煤液化殘渣萃余物發(fā)電系統(tǒng)的集成與評價

趙亞仙，趙英杰，閆國春，王建立，盧衛(wèi)民，李 藝，王建成，易 群，鮑衛(wèi)仁，常麗萍

(1.太原理工大學(xué) 省部共建煤基能源清潔高效利用國家重點實驗室，煤科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，太原 030024；2.晉中學(xué)院 機械系，山西 晉中 030619；3.中國神華煤制油化工有限公司，北京 100011；4.武漢工程大學(xué) 化工與制藥學(xué)院，武漢 430205)

煤炭直接液化生產(chǎn)液體燃料油，對解決我國石油資源短缺、平衡能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全以及國民經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實意義[1]，在煤直接液化生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生約占原煤量30%的液化殘渣。將煤液化殘渣進行溶劑油萃余得到重質(zhì)油和瀝青是煤液化殘渣深加工的一種途徑，煤液化殘渣及其萃余物是一種高碳、高灰、高硫且成分復(fù)雜的固體混合物，主要含未轉(zhuǎn)化的煤、無機礦物質(zhì)以及煤液化催化劑[2]，氫碳比高、熱值高、利用價值極高，其有效利用不僅可以提高煤液化過程的熱效率和經(jīng)濟性，而且能減少污染物的排放，有效地保護環(huán)境。

目前煤液化殘渣利用途徑主要有氣化、燃燒、熱解三種。方薪暉等[2]和顏井沖等[3]對煤液化殘渣氣化性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)煤液化殘渣氣化性能優(yōu)于原煤，原因是液化殘渣含富集的原煤礦物質(zhì)和煤液化使用的鐵系催化劑，對氣化有一定的催化作用。方磊等[4]對煤液化殘渣的燃燒特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)煤液化殘渣燃燒時活化能較褐煤高，著火溫度較高，燃燒性能良好。盡管實驗證明殘渣作為燃料發(fā)電是可行的，但其環(huán)保性和經(jīng)濟性卻受到人們的質(zhì)疑。殘渣中含有高沸點油類及瀝青類物質(zhì)，通過熱解可回收重質(zhì)油，增加液體產(chǎn)品回收率，但焦炭的利用需考慮殘渣中的礦物質(zhì)和催化劑的影響。神華煤制油化工公司上海研究所[5]采用溶劑萃取方式，將煤液化瀝青分離出來，利用價值得到很大提升，殘渣萃余物剩下的約50%的不可溶物可配煤氣化制氫，實現(xiàn)了煤液化殘渣的高效清潔利用。

煤液化殘渣利用研究還在不斷開展當(dāng)中，大多集中在煤液化殘渣氣化燃燒熱解特性方面。模擬仿真方面的研究，大多集中在煤液化反應(yīng)器的模擬與驗證[6-8]，而基于Aspen Plus將煤液化殘渣萃余物作為原料進行工藝設(shè)計及模擬計算相關(guān)方面的研究工作卻少見報道。

本研究以神華煤直接液化殘渣萃余物為原料，以發(fā)電為目標(biāo)產(chǎn)物，采用Aspen Plus流程模擬軟件分別構(gòu)建了煤液化殘渣萃余物氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、煤液化殘渣萃余物燃燒發(fā)電系統(tǒng)和煤液化殘渣萃余物熱解燃燒發(fā)電系統(tǒng)，并分別對上述三個系統(tǒng)進行能效分析、環(huán)境影響評價和經(jīng)濟性評價，為煤液化殘渣萃余物的綜合高效合理利用提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)描述

1.1 煤液化殘渣萃余物氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

神華煤液化殘渣萃余物的工業(yè)分析及元素分析見表1.煤液化殘渣萃余物氣化發(fā)電過程采用Aspen Plus軟件模擬，流程如圖1所示，系統(tǒng)物性方法選用PR-BM.深冷法是目前可大規(guī)模生產(chǎn)氧氣和氮

