鄭妍，姚宣，陳訓(xùn)強(qiáng)

（國(guó)能龍?jiān)喘h(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(guó)向國(guó)際社會(huì)作出碳達(dá)峰、碳中和的鄭重承諾[1]。2020 年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議明確將做好碳達(dá)峰、碳中和工作列為2020年八項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)之一。目前來(lái)看，能源行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和實(shí)施路徑主要包括大力推動(dòng)能源清潔化發(fā)展，大力推動(dòng)能源高效化發(fā)展，大力推進(jìn)能源消費(fèi)側(cè)電能替代和大力推進(jìn)自然碳匯和碳捕集。在清潔能源建設(shè)方面，除了加快太陽(yáng)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(fèi)總量?jī)H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(shí)現(xiàn)碳零排放。因此碳達(dá)峰、碳減排目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)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(xiàng)關(guān)鍵舉措[2-7]。

Aspen Plus 作為流程模擬軟件，近年來(lái)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(duì)目前的研究狀況，利用Aspen Plus 對(duì)生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電體系中的氣化過(guò)程進(jìn)行了建模和分析。重點(diǎn)研究分析當(dāng)量比和環(huán)境壓力對(duì)合成氣氣體組分的影響，并結(jié)合計(jì)算結(jié)果探討了合成氣熱值及能量的變化規(guī)律，并對(duì)如何進(jìn)一步更高效實(shí)現(xiàn)耦合發(fā)電進(jìn)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(guó)可再生能源、天然氣和核能裝機(jī)的持續(xù)增長(zhǎng)，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(lái)巨大的壓力。2018年6月21日，國(guó)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(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)的通知》(以下簡(jiǎn)稱《通知》)，確定了84 個(gè)技改項(xiàng)目試點(diǎn)，涉及全國(guó)23 個(gè)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(lì)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(jī)組耦合發(fā)電項(xiàng)目不再享受國(guó)家可再生能源電價(jià)附加資金補(bǔ)助，由地方制定出臺(tái)相關(guān)政策措施，解決補(bǔ)貼資金問(wèn)題，限制了耦合項(xiàng)目在“十三五”末期的進(jìn)一步發(fā)展。但隨著雙碳目標(biāo)的進(jìn)一步明確以及地方政府相關(guān)政策的出臺(tái)，比如山東省《關(guān)于2020年農(nóng)林生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目電價(jià)精準(zhǔn)補(bǔ)貼有關(guān)事項(xiàng)的通知》，生物質(zhì)耦合發(fā)電項(xiàng)目在“十四五”迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇[8-11]。

從20世紀(jì)90年代起，歐洲就開(kāi)始開(kāi)展生物質(zhì)燃燒技術(shù)研究與應(yīng)用。在歐洲實(shí)施過(guò)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(jìn)行過(guò)長(zhǎng)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(guó)。荷蘭目前已經(jīng)有超過(guò)50 個(gè)項(xiàng)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(duì)成熟。英國(guó)是目前世界上采取生物質(zhì)耦合技術(shù)最多的國(guó)家。英國(guó)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^(guò)1 000 MW 的大型燃煤電廠[12]。

國(guó)內(nèi)目前生物質(zhì)耦合發(fā)電項(xiàng)目包括國(guó)電長(zhǎng)源荊門、華電襄陽(yáng)、大唐長(zhǎng)山等氣化耦合發(fā)電項(xiàng)目以及華電十里泉、國(guó)電寶雞等直燃耦合發(fā)電項(xiàng)目。整體來(lái)看，國(guó)內(nèi)生物質(zhì)耦合實(shí)際投運(yùn)業(yè)績(jī)很少，尚未經(jīng)大量實(shí)踐檢驗(yàn)，生物質(zhì)與燃煤機(jī)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(kāi)發(fā)、制造，整體系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性等各方面需進(jìn)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(jiǎn)單處理后進(jìn)入機(jī)組原磨煤機(jī)、經(jīng)專用的制備(粉)系統(tǒng)后進(jìn)入煤粉燃燒器、經(jīng)專用的制備(粉)系統(tǒng)后進(jìn)入單獨(dú)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(guò)處理送入燃煤機(jī)組。并聯(lián)耦合發(fā)電是指生物質(zhì)采用獨(dú)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(jī)組熱力系統(tǒng)發(fā)電。整體來(lái)看，3 種技術(shù)路線均有其適應(yīng)的場(chǎng)景。針對(duì)生物質(zhì)耦合比例較小的項(xiàng)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(shí)現(xiàn)高比例生物質(zhì)耦合[14]。

近年來(lái)，生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電項(xiàng)目因?yàn)槠湓谟?jì)量方面的優(yōu)勢(shì)，已成為生物質(zhì)利用方面的熱點(diǎn)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?xì)獾倪^(guò)程(通常采用流化床反應(yīng)器)，反應(yīng)生成的燃?xì)庵饕谎趸?、二氧化碳、氫氣和一些烴類有機(jī)物。氣化過(guò)程中產(chǎn)生可燃?xì)獾谋壤c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(shí)現(xiàn)更高效率的能量利用急需得到進(jìn)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(guò)大和運(yùn)行成本比較高，直接進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)研究難度較大，尋找一種較為經(jīng)濟(jì)的方法替代或引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)具有重要的意義。

