垃圾焚燒發(fā)電耦合電轉(zhuǎn)氣制備合成天然氣工藝集成與優(yōu)化

張玉黎，葉茂，肖睿，葛立超

（1 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100；2 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，遼寧 大連 116023；3 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096）

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市迅速擴(kuò)張，我國(guó)城市生活垃圾量持續(xù)增長(zhǎng)，年產(chǎn)量已超過2億噸，由此帶來的環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重。對(duì)垃圾進(jìn)行資源化處理，不僅能解決環(huán)境污染問題，還可為社會(huì)提供能源保障。垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的垃圾處理方法，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)垃圾資源化、無害化和減量化處理。但垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)存在兩個(gè)問題。其一，垃圾焚燒伴隨著溫室氣體排放。Christensen 等統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，垃圾發(fā)電廠排煙中的CO約有39%來源于化石能源（垃圾中的塑料、化纖布料等為化石能源制品），剩余來源于可視為零排放的生物碳源，因此CO排放量較為可觀。其二，電廠能效偏低。垃圾焚燒生成的煙氣中含有大量腐蝕性物質(zhì)，這些物質(zhì)會(huì)使鍋爐受熱面、煙道等發(fā)生高溫腐蝕。為了防止高溫腐蝕，大部分電廠選用中溫中壓鍋爐，導(dǎo)致凈發(fā)電效率只有20%左右。為早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，在垃圾利用過程中，需探尋降低CO排放和提高能源轉(zhuǎn)化效率的方法。

我國(guó)可再生能源發(fā)電裝機(jī)比例已超40%，裝機(jī)總量位居世界第一。由于可再生能源的波動(dòng)性和間歇性，棄電現(xiàn)象較為嚴(yán)重。電轉(zhuǎn)氣技術(shù)是一種具有良好應(yīng)用前景的儲(chǔ)能方法，可將冗余電能轉(zhuǎn)化成合成天然氣（SNG）儲(chǔ)存起來，避免了資源浪費(fèi)。電轉(zhuǎn)氣過程利用可再生能源棄電電解水獲得H，接著將H和碳源（CO/CO）通過甲烷化反應(yīng)制備成易于儲(chǔ)存的合成天然氣，見式(1)、式(2)。

火力發(fā)電廠CO排放量巨大，若從火力發(fā)電廠排煙中捕集CO作為電轉(zhuǎn)氣過程的碳源，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模CO減排和儲(chǔ)能。由式(1)可知，水電解反應(yīng)副產(chǎn)O，若用O替代空氣作為助燃劑進(jìn)入火電廠鍋爐，可實(shí)現(xiàn)富氧燃燒。富氧燃燒產(chǎn)物主要為CO和HO，還有少量O和微量雜質(zhì)。當(dāng)其作為電轉(zhuǎn)氣過程的碳源時(shí)，可省去高能耗的CO捕集過程。以100MW燃煤機(jī)組為例，若要實(shí)現(xiàn)氧氣完全替代空氣，水電解裝置需要消耗700MW 左右冗余電能?？紤]到可再生能源發(fā)電的間歇性，長(zhǎng)時(shí)間提供700MW 容量電能偏離實(shí)際。垃圾焚燒電廠與燃煤電廠相比，單臺(tái)機(jī)組容量非常小，在可再生能源高占比場(chǎng)景下，有望實(shí)現(xiàn)垃圾富氧焚燒和電轉(zhuǎn)氣過程相集成。Rispoli等研究了垃圾富氧焚燒發(fā)電耦合電轉(zhuǎn)氣制備合成天然氣過程，由于垃圾焚燒發(fā)電效率低、甲烷化反應(yīng)熱利用率低、水電解裝置效率低的影響，此工藝過程能源轉(zhuǎn)化效率偏低。本文試圖從優(yōu)化垃圾焚燒發(fā)電和高效利用甲烷化反應(yīng)熱兩方面入手，以提高上述耦合工藝能效。