表1 神華煤直接液化殘渣萃余物的工業(yè)分析及元素分析

圖1 煤液化殘渣萃余物氣化發(fā)電流程

氣的成熟技術(shù)，并且可以與燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)進行集成，本文對空分制氧單元不做模擬，采用參考文獻中的深冷制氧能耗0.245 kWh/kg[9]進行計算；已有文獻中對煤氣化的模擬采用熱力學(xué)模擬，模擬結(jié)果與實際運行數(shù)據(jù)相符[10]，故本文也采用此方法，即采用RStoic反應(yīng)器和RGibbs反應(yīng)器模擬氣化反應(yīng)過程。在輸入條件一致時，模擬結(jié)果與實際運行結(jié)果對比見表2，模擬結(jié)果可靠[11]。煤液化殘渣萃余物為非常規(guī)組分，進入RStoic反應(yīng)器后按照質(zhì)量平衡分解為常規(guī)組分，在模塊出口各元素均以單質(zhì)形式出現(xiàn)，如C、H2、O2、S、N2，這些常規(guī)組分在RGibbs反應(yīng)器中與空分制的氧氣和水蒸氣發(fā)生氣化反應(yīng)生成高溫合成氣，經(jīng)廢熱鍋爐換熱后進入凈化單元除塵脫硫，凈化的合成氣進入燃?xì)廨啓C燃燒發(fā)電，煙氣進入余熱鍋爐實現(xiàn)熱回收后排放。通常，余熱鍋爐的設(shè)計原則是據(jù)燃?xì)廨啓C的排氣溫度來選擇蒸汽循環(huán)方式。當(dāng)燃?xì)廨啓C排氣溫度低于538 ℃時，不采用再熱循環(huán)方案，但可以是單壓、雙壓或三壓循環(huán)方式。當(dāng)燃?xì)廨啓C排氣溫度高于593 ℃時，則可考慮采用三壓有再熱循環(huán)方式[12]。本文選擇主流F級燃?xì)廨啓C，其燃?xì)馔钙匠鯗貫? 350 ℃、排氣溫度超過600 ℃，因而余熱鍋爐汽水系統(tǒng)選取三壓再熱結(jié)構(gòu)，以提高余熱鍋爐效率。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置見表3.

表2 氣化模型模擬結(jié)果驗證

表3 煤液化殘渣萃余物氣化/燃燒/熱解發(fā)電各單元參數(shù)匯總

1.2 煤液化殘渣萃余物燃燒發(fā)電系統(tǒng)

煤液化殘渣萃余物直接燃燒發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率可參考文獻[12](超臨界燃煤機組的主蒸汽參數(shù)為24.0 MPa/538 ℃/566 ℃)，發(fā)電效率參考為43%，本文不對其進行計算。

在Aspen plus中僅構(gòu)建煤液化殘渣萃余物直接燃燒模型,在燃料充分燃燒的條件下，得到煤液化殘渣萃余物直接燃燒煙氣中污染物的排放量，用于環(huán)境影響評價。

1.3 煤液化殘渣萃余物熱解燃燒發(fā)電系統(tǒng)

李軍等[13]對煤液化殘渣的熱解特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)熱解溫度會影響熱解產(chǎn)物，為了準(zhǔn)確地獲得煤液化殘渣萃余物熱解產(chǎn)物即熱解煤氣、焦油、焦炭各自的產(chǎn)率，本文對煤液化殘渣萃余物的熱解過程進行了實驗，實驗過程如下所述。

采用固定床反應(yīng)器對煤液化殘渣萃余物的熱解產(chǎn)物的產(chǎn)率進行分析，實驗裝置包括氣路部分、加熱爐、石英管反應(yīng)器、程序升溫控制儀、三級冷凝冷卻和氣體分析儀。氣路部分用質(zhì)量流量計對N2流量進行精準(zhǔn)控制，N2用于實驗前吹掃反應(yīng)器中的空氣并且在熱解過程中及結(jié)束后起到保護氣的作用，取煤液化殘渣萃余物樣品5 g置于反應(yīng)器內(nèi)，通N2半小時吹掃反應(yīng)器內(nèi)空氣后，將反應(yīng)器推入加熱爐中，通入N2(流量200 mL/min)，加熱爐以10 ℃/min加熱至900 ℃(由于煤液化殘渣萃余物中揮發(fā)分較少，因此采用高溫?zé)峤?，恒溫30 min.反應(yīng)結(jié)束后對剩余固體進行稱量求得焦炭產(chǎn)率，通過對熱解氣體進行氣相色譜分析可獲得氣體組成，從而求得熱解氣體產(chǎn)率，最后用差減法求得焦油產(chǎn)率，如表4所示。