2 計(jì)算模型

2.1 氣化模型

本文采用Aspen Plus 軟件重點(diǎn)模擬生物質(zhì)氣化過(guò)程中產(chǎn)生的合成氣的成分并對(duì)其進(jìn)行分析。實(shí)際生物質(zhì)氣化過(guò)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(guò)程，其間伴隨著熱解發(fā)生。因此，利用熱解、燃燒和氣化3 個(gè)反應(yīng)模塊構(gòu)建整個(gè)氣化過(guò)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(jì)算同時(shí)到達(dá)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(guò)程流程圖。整個(gè)計(jì)算流程為：生物質(zhì)原料進(jìn)入熱解模塊(DECOMP)進(jìn)行分解，產(chǎn)生氣體和固體，其中固體部分與空氣一起進(jìn)入燃燒反應(yīng)模塊(COMBUST)進(jìn)行燃燒，氣體部分和燃燒過(guò)程產(chǎn)生的產(chǎn)物進(jìn)入氣化反應(yīng)器(GASIFY)進(jìn)行氣化；氣化產(chǎn)物通過(guò)分離模塊(SEPATATE)進(jìn)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(jī)組爐膛進(jìn)行焚燒發(fā)電。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程的能量流程為：熱解模塊產(chǎn)生熱量進(jìn)入燃燒反應(yīng)器，之后再進(jìn)入氣化反應(yīng)器。

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

為了準(zhǔn)確模擬生物質(zhì)燃燒、氣化，并簡(jiǎn)化氣化模擬流程，對(duì)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(yùn)行，所有反應(yīng)均達(dá)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(duì)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(guò)破碎后，進(jìn)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?jǐn)?shù)超過(guò)50%。元素分析中，C 和O 為主要成分，其干燥無(wú)灰基質(zhì)量分?jǐn)?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(duì)氣化過(guò)程的影響

當(dāng)量比(即燃料系數(shù)，指燃料燃燒時(shí)完全燃燒理論所需要的空氣量與實(shí)際供給的空氣量之比)是影響實(shí)際氣化反應(yīng)過(guò)程最重要的因素，通常通過(guò)控制當(dāng)量比來(lái)控制氣化反應(yīng)過(guò)程的溫度和整體氣化反應(yīng)進(jìn)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(jìn)程中，需要燃燒一部分生物質(zhì)用來(lái)提供氣化所需的能量，因此當(dāng)量比不能太低，否則會(huì)影響燃燒穩(wěn)定性。但是當(dāng)量比也不應(yīng)過(guò)高，過(guò)高會(huì)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(jī)組進(jìn)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?xì)庵黧w為H2、CO 和CH4，因此重點(diǎn)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?jǐn)?shù)隨當(dāng)量比的增加呈現(xiàn)單調(diào)降低的趨勢(shì)，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?jǐn)?shù)隨當(dāng)量比的增加呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)，在當(dāng)量比為0.3 附近達(dá)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?yàn)楫?dāng)量比提高，會(huì)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(shí)，H2、N2、CO、CO2、CH4和H2O的體積分?jǐn)?shù)整體變化不大，如圖3 所示。H2體積分?jǐn)?shù)隨壓力的增加呈現(xiàn)單調(diào)降低的趨勢(shì)，由14.17%降低至11.94%。CO 體積分?jǐn)?shù)隨壓力的增加也通常呈現(xiàn)單調(diào)降低的趨勢(shì)，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?xì)怏w中的體積分?jǐn)?shù)較小，因此其對(duì)于整個(gè)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(duì)合成氣能量的影響

因?yàn)闅饣詈习l(fā)電系統(tǒng)是要將合成氣送入耦合機(jī)組爐膛進(jìn)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(shí)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(guò)每小時(shí)產(chǎn)出的可燃?xì)怏w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(shì)，這與氣化過(guò)程產(chǎn)生氣體的量與其所占體積分?jǐn)?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(lái)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(shí)達(dá)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(duì)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(duì)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(lái)提高氣體的溫度。因此，提出了一個(gè)用來(lái)評(píng)價(jià)合成氣能量的綜合指標(biāo)，即用可燃?xì)怏w熱值+顯焓的方式(忽略合成氣送入爐膛時(shí)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(biāo)隨著當(dāng)量比的增加，呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)，在0.35 左右達(dá)到最大值，在0.3～0.4基本相差不大。

相比于單獨(dú)用熱值的評(píng)價(jià)方式，用合成氣熱值+顯焓的方式，整體氣化過(guò)程當(dāng)量比在0.3～0.4，處于一個(gè)相對(duì)高效的區(qū)間，比通過(guò)熱值分析得出的0.3～0.35 范圍要寬，更利于整個(gè)氣化過(guò)程的控制。

同時(shí)，進(jìn)一步評(píng)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(shì)，而CH4的熱值隨著壓力的增加而增加；3種可燃?xì)庹w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(duì)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(guò)Aspen Plus 方法對(duì)生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電體系中的氣化過(guò)程進(jìn)行了建模和分析。重點(diǎn)對(duì)當(dāng)量比和環(huán)境壓力對(duì)合成氣氣體組分的影響進(jìn)行了分析，并結(jié)合計(jì)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(jì)算結(jié)果，H2、CO和CH4三種主要可燃?xì)怏w的變化規(guī)律如下：H2體積分?jǐn)?shù)隨當(dāng)量比的增加呈現(xiàn)單調(diào)降低的趨勢(shì)，由19.47%降低至5.19%；CO 體積分?jǐn)?shù)隨當(dāng)量比的增加呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)，在當(dāng)量比為0.3 的附近達(dá)到最大值，約為22%；CH4體積分?jǐn)?shù)隨著當(dāng)量比的增加呈現(xiàn)單調(diào)降低的趨勢(shì)，從1.3%降低至接近于0。環(huán)境壓力對(duì)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(shí)達(dá)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(píng)價(jià)方式，其在當(dāng)量比為0.35 左右達(dá)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(shí)，合成氣熱值+顯焓受環(huán)境壓力的影響較小。