甲烷化反應(yīng)是一個(gè)強(qiáng)放熱反應(yīng)，對(duì)反應(yīng)熱進(jìn)行高效利用可有效提升電轉(zhuǎn)氣技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。針對(duì)垃圾焚燒發(fā)電效率低的問題，研究者們提出在垃圾焚燒鍋爐外加置過熱器或再熱器來提高蒸汽參數(shù)和優(yōu)化蒸汽循環(huán)發(fā)電過程。受此啟發(fā)，本文提出采用甲烷化反應(yīng)熱作為外部熱源來優(yōu)化垃圾焚燒發(fā)電過程。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)優(yōu)化過程，還設(shè)計(jì)了一套由一級(jí)絕熱固定床反應(yīng)器和一級(jí)低溫流化床反應(yīng)器串聯(lián)組成的甲烷化工藝。絕熱固定床反應(yīng)器出口氣體氣溫高，便于從中回收高品位反應(yīng)熱來優(yōu)化蒸汽循環(huán)過程。流化床反應(yīng)器低溫操作有利于甲烷化反應(yīng)進(jìn)行，進(jìn)而保證合成天然氣品質(zhì)。

本文借助Aspen Plus對(duì)垃圾富氧焚燒耦合電轉(zhuǎn)氣制備合成天然氣工藝進(jìn)行了全流程模擬，基于能量平衡分析，對(duì)工藝進(jìn)行了集成和優(yōu)化，驗(yàn)證了借助甲烷化反應(yīng)熱優(yōu)化垃圾焚燒發(fā)電過程的可行性，并探索了焚燒爐煙氣再循環(huán)方式對(duì)整體工藝能效的影響。

1 工藝流程

圖1為垃圾富氧焚燒發(fā)電與電轉(zhuǎn)氣耦合制備合成天然氣工藝示意圖，其中包括水電解、垃圾焚燒發(fā)電、煙氣脫氧和甲烷化四個(gè)單元。水電解裝置將水電解為氫氣和氧氣；氧氣進(jìn)入垃圾焚燒爐與垃圾混合燃燒生成高溫?zé)煔?，高溫?zé)煔庥酂岜换厥债a(chǎn)出過熱蒸汽，過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；焚燒爐排煙和氫氣一起進(jìn)入脫氧裝置，氫氣與煙氣中的氧氣反應(yīng)生成水；脫氧后的煙氣和另一股氫氣一起進(jìn)入甲烷化裝置發(fā)生甲烷化反應(yīng)；甲烷化反應(yīng)熱和脫氧反應(yīng)熱被引入垃圾焚燒發(fā)電單元，利用這兩股熱量來優(yōu)化垃圾焚燒發(fā)電過程為本文的研究重點(diǎn)。本文選用圖2典型垃圾焚燒發(fā)電廠作為參考電廠，并在參考電廠工藝流程基礎(chǔ)上進(jìn)行上述工藝模擬和優(yōu)化。