表4 煤液化殘渣萃余物熱解產(chǎn)物組成

煤液化殘渣萃余物的熱解發(fā)電過程，如圖2所示，熱解反應(yīng)器采用Yield反應(yīng)器模型模擬，熱解產(chǎn)物分布根據(jù)實驗結(jié)果確定。熱解煤氣與焦油以氣態(tài)進入熱回收單元進行冷卻，分離煤氣與焦油，煤氣返回?zé)峤鉅t燃燒與空氣燃燒提供熱解所需熱量，燃燒后的高溫?zé)煔膺M入余熱鍋爐加熱蒸汽發(fā)電，焦炭進入燃煤鍋爐發(fā)電。

圖2 煤液化殘渣萃余物熱解燃燒發(fā)電流程

2 評價方法

2.1 能效評價

系統(tǒng)能效η：

(1)

式中：Wnet為系統(tǒng)發(fā)電凈功率，MW；mtar為輸出的煤液化殘渣萃余物熱解焦油量，kg/s；VLH,tar為煤液化殘渣萃余物熱解焦油的低位熱值，38.37 MJ/kg[14]，僅在煤液化殘渣萃余物熱解燃燒發(fā)電系統(tǒng)具有該產(chǎn)物；mERCLR為輸入的煤液化殘渣萃余物量，kg/s；VLH,ERCLR為煤液化殘渣萃余物的低位熱值，MJ/kg.

2.2 環(huán)境影響評價

對不同煤液化殘渣萃余物發(fā)電路徑進行全球變暖潛值、酸化潛值、富營養(yǎng)化潛值和光化學(xué)煙霧潛值分析。表5為環(huán)境影響分類以及相關(guān)的特征化標(biāo)準(zhǔn)化參考數(shù)值[15]。

表5 環(huán)境影響類型與相關(guān)特征化標(biāo)準(zhǔn)化因子

2.3 經(jīng)濟性評價

單位發(fā)電成本(COE)是比較不同發(fā)電技術(shù)的主要經(jīng)濟指標(biāo)，計算見公式(2)：

(2)

式中：AOC為年度運營成本，CNY；T為電廠年運行小時數(shù)，設(shè)電廠運行率85%；Wnet為系統(tǒng)發(fā)電凈功率，kW。

總投資成本TCI包括固定投資成本(FCI)和營運資本(WC)，采用相關(guān)比例系數(shù)進行計算[16-18]，見表6.使用費用系數(shù)法[19]計算各系統(tǒng)設(shè)備投資，該方法主要是根據(jù)報道以及文獻資料中的投資數(shù)據(jù)計算新系統(tǒng)的設(shè)備投資，表7列出了相關(guān)設(shè)備投資基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。設(shè)備投資C由式(3)計算：

表6 總投資中各組成的比例系數(shù)

表7 設(shè)備投資基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

(3)

式中：Cref為參考設(shè)備投資費用；S為實際生產(chǎn)能力；Sref為參考生產(chǎn)能力；N為規(guī)模指數(shù)。

年度運營成本(AOC)主要根據(jù)表8中各組成所占比例及相關(guān)假設(shè)進行計算[22-23]。

表8 年度運營成本相關(guān)假設(shè)

3 結(jié)果分析

3.1 能效分析

通過對三種工藝過程的性能比較，得出氣化發(fā)電效率最高，燃燒發(fā)電效率最低，如表9所示。煤液化殘渣萃余物氣化將化學(xué)能更多地轉(zhuǎn)化為合成氣，且合成氣經(jīng)燃?xì)廨啓C聯(lián)合發(fā)電效率較高，故煤液化殘渣萃余物氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率較高，為47.5%；而煤液化殘渣萃余物直接燃燒造成較大的不可逆能量損失，故發(fā)電效率較低，為43%；煤液化殘渣萃余物熱解燃燒發(fā)電系統(tǒng)中，熱解煤氣循環(huán)燃燒放熱提供殘渣萃余物熱解所需熱量，發(fā)電效率為45.3%.

