì)、制造成本以及氣化爐與電站鍋爐耦合的具體工藝，需在以后的研究中進(jìn)一步考慮。