基于電解水制氫和生物質(zhì)電廠的電與甲醇聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

王玉亭, 張 鐘, 張淇鈞, 陳 衡, 徐 鋼

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院， 北京 102206)

隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源的需求也愈發(fā)旺盛。長期以來，在中國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中以煤炭、石油和天然氣為主的化石能源占8成以上。中國煤炭資源較為豐富，煤炭在一次能源的生產(chǎn)和消費(fèi)中占比長期超過60%[1]。化石能源的大量使用，導(dǎo)致中國二氧化碳的排放量不斷攀升。2020年9月22日，中國在第75屆聯(lián)合國大會上明確表示，中國的二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，爭取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[2]。

目前，降低碳排放有兩種途徑，即CO2捕獲和利用(CCU)及CO2捕獲和封存(CCS)技術(shù)。其中CCS技術(shù)是將煙氣中的二氧化碳分離、壓縮、輸送到地下深處[3]儲存，以減少大量排放到大氣中的二氧化碳。然而，就捕獲的CO2的安全性和長時(shí)間儲存而言，CCS技術(shù)存在難以避免的缺陷，如運(yùn)輸問題和被儲存的CO2泄漏等問題[4]。而CCU技術(shù)可將捕獲的二氧化碳轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的化學(xué)物質(zhì)，用于生產(chǎn)化學(xué)品和燃料等增值產(chǎn)品，因此受到極大的重視。在CCU技術(shù)中，二氧化碳是廉價(jià)無毒的原料[5]，目前的CCU技術(shù)研究主要集中在通過與氫氣反應(yīng)， 一些研究者研究了CO2和H2的反應(yīng)機(jī)理，提出了使用可再生能源進(jìn)行電解水制氫，并與CO2合成化學(xué)物質(zhì)(如甲醇、天然氣、二甲醚)的方式[6-10]。Shih等[11]提出了“液體陽光”的概念，即利用太陽能、二氧化碳和水合成綠色液體燃料。Grossmann等[12]提出了可再生能源整合的概念，并通過太陽能、風(fēng)能和生物質(zhì)能的耦合，建立了生產(chǎn)乙醇、甲醇、液體燃料和熱能的結(jié)構(gòu)框架。Gon?alves等[13]研究了一種以電化學(xué)為基礎(chǔ)的新技術(shù)，以從液化生物質(zhì)中生成合成燃料，結(jié)果表明，在300 ℃、酸化Y型沸石催化劑用量為4%的條件下，結(jié)果最為理想。

甲醇是多種有機(jī)產(chǎn)品的基本原料和重要的溶劑，且其在常溫下是液態(tài)，是較為容易輸送的清潔能源。甲醇也可以與汽油混合作為汽車燃料，降低中國對石油的依存度。

在中國實(shí)現(xiàn)碳中和遠(yuǎn)景目標(biāo)的過程中，提高可再生能源比例，大力發(fā)展清潔能源是關(guān)鍵。隨著可再生能源使用的增加，由于光伏、風(fēng)電等可再生能源的間歇性特性，不可避免地會產(chǎn)生多余的電力，將水(H2O)分解為氫(H2)和氧(O2)的水電解(WE)可以作為一種合適的儲能方法。生成的氫氣具有超高的單位質(zhì)量能量密度(142 MJ/kg)，可直接作為能量載體使用。然而，氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度非常低，為0.081 3 g/L，這使得它的存儲和運(yùn)輸需要特殊的裝置。因此，像CO2加氫這樣的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程也被認(rèn)為是一種很有前途的CO2工業(yè)利用方法。

生物質(zhì)能源是繼石油、煤炭和天然氣之后的第四大資源，也是唯一的可再生碳資源，是國際上替代化石能源的主要選項(xiàng)。當(dāng)前，以林業(yè)剩余物、木材廢棄物和農(nóng)業(yè)秸稈為代表的農(nóng)林剩余物棄之為害，用之為寶，其轉(zhuǎn)化為能源的潛力為4.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)是目前生物質(zhì)能應(yīng)用方式中最普遍、最有效的方法之一，可以減少有毒有害物質(zhì)的排放，降低污染，改善大氣環(huán)境質(zhì)量[14]。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種以生物質(zhì)富氧燃燒發(fā)電為二氧化碳來源，以電解水制氫為氫氣來源的電與甲醇聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析了系統(tǒng)的能量效率和經(jīng)濟(jì)性。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了氫能的高效安全利用，而且實(shí)現(xiàn)了碳的近零排放和可再生能源的消納，為中國的氫能利用技術(shù)的發(fā)展提供了一定的參考。

1 案例系統(tǒng)介紹

1.1 案例生物質(zhì)機(jī)組介紹

本文提出一種基于電解水制氫和生物質(zhì)電廠的電與甲醇聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，為評估其性能，揭示新系統(tǒng)的先進(jìn)性，以中國北方某生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組為案例進(jìn)行說明與分析，案例機(jī)組生產(chǎn)流程具有一定的典型性，如圖1所示。案例機(jī)組主要由生物質(zhì)鍋爐、汽輪機(jī)及其回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)、給水泵及凝結(jié)水泵動力裝置等組成。

入爐生物質(zhì)燃料成分參數(shù)[15]見表1，相比煤燃料，用于焚燒的生物質(zhì)燃料碳含量較低，熱值較低。純氧與主要成分為CO2的再循環(huán)煙氣以一定比例混合后送入爐膛與生物質(zhì)燃料混合燃燒，排煙經(jīng)布袋除塵脫除污染物后排向煙囪。