圖1 垃圾焚燒發(fā)電耦合電轉(zhuǎn)氣技術(shù)制備合成天然氣工藝示意圖

1.1 典型垃圾焚燒發(fā)電廠

圖3 為對(duì)應(yīng)圖2 中垃圾焚燒發(fā)電過程所建立的工藝過程模擬流程圖，具體工藝參數(shù)和垃圾成分分析分別見表1 和表2。由于垃圾水含量高，需對(duì)一次風(fēng)和二次風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱后的空氣有助于垃圾干燥和提高爐膛溫度，進(jìn)而保證垃圾高效燃燒。因?yàn)槔贌傻臒煔庵泻写罅扛g性物質(zhì)（如HCl和SO），煙氣溫度過高或過低時(shí)皆易造成換熱面腐蝕。為了避免低溫腐蝕，垃圾焚燒發(fā)電廠排煙溫度較高（180～220℃）。若采用傳統(tǒng)煙氣空氣預(yù)熱器，將導(dǎo)致其他受熱面附近煙氣溫度升高，高溫腐蝕隨之發(fā)生。因此，垃圾焚燒發(fā)電廠一般采用外置式蒸汽空氣預(yù)熱器。如圖3 所示，蒸汽流（A5和A8）從汽包和汽輪機(jī)中抽出，進(jìn)入空氣預(yù)熱器（1～3） 預(yù)熱一次風(fēng)（3） 和二次風(fēng)（7），將一次風(fēng)和二次風(fēng)分別加熱到220℃和160℃后，凝結(jié)成疏水（A17～A19）匯入除氧器。垃圾與空氣混合燃燒生成的高溫?zé)煔猓ˋ6）經(jīng)脫銷后，依次吹掃過蒸發(fā)面（4換熱器）、過熱器（5換熱器）和省煤器（6換熱器），逐步將鍋爐給水（A1）加熱成過熱蒸汽（A6）；省煤器（6）出口低溫?zé)煔饨?jīng)煙氣冷卻器（7）冷卻到合適溫度后進(jìn)入脫硫、除塵單元；凈化后的煙氣（15）經(jīng)引風(fēng)機(jī)升壓排空。過熱蒸汽（A6）經(jīng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。做完功的乏汽（A11）在凝汽器內(nèi)被冷卻水充分冷卻為凝結(jié)水（A12），凝結(jié)水經(jīng)凝結(jié)水泵送入低壓加熱器，被汽輪機(jī)抽汽（A10）加熱至50℃，再經(jīng)除氧器除氧后重新作為鍋爐給水，形成一個(gè)汽水循環(huán)過程。鍋爐汽水側(cè)和風(fēng)煙側(cè)壓降分別為1MPa和0.006MPa。

表1 典型垃圾焚燒發(fā)電廠運(yùn)行參數(shù)

表2 入爐垃圾成分分析（收到基，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）[25]

圖2 典型垃圾焚燒發(fā)電廠示意圖（參考電廠）

1.2 垃圾富氧焚燒過程

垃圾焚燒發(fā)電與電轉(zhuǎn)氣工藝相耦合時(shí)，水電解裝置副產(chǎn)的氧氣將替代空氣進(jìn)入垃圾焚燒爐。圖4為在圖3參照電廠基礎(chǔ)上改造后的垃圾富氧焚燒工藝過程模擬流程圖。垃圾富氧焚燒過程入爐垃圾量、碳燃盡率、爐膛出口煙溫、排煙溫度以及各種輔機(jī)參數(shù)同參考電廠。

圖3 典型垃圾焚燒發(fā)電廠工藝過程模擬流程圖

為防止?fàn)t溫過高，富氧燃燒需采用煙氣再循環(huán)工藝，排煙中部分煙氣和氧氣混合后作為一次風(fēng)和二次風(fēng)送入焚燒爐中。如圖4(a)所示，除塵器出口煙氣（13）首先進(jìn)入換熱器和煙氣冷卻器被冷卻到40℃，其后煙氣進(jìn)入氣液分離器，氣液分離后干煙氣（16）中一部分（17）送入電轉(zhuǎn)氣裝置，另一部分（18）被加熱到100℃后由再循環(huán)風(fēng)機(jī)送回焚燒爐中，此種煙氣再循環(huán)方式被稱為煙氣干循環(huán)工藝。如圖4(b)所示，除塵器出口煙氣（15）一部分直接由再循環(huán)風(fēng)機(jī)送回焚燒爐中，該過程稱為煙氣濕循環(huán)工藝，剩余煙氣（14）被冷卻到40℃，移除冷凝液后送入電轉(zhuǎn)氣裝置（17）。為保證垃圾充分燃燒和抑制腐蝕，垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)規(guī)定焚燒爐出口煙氣（圖4 中物流9）中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)不能低于6%（濕基），本文設(shè)定值為6.1%。過程模擬時(shí)，通過調(diào)節(jié)氧氣進(jìn)氣量和煙氣再循環(huán)量，將爐膛火焰溫度調(diào)節(jié)到與參考電廠一致，并保證爐膛出口煙氣中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)為6.1%。此外，一次風(fēng)和二次風(fēng)溫設(shè)定為220℃。