表9 三種工藝過程的性能比較

3.2 環(huán)境影響分析

各系統(tǒng)氣體污染物排放量匯總見表10，將相應(yīng)的氣體排放量代入表5中可計算出環(huán)境污染潛值，計算公式見公式(4).

表10 各系統(tǒng)煙氣中污染物排放量

(4)

從圖3可看出，氣化工藝所造成的環(huán)境影響在酸化方面顯著低于燃燒工藝和熱解工藝，原因是煤液化殘渣萃余物在氣化生成粗合成氣后進入除塵脫硫單元，除去合成氣中的H2S，從而降低了煙氣中的SO2排放量。煤液化殘渣萃余物直接燃燒發(fā)電中，燃燒后煙氣中SO2排放量大，酸化潛值較大。熱解產(chǎn)物焦炭含硫量高，燃燒后煙氣中SO2排放量大，酸化潛值較大。與燃燒和熱解相比，煤液化殘渣萃余物氣化發(fā)電對環(huán)境影響最小。三個系統(tǒng)在富營養(yǎng)化方面的環(huán)境影響均較小，氣化工藝中，空分所得氮氣經(jīng)增壓回注到燃?xì)廨啓C中，造成煤液化殘渣萃余物氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電煙氣富營養(yǎng)化影響略高于其他兩種發(fā)電方式。

圖3 三種工藝環(huán)境影響分類特征化比較

由上可知，煤液化殘渣萃余物通過采用煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)可實現(xiàn)液化殘渣萃余物的清潔高效利用，與煤液化殘渣萃余物直接燃燒發(fā)電和煤液化殘渣萃余物熱解燃燒發(fā)電相比，環(huán)保優(yōu)勢顯著。

3.3 經(jīng)濟性分析

從表11可知，煤液化殘渣萃余物氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備單元較多，包括空分制氧、氣化爐、凈化單元、燃?xì)廨啓C、蒸汽輪機和余熱鍋爐，與煤液化殘渣萃余物燃燒發(fā)電相比，設(shè)備成本投資較高，達10.34億，煤液化殘渣萃余物燃燒發(fā)電設(shè)備投資達10.11億。

表11 三種工藝設(shè)備成本投資匯總

在經(jīng)濟評價的基本假設(shè)和電廠AOC被準(zhǔn)確估計的情況下，根據(jù)公式(2)計算得出：煤液化殘渣萃余物氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的單位發(fā)電成本為0.44 CNY/kWh，煤液化殘渣萃余物燃燒發(fā)電系統(tǒng)的單位發(fā)電成本為0.48 CNY/kWh，煤液化殘渣萃余物熱解燃燒發(fā)電系統(tǒng)的單位發(fā)電成本為0.69 CNY/kWh，額外副產(chǎn)低位熱值為55 MW的焦油。

4 結(jié)論

本文對煤直接液化殘渣萃余物的氣化、燃燒和熱解三種利用途徑進行考察，發(fā)現(xiàn)：煤液化殘渣萃余物氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率高，對環(huán)境影響潛值最小，設(shè)備投資較高，但發(fā)電成本低；煤液化殘渣萃余物燃燒發(fā)電效率較低，對環(huán)境影響潛值較大，設(shè)備投資相對較高；煤液化殘渣萃余物熱解燃燒發(fā)電效率高，對環(huán)境影響潛值較大，設(shè)備投資相對較低，發(fā)電成本高。

可見，煤液化殘渣萃余物氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)較另外兩種利用途徑優(yōu)勢顯著，對煤液化殘渣萃余物的回收利用可優(yōu)先考慮煤液化殘渣萃余物氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，不建議采用直接燃燒的方式進行回收利用。

此外，煤液化殘渣萃余物的性質(zhì)在很大程度上受固液分離技術(shù)的影響，需要根據(jù)煤液化殘渣萃余物的組分性質(zhì)選用適合的利用途徑。從技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)保及工程可行性等多角度考慮，將煤液化殘渣萃余物熱解，焦油配入煤油漿，通過加氫可生產(chǎn)高附加值的油品，產(chǎn)品固體焦經(jīng)過氣化可生產(chǎn)富氫氣體，用于煤加氫液化；另外，煤液化殘渣萃余物熱解下游也可考慮多聯(lián)產(chǎn)工藝，如焦炭氣化制化學(xué)品等可進一步提高系統(tǒng)能效。