300 MW電站鍋爐煤粉部分氣化多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模擬及經(jīng)濟(jì)性分析

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(guó)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(guó)主要能源，2019年我國(guó)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(lái)幾十年內(nèi)，煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)地位不變。然而我國(guó)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(duì)煤加以分級(jí)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(guò)程無(wú)需爐膛高壓、很長(zhǎng)的反應(yīng)停留時(shí)間以及過(guò)高的碳轉(zhuǎn)化率，可以在技術(shù)要求相對(duì)簡(jiǎn)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(guó)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(duì)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(jí)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(guò)程的模型方法一般分為2種：反應(yīng)平衡模型和化學(xué)動(dòng)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(dòng)力學(xué)。反應(yīng)平衡模型的建模以及計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，但需做出相對(duì)較多的假設(shè)，如假設(shè)整個(gè)氣化過(guò)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(dòng)傳熱傳質(zhì)特性等，此模型通用性較好?；瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)模型的建模過(guò)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(shì)是其對(duì)氣化爐出口的煤氣組成模擬更為準(zhǔn)確。在模擬煤氣化過(guò)程時(shí)，目前國(guó)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(guò)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(jiǎn)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(guò)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(duì)煤氣中關(guān)鍵組分的預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確，但對(duì)CH4等微量組分的預(yù)測(cè)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(guò)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(guò)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(cè)煤氣主要成分和半焦產(chǎn)量，進(jìn)而研究不同工況對(duì)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(guó)某電廠300 MW電站鍋爐，對(duì)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(guò)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(duì)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(guò)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(wú)溫度和濃度梯度；④ 爐壓無(wú)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(guò)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(dòng)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(guò)程(其中ASH無(wú)需轉(zhuǎn)化)，以便進(jìn)行后續(xù)的模擬反應(yīng)計(jì)算，此過(guò)程不需輸入額外熱量，由燃燒過(guò)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(duì)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(tái)進(jìn)行[5]。平臺(tái)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(duì)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(duì)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(guò)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(guò)程，分別為純氧、50%氧氣、空氣。Aspen Plus模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比見表2～4。

表2 純氧條件下模擬值與試驗(yàn)值對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(guó)某電廠1號(hào)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(duì)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的影響

1)氧煤比對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)煤氣組成的影響Fig.3 Effect of oxygen to coal ratio on gas composition

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

得到煤氣化過(guò)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(duì)比Table 7 Comparison of economic benefits before and after modification under different oxygen to coal ratios 萬(wàn)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(wàn)元增加到10.37萬(wàn)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(duì)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的影響

1)煤種對(duì)煤氣組成的影響

為研究煤種對(duì)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(wú)煙煤3個(gè)煤種進(jìn)行對(duì)比研究，煤質(zhì)分析見表8。

表8 3種對(duì)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(duì)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(duì)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(wú)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(duì)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的影響

為研究煤種對(duì)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(duì)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(guò)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(wú)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(duì)比Table 9 Comparison of economic benefits before and after modification of different coal types 萬(wàn)元

由表9可知，氧煤比為0.3時(shí)，使用不同煤樣對(duì)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(wú)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(wú)煙煤，錫盟褐煤由于煤氣化后產(chǎn)生半焦量過(guò)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。