圖4 垃圾富氧焚燒工藝過程模擬流程圖

1.3 電轉(zhuǎn)氣過程和熱量集成方法

圖5 電轉(zhuǎn)氣過程工藝過程模擬流程圖

為兼顧甲烷化反應(yīng)熱品味和合成天然氣質(zhì)量，本研究設(shè)計(jì)了一套由一級(jí)絕熱固定床反應(yīng)器和一級(jí)低溫流化床反應(yīng)器串聯(lián)組成的甲烷化工藝，如圖5所示。第一級(jí)反應(yīng)器為絕熱固定床反應(yīng)器，操作壓力為2.0MPa。甲烷化反應(yīng)的強(qiáng)放熱特性將導(dǎo)致絕熱固定床反應(yīng)器內(nèi)床層有較大溫升，因此反應(yīng)器出口氣溫高。出口氣溫越高，越有利于熱量高效回收，但為避免溫度過高導(dǎo)致催化劑燒結(jié)失活，需采用部分氣體再循環(huán)來調(diào)控絕熱固定床反應(yīng)器出口溫度。固定床反應(yīng)器出口高溫氣體（7）被熱量回收系統(tǒng)充分回收熱量后，進(jìn)入冷卻器被冷卻到35℃，移除冷凝水后部分（13）經(jīng)再循環(huán)壓縮機(jī)升壓后與氫氣（3）混合進(jìn)入固定床反應(yīng)器，通過調(diào)節(jié)循環(huán)氣量將固定床反應(yīng)器出口（7）氣溫調(diào)整到640℃。氣流（12）進(jìn)入第二級(jí)反應(yīng)器，第二級(jí)反應(yīng)器為低溫流化床反應(yīng)器，操作壓力和溫度分別為1.7MPa和330℃，低溫操作有助于獲得高品質(zhì)合成天然氣。設(shè)定流化床反應(yīng)器內(nèi)布置換熱管束，換熱管束作為補(bǔ)充蒸發(fā)受熱面，副產(chǎn)與鍋爐蒸發(fā)面同參數(shù)飽和蒸汽。目前商業(yè)化的甲烷化工藝皆采用多級(jí)串聯(lián)固定床反應(yīng)器（3～5級(jí)），本研究設(shè)計(jì)絕熱固定床和流化床反應(yīng)器相匹配的方式，可避免采用多級(jí)反應(yīng)器，大幅簡(jiǎn)化了工藝流程。

本工藝通過熱量回收系統(tǒng)（見圖4 和圖5 所示），對(duì)垃圾富氧焚燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂碗娹D(zhuǎn)氣過程副熱進(jìn)行熱量集中回收利用，用以提升主蒸汽溫度和壓力。根據(jù)蒸汽循環(huán)發(fā)電特性可知，提高蒸汽參數(shù)可有效提高發(fā)電效率。因此，設(shè)定主蒸汽參數(shù)由400℃/4MPa提升至510℃/10MPa，同時(shí)增添再熱器設(shè)計(jì)。

2 模擬方法

本文采用Aspen Plus 軟件對(duì)圖3～圖5所示工藝流程進(jìn)行了過程模擬。垃圾焚燒過程物性方法為RKS-BM，電轉(zhuǎn)氣過程物性方法為PR-BM，汽水系統(tǒng)物性方法為STEAM-TA。關(guān)鍵單元模擬方法如下。

