生物質氣化耦合發電體系的合成氣組分與能量分析

鄭妍，姚宣，陳訓強

（國能龍源環保有限公司，北京市 海淀區 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年八項重點任務之一。目前來看，能源行業碳達峰、碳中和實施路徑主要包括大力推動能源清潔化發展，大力推動能源高效化發展，大力推進能源消費側電能替代和大力推進自然碳匯和碳捕集。在清潔能源建設方面，除了加快太陽能基地、風電基地和水電基地因地制宜發展分布式清潔能源和海上風電之外，還需要充分重視生物質能源。生物質能源是目前世界上應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、可再生的炭源。利用農作物秸稈及農產品加工剩余物、林業剩余物和能源作物等生物質資源，可以直接替代煤炭化石能源，并實現碳零排放。因此碳達峰、碳減排目標實現過程中，在優化能源結構方面，充分挖掘生物質替代傳統能源是一項關鍵舉措[2-7]。

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

1 生物質燃煤耦合發電技術

“十四五”期間我國可再生能源、天然氣和核能裝機的持續增長，以及高碳化石能源利用率的大幅降低，都給燃煤發電企業帶來巨大的壓力。2018年6月21日，國家能源局、生態環境部聯合發布《關于燃煤耦合生物質發電技改試點項目建設的通知》(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、直轄市。2019年11月，發改委發布的《產業結構調整指導目錄2019》，其中燃煤耦合生物質發電作為新增鼓勵產業，被列入指導目錄中。然而，隨著生物質與燃煤機組耦合發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”末期的進一步發展。但隨著雙碳目標的進一步明確以及地方政府相關政策的出臺，比如山東省《關于2020年農林生物質直燃發電項目電價精準補貼有關事項的通知》，生物質耦合發電項目在“十四五”迎來了新的發展機遇[8-11]。

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

國內目前生物質耦合發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電項目以及華電十里泉、國電寶雞等直燃耦合發電項目。整體來看，國內生物質耦合實際投運業績很少，尚未經大量實踐檢驗，生物質與燃煤機組耦合發電技術尚未完全成熟，有些關鍵設備的開發、制造，整體系統運行的安全性、可靠性等各方面需進一步完善[13]。

生物質燃煤耦合發電技術可以分為直接耦合、間接耦合和并聯耦合發電。直接耦合是將生物質處理至能夠與原煤混燃的狀態后直接在爐膛內燃燒的技術，可分為經簡單處理后進入機組原磨煤機、經專用的制備(粉)系統后進入煤粉燃燒器、經專用的制備(粉)系統后進入單獨的燃燒器等3種方式。間接耦合發電是指生物質氣化或熱解后，將所產生的氣態產物經過處理送入燃煤機組。并聯耦合發電是指生物質采用獨立的燃燒裝置完成燃燒及熱量回收后，將產生的蒸汽并入耦合機組熱力系統發電。整體來看，3 種技術路線均有其適應的場景。針對生物質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高比例生物質耦合[14]。

近年來，生物質氣化耦合發電項目因為其在計量方面的優勢，已成為生物質利用方面的熱點技術。生物質氣化是生物質燃料經熱化學反應生成生物質燃氣的過程(通常采用流化床反應器)，反應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。氣化過程中產生可燃氣的比例與反應氣氛和氣化環境(壓力、溫度)關系，以及如何在發電系統內實現更高效率的能量利用急需得到進一步深入研究。但是由于生物質種類繁多、成分復雜、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，尋找一種較為經濟的方法替代或引導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氣化過程中產生的合成氣的成分并對其進行分析。實際生物質氣化過程是一部分生物質發生燃燒，熱量用于維持后續的氣化過程，其間伴隨著熱解發生。因此，利用熱解、燃燒和氣化3 個反應模塊構建整個氣化過程。氣化模型采用吉布斯自由能方法構建。吉布斯反應器根據系統的吉布斯自由能趨于最小值的原則，計算同時到達化學平衡和相平衡的系統組成和相分布，吉布斯反應器是唯一能處理氣液固三相平衡的反應器模塊。

圖1 為氣化反應過程流程圖。整個計算流程為：生物質原料進入熱解模塊(DECOMP)進行分解，產生氣體和固體，其中固體部分與空氣一起進入燃燒反應模塊(COMBUST)進行燃燒，氣體部分和燃燒過程產生的產物進入氣化反應器(GASIFY)進行氣化；氣化產物通過分離模塊(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電。整個反應過程的能量流程為：熱解模塊產生熱量進入燃燒反應器，之后再進入氣化反應器。