圖6 垃圾焚燒爐具體模擬方法

（2）煙氣脫硝采用SNCR技術(shù)，以氨水作為還原劑，與NO 和NO發(fā)生反應(yīng)生成N和HO。采用化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器（RStoic）模塊模擬脫硝過程，脫硝效率設(shè)定為85%。

（3）煙氣脫硫采用干法脫硫技術(shù)，以NaHCO作為脫硫劑吸收酸性氣體，采用化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器（RStoic）模塊模擬脫硫過程。由于甲烷化催化劑容易硫中毒，實(shí)際應(yīng)用過程中需對(duì)煙氣嚴(yán)格脫硫。當(dāng)垃圾硫含量較高時(shí)，可能需要采用半干法、干法和濕法脫硫相結(jié)合的方式才能達(dá)到精脫硫目的。本文著重點(diǎn)是熱量集成與優(yōu)化，為了簡(jiǎn)化工藝，只采用干法脫硫，通過調(diào)整脫硫反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，將排煙中硫含量調(diào)整到5mg/kg 以下。脫硫后除塵過程用SSplit模塊實(shí)現(xiàn)。

（4）鍋爐受熱面和工藝中涉及的換熱器皆采用HeatX 模塊。汽輪機(jī)采用Compr 模塊中的渦輪機(jī)模型，等熵效率為0.8，機(jī)械效率為0.99。各類風(fēng)機(jī)采用Compr模塊中的壓縮機(jī)模型，等熵效率為0.8，機(jī)械效率為0.99。給水泵、凝結(jié)水泵和循環(huán)水泵采用Pump模塊，泵效率為0.8，驅(qū)動(dòng)效率為0.99。多級(jí)壓縮機(jī)采用MCompr 模塊，等熵效率為0.72，級(jí)間冷凝液移除后進(jìn)入下一級(jí)。

（5）對(duì)電轉(zhuǎn)氣過程進(jìn)行流程模擬時(shí)，脫氧反應(yīng)器和甲烷化反應(yīng)器皆采用吉布斯反應(yīng)器（RGibbs）模塊，脫氧反應(yīng)器和第一級(jí)絕熱固定床流化床反應(yīng)器采用絕熱模型，低溫流化床甲烷化反應(yīng)器采用等溫模型。

3 工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)

工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)由如下參數(shù)組成。

（1）典型垃圾焚燒發(fā)電廠（參考電廠）凈發(fā)電效率見式(3)。

式中，為參考電廠總發(fā)電量；為參照電廠輔機(jī)總能耗；?為入爐垃圾流量；LHV為垃圾低位熱值。

（2）集成工藝中發(fā)電單元凈發(fā)電效率見式(4)。

式中，為集成工藝總發(fā)電量；為集成工藝中發(fā)電過程涉及的輔機(jī)總能耗；∑為蒸汽在電轉(zhuǎn)氣過程中吸收的總熱量。

（3）集成工藝整體效率見式(5)。

式中，為水電解裝置電耗；為電轉(zhuǎn)氣化過程涉及的輔機(jī)總能耗；?為合成天然氣流量；LHV為合成天然氣低位熱值。

4 結(jié)果分析和討論

4.1 典型垃圾焚燒發(fā)電廠

依據(jù)表1 和表2 中工藝參數(shù)，對(duì)圖3 中500t/d典型垃圾焚燒發(fā)電廠工藝流程進(jìn)行了模擬，結(jié)果詳見表3。鍋爐過熱器出口蒸汽流量為48.4t/h，參數(shù)為400℃/40bar（1bar=10Pa）。過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，總發(fā)電量為10.27MW，扣除輔機(jī)（包括一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、給水泵、凝結(jié)水泵和循環(huán)水泵）能耗1.34MW，凈發(fā)電量為8.93MW，根據(jù)式(3)可計(jì)算出凈發(fā)電效率為22.05%，可見能量轉(zhuǎn)化效率偏低。中國(guó)北方某500t/d垃圾焚燒發(fā)電廠凈發(fā)電效率為21.65%，該電廠中垃圾熱值（收到基低位熱值為7000kJ/kg）和主蒸汽參數(shù)皆與本文相同，由于垃圾成分組成、汽輪機(jī)排汽壓力、汽輪機(jī)抽汽點(diǎn)位置等參數(shù)與本文有少許差別，凈發(fā)電效率略低于本文模擬值。

除了主蒸汽參數(shù)低，排煙溫度高和垃圾水含量高也是導(dǎo)致垃圾焚燒發(fā)電廠效率低的兩個(gè)因素。為避免煙氣中酸性氣體造成換熱面低溫腐蝕，垃圾焚燒爐排煙溫度一般不低于180℃（本文給定排煙溫度為190℃），此外，我國(guó)城市生活垃圾中水含量較高（見表2），兩者皆導(dǎo)致垃圾焚燒鍋爐排煙損失增大，鍋爐能效降低。

4.2 垃圾富氧焚燒過程

依據(jù)參考電廠模擬結(jié)果，對(duì)圖4所示垃圾富氧焚燒過程進(jìn)行了模擬。模擬過程中，通過調(diào)節(jié)氧氣進(jìn)料量和再循環(huán)煙氣量，將富氧焚燒爐膛出口煙氣溫度和氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分別調(diào)節(jié)至1050℃（與參考電廠相同，見表3）和6.1%。模擬結(jié)果表明，煙氣再循環(huán)形式變化時(shí)，氧氣進(jìn)料量將隨之改變，煙氣干循環(huán)工藝和濕循環(huán)工藝對(duì)應(yīng)氧氣進(jìn)料量分別為350.16t/d和384.24t/d。氧氣進(jìn)入焚燒爐與垃圾混合焚燒，焚燒過程消耗的氧氣量是固定的，過剩氧氣將隨排煙離開焚燒爐。表4列出了送往電轉(zhuǎn)氣單元煙氣（圖4中物流17）的主要組成成分，由于煙氣濕循環(huán)工藝中氧氣進(jìn)料量較高，進(jìn)入電轉(zhuǎn)氣單元的氧氣量同樣較高。

表3 圖3工藝流程模擬結(jié)果

4.3 電轉(zhuǎn)氣過程

由表4 可知，送往電轉(zhuǎn)氣單元煙氣（圖4 中物流17）中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)較高。因此，在加氫反應(yīng)之前，脫氧步驟必不可少。將垃圾焚燒爐排煙作為電轉(zhuǎn)氣過程的輸入，對(duì)電轉(zhuǎn)氣過程進(jìn)行了過程模擬。表5和表6為電轉(zhuǎn)氣過程所涉及反應(yīng)器進(jìn)出口物流成分組成。固定床反應(yīng)器出口氣溫高達(dá)640℃，受熱力學(xué)平衡的限制，固定床反應(yīng)器中只有部分反應(yīng)氣體轉(zhuǎn)化成甲烷，其出口氣體達(dá)不到管道氣標(biāo)準(zhǔn)。本文采用低溫流化床反應(yīng)器（330℃）作為補(bǔ)充反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)了將大部分H和CO轉(zhuǎn)化成合成天然氣。產(chǎn)品氣（SNG）成分分析如表7 所示，以DB65/T 3664—2014 煤制天然氣技術(shù)指標(biāo)作為參照，可知產(chǎn)品氣品質(zhì)符合國(guó)家管道氣標(biāo)準(zhǔn)。