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

為了準確模擬生物質燃燒、氣化，并簡化氣化模擬流程，對模擬作如下假設：氣體與生物質在相關反應器內均為瞬間完全混合，反應穩定運行，所有反應均達到化學平衡，反應器內部分布均勻，不考慮熱量和壓力損失；氣體產物成分僅考 慮H2、N2、O2、S、CO、CO2、CH4、SO2、H2S、NH3、H2O；生物質完全轉化，不考慮焦油含量，且灰分為惰性組分。

2.2 燃料分析

為了研究不同環境參數對生物質氣化結果的影響，本文采用玉米秸稈作為氣化原料。該原料經過破碎后，進行了工業和元素分析，具體結果如表1所示，該參數為模型輸入參數。

表1 生物質工業、元素分析結果Tab.1 Biomass industry and elemental analysis results

秸稈原料與其他的生物質類似，擁有較高的揮發分，其干燥基揮發分質量分數超過50%。元素分析中，C 和O 為主要成分，其干燥無灰基質量分數分別為54.72%和32.95%?；沂盏交臀话l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 結果與分析

3.1 壓力和當量比對氣化過程的影響

當量比(即燃料系數，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過程最重要的因素，通常通過控制當量比來控制氣化反應過程的溫度和整體氣化反應進程。當量比越大，越趨近于燃燒；當量比越小，越趨近于熱解。在生物質氣化耦合反應的進程中，需要燃燒一部分生物質用來提供氣化所需的能量，因此當量比不能太低，否則會影響燃燒穩定性。但是當量比也不應過高，過高會導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電。根據表1 的元素分析結果，秸稈氣化后的可燃氣主體為H2、CO 和CH4，因此重點分析這3 種氣體的變化規律。圖2 為氣態組分隨當量比的變化，可以看出，H2體積分數隨當量比的增加呈現單調降低的趨勢，由19.47%降低至5.19%，這是由于隨著當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 體積分數隨當量比的增加呈現先增加后降低趨勢，在當量比為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，產物主體首先是CO，然后再變為CO2。CH4隨著當量比的增加呈現單調下降的狀態，從1.3%降低至接近于0，這是因為當量比提高，會導致氧氣含量和溫度提高，所以CH4幾乎完全被氧化。

圖2 氣態組分隨當量比的變化Fig.2 Variation of gaseous components with equivalence ratio

當氣化反應的壓力從101.325 kPa 增加至506.625 kPa 時，H2、N2、CO、CO2、CH4和H2O的體積分數整體變化不大，如圖3 所示。H2體積分數隨壓力的增加呈現單調降低的趨勢，由14.17%降低至11.94%。CO 體積分數隨壓力的增加也通常呈現單調降低的趨勢，由21.63%降低至20.72%，降低幅度較H2低。CH4隨著反應壓力的增加呈現單調增加的狀態，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較小，因此其對于整個合成氣熱值的影響較小。

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

3.2 壓力和當量比對合成氣能量的影響

因為氣化耦合發電系統是要將合成氣送入耦合機組爐膛進行焚燒發電，因此，通常人們比較關注合成氣的熱值。圖4顯示了H2、CO和CH4氣體的熱值隨當量比的變化，同時也給出了3 種氣體熱值之和隨當量比的變化規律。熱值是通過每小時產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，隨著當量比增加，CO和H2熱值均呈現出先增加后下降的趨勢，這與氣化過程產生氣體的量與其所占體積分數有關。CH4熱值基本上隨著當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熱值展現了相同的變化規律，在當量比為0.3時達到最高值，在當量比為0.3～0.35 這一區間，整體變化幅度不大，然后隨當量比增加，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量比的變化規律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的能量。如果合成氣的溫度整體低于爐膛內的煙氣溫度，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量比的增加，呈現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，整體氣化過程當量比在0.3～0.4，處于一個相對高效的區間，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單調降低的趨勢，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律Fig.5 Variation of calorific value and energy of syngas with pressure

4 結論

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

依據模擬計算結果，H2、CO和CH4三種主要可燃氣體的變化規律如下：H2體積分數隨當量比的增加呈現單調降低的趨勢，由19.47%降低至5.19%；CO 體積分數隨當量比的增加呈現先增加后降低趨勢，在當量比為0.3 的附近達到最大值，約為22%；CH4體積分數隨著當量比的增加呈現單調降低的趨勢，從1.3%降低至接近于0。環境壓力對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熱值展現了相同的變化規律；在當量比為0.3時達到最高值，在0.3～0.35 這一區間，整體變化幅度不大，當量比大于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，當量比在0.3～0.4，合成氣熱量較高，生物質氣化反應當量比應優選在此高效區間內。同時，合成氣熱值+顯焓受環境壓力的影響較小。