表4 進(jìn)入電轉(zhuǎn)氣單元煙氣主要組成成分

表5 電轉(zhuǎn)氣過程物流組成（煙氣干循環(huán)，對(duì)應(yīng)圖5，體積分?jǐn)?shù)）

表6 電轉(zhuǎn)氣過程物流組成（煙氣濕循環(huán)，對(duì)應(yīng)圖5，體積分?jǐn)?shù)）

表7 SNG成分分析（體積分?jǐn)?shù)）

由于絕熱固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器之間設(shè)置了氣體冷卻和氣液分離裝置，固定床反應(yīng)器出口氣體中大部分蒸汽將被冷凝移除，這將導(dǎo)致再循環(huán)氣體和流化床反應(yīng)器進(jìn)口氣體中水含量較低、甲烷含量較高，催化劑積炭的風(fēng)險(xiǎn)增大。然而，脫氧反應(yīng)器中氫氣與煙氣中的氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)生成蒸汽，當(dāng)脫氧后的煙氣與再循環(huán)氣體以及氫氣混合進(jìn)入固定床反應(yīng)器時(shí)，可保證反應(yīng)器進(jìn)口氣體含有一定份額的蒸汽，進(jìn)而降低催化劑積碳風(fēng)險(xiǎn)。采用煙氣濕循環(huán)工藝時(shí)，進(jìn)入脫氧反應(yīng)器的氧氣量較大，脫氧反應(yīng)生成的水量相應(yīng)增大，因此固定床反應(yīng)器進(jìn)口氣體中水含量較高，有利于提高催化穩(wěn)定性。流化床反應(yīng)器易于實(shí)現(xiàn)催化劑在線再生，當(dāng)催化劑積炭失活時(shí)，可通過增設(shè)再生反應(yīng)器來保證工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。綜上所述，本文提出的雙級(jí)反應(yīng)器甲烷化工藝切實(shí)可行。

4.4 工藝集成和優(yōu)化過程

基于能量平衡分析，垃圾富氧焚燒發(fā)電耦合電轉(zhuǎn)氣制備合成天然氣工藝集成優(yōu)化具體方法如圖7所示，工藝物流平衡詳見表8。如圖7 所示，給水A1 分成A2 和A3 兩部分。A2 依次經(jīng)過鍋爐省煤器（6換熱器）和蒸發(fā)受熱面（4換熱器），吸熱成為飽和蒸汽A5。A3進(jìn)入電轉(zhuǎn)氣單元，分成兩股，一股進(jìn)入10換熱器吸熱成為飽和蒸汽A8-1，一股進(jìn)入流化床反應(yīng)器內(nèi)置換熱管束吸熱成為飽和蒸汽A8-1。匯集上述三股飽和蒸汽，從中抽取A7送入空氣預(yù)熱器（1換熱器），并將剩余部分A6送入過熱器（5換熱器）。A6在過熱器中吸熱成為過熱蒸汽A9。緊接著，A9 被送入2換熱器，吸收絕熱固定床反應(yīng)器出口高溫?zé)煔庵械臒崃?，最終形成參數(shù)為510℃/10MPa 的過熱蒸汽A10。過熱蒸汽A10 進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸，膨脹做功后進(jìn)入再熱器。再熱器（3換熱器）借助脫氧反應(yīng)器出口高溫氣體，將高壓缸排汽溫度提升至400℃，再熱后的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)低壓缸繼續(xù)膨脹做功。原蒸汽循環(huán)過程和優(yōu)化后循環(huán)過程見圖8，優(yōu)化后的循環(huán)過程中蒸汽平均吸熱溫度顯著增高，同時(shí)，蒸汽再熱后汽輪機(jī)排汽濕度降低，有助于降低濕汽損失。

圖8 理想蒸汽循環(huán)過程（忽略抽汽過程）

表8 圖7工藝流程物流平衡

圖7 垃圾富氧焚燒耦合電轉(zhuǎn)氣過程工藝流程圖（煙氣干循環(huán)）

由圖9中工藝能流平衡圖可知，將電轉(zhuǎn)氣過程副產(chǎn)反應(yīng)熱用于優(yōu)化垃圾焚燒發(fā)電后，發(fā)電單元凈發(fā)電量從8.93MW分別提升至18.18MW（煙氣干循環(huán)）和20.26MW（煙氣濕循環(huán)）。由圖9和式(4)可計(jì)算出凈發(fā)電效率從22.05%分別提升至30.67%（煙氣干循環(huán)）和31.72%（煙氣濕循環(huán)），有效驗(yàn)證了利用甲烷化反應(yīng)熱優(yōu)化垃圾焚燒發(fā)電過程的設(shè)想。

目前最先進(jìn)的低溫水電解裝置系統(tǒng)電耗約4.3kWh/m，選其作為本文水電解裝置工藝參數(shù)，根據(jù)工藝耗氫量可計(jì)算出水電解裝置電耗。如圖9所示，發(fā)電單元凈發(fā)電量中一小部分被電轉(zhuǎn)氣過程中輔機(jī)消耗，另一部分被水電解裝置消耗。水電解裝置剩余電耗由可再生能源棄電提供，煙氣干循環(huán)工藝和濕循環(huán)工藝分別消耗121.37MW 和127.90MW 可再生能源棄電。煙氣濕循環(huán)工藝中進(jìn)入電轉(zhuǎn)氣單元的氧流量較高，脫氧過程消耗的氫氣量相應(yīng)增大，因此煙氣濕循環(huán)工藝中水電解裝置電耗較高。兩種工藝獲得的產(chǎn)品氣（SNG）能量皆為75.96MW，可計(jì)算出集成工藝效率分別為46.93%（煙氣干循環(huán)）和45.11%（煙氣濕循環(huán)）。因此，采用煙氣干循環(huán)工藝時(shí)有助于提升能量轉(zhuǎn)化效率。

圖9 工藝能流圖

根據(jù)工藝耗氫量，可計(jì)算出水電解裝置副產(chǎn)氧氣量分別為546.62t/d（煙氣干循環(huán)）和580.72t/d（煙氣濕循環(huán)）。上述兩種工藝，垃圾富氧焚燒用氧量分別為350.16t/d和384.24t/d，因此氧氣過剩量較大。這說明本工藝具有潛在的高靈活性和調(diào)節(jié)性：在大容量棄電時(shí)段，可將煙氣中CO完全轉(zhuǎn)化成合成天然氣，過剩氧氣可作為產(chǎn)品對(duì)外售賣以提高工藝經(jīng)濟(jì)性；在小容量棄電時(shí)段，水電解裝置只提供垃圾富氧焚燒需氧量，此時(shí)可將煙氣中部分CO轉(zhuǎn)化成合成天然氣。

5 結(jié)論

為了提高能源轉(zhuǎn)化效率，本文借助Aspen Plus軟件對(duì)垃圾富氧焚燒發(fā)電耦合電轉(zhuǎn)氣技術(shù)制備合成天然氣過程進(jìn)行了全流程模擬和工藝集成優(yōu)化，得到以下結(jié)論。

（1）本文設(shè)計(jì)的雙級(jí)甲烷化工藝不僅有助于甲烷化反應(yīng)熱的高效回收和利用，還能產(chǎn)出高品質(zhì)合成天然氣。

（2）利用甲烷化反應(yīng)熱優(yōu)化垃圾焚燒發(fā)電過程后，發(fā)電量提升了一倍以上，發(fā)電效率從22.05%提升至30%以上。

（3）考察垃圾焚燒爐煙氣再循環(huán)方式影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，與煙氣濕循環(huán)相比，采用煙氣干循環(huán)時(shí)工藝能效較高。

（4）以煙氣干循環(huán)工藝為例，當(dāng)入爐垃圾為500t/h 時(shí)，若要將排煙中CO完全轉(zhuǎn)化成合成天然氣，水電解裝置消耗可再生能源棄電容量為121.37MW，要長(zhǎng)時(shí)間提供如此大的穩(wěn)定電源，只有在高比例可再生能源發(fā)電場(chǎng)景下才切實(shí)可行。