表1 案例機(jī)組入爐生物質(zhì)成分

案例機(jī)組的主要參數(shù)見表2。 可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)組凈發(fā)電效率僅32.84%，本研究將會對案例機(jī)組進(jìn)行富氧燃燒改造后的系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析。富氧燃燒方式具有以下幾個(gè)優(yōu)勢[16]： CO2的熱傳導(dǎo)性比氮?dú)飧觾?yōu)良，可以進(jìn)一步地降低排放煙氣的溫度及流量，減少熱量損失，有利于提高系統(tǒng)的效率；由于在燃燒過程中沒有氮?dú)獾膮⑴c，避免了NO的產(chǎn)生，降低了污染物的排放。

表2 案例生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組的主要參數(shù)

1.2 甲醇合成基本流程

甲醇合成基本流程如圖2所示。甲醇合成主要涉及3個(gè)反應(yīng)[17]：

圖2 甲醇合成流程

通常情況下，在甲醇合成過程中，反應(yīng)溫度為200～230 ℃，反應(yīng)壓力為7.9 MPa，氫氣和二氧化碳的摩爾比率為2～3。二氧化碳與氫氣的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，高溫有利于甲醇的合成。因?yàn)槎趸寂c氫氣合成甲醇的單程轉(zhuǎn)化率較低，所以需要加入尾氣循環(huán)。在加入尾氣循環(huán)系統(tǒng)后，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率將提高至94%[18]。

2 系統(tǒng)提出

新型的電與甲醇聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)合電解水系統(tǒng)、生物質(zhì)富氧燃燒電廠和甲醇合成的資源化利用手段，如圖3所示，提出了耦合發(fā)電方案，方案包括生物質(zhì)富氧燃燒電站、電解水系統(tǒng)和甲醇合成系統(tǒng)。

圖3 電與甲醇聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

3 系統(tǒng)分析方法

采用Aspen Plus V11軟件對新方案進(jìn)行仿真，該軟件是一種商用的過程分析模擬器[19]。Aspen Plus基于其嚴(yán)格的熱力學(xué)和物理性質(zhì)數(shù)據(jù)庫，為化學(xué)過程研究提供了方便省時(shí)的建模、集成和優(yōu)化方法[20-21]。

3.1 模型驗(yàn)證

通過將仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[22]中年產(chǎn)30萬t的甲醇合成系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了上述甲醇合成過程的模型準(zhǔn)確性，見表3。顯然，計(jì)算結(jié)果與目標(biāo)值較為接近，這表明仿真模型是準(zhǔn)確和可靠的。

表3 甲醇合成流程模擬結(jié)果與生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比

3.2 能量評價(jià)指標(biāo)

本文采用生物質(zhì)電廠發(fā)電效率、電到甲醇轉(zhuǎn)化效率、系統(tǒng)能量效率來衡量整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能。

生物質(zhì)富氧燃燒電廠的發(fā)電效率可以表示為[23]

(1)

式中：Mb為生物質(zhì)燃料的質(zhì)量，kg；Pe為生物質(zhì)富氧燃燒電廠的發(fā)電量，MW;LHVb為生物質(zhì)燃料的低位發(fā)熱量，MJ/kg。

電到甲醇的轉(zhuǎn)化效率可以表示為

(2)

式中：Mm為生產(chǎn)的甲醇的質(zhì)量，kg；LHVm為甲醇的低位發(fā)熱量，MJ/kg；E為電解水所需的電能，MJ。

系統(tǒng)綜合能量效率可以表示為

(3)

3.3 經(jīng)濟(jì)性評價(jià)指標(biāo)

本文使用動態(tài)回收周期(DPP，年)與凈現(xiàn)值(NPV,元)作為經(jīng)濟(jì)性評價(jià)指標(biāo)[24-25]。

(4)

(5)

式中：n為項(xiàng)目的生命周期，年；y為機(jī)組生命周期中的年份；Cin和Cout為在第y年的現(xiàn)金流入和現(xiàn)金流出，元；idis為貼現(xiàn)率。

4 結(jié)果與討論

4.1 電與甲醇聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的主要參數(shù)

通過Aspen Plus的仿真，計(jì)算得出了所提出的電與甲醇聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的參數(shù)。所提出的一種電與甲醇聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中電解水工藝的參數(shù)見表4。

表4 新系統(tǒng)電解水工藝基本參數(shù)

生物質(zhì)富氧燃燒所得的煙氣與電解水所得的氫氣混合后經(jīng)過壓縮機(jī)進(jìn)入甲醇合成系統(tǒng)前的參數(shù)見表5。多級壓縮機(jī)的參數(shù)見表6。

表5 甲醇合成物料成分

表6 多級壓縮機(jī)參數(shù)

4.2 熱力學(xué)第一定律分析

對常規(guī)方案和所提出的一種電與甲醇聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了對比評估，結(jié)果見表7。假設(shè)生物質(zhì)富氧燃燒電廠的參數(shù)不變。由于耦合設(shè)計(jì)，新方案的凈發(fā)電效率從32.84%提升至51.98%。顯然，所提系統(tǒng)中綜合能量效率大幅提高。

表7 常規(guī)系統(tǒng)和所提方案的性能對比

對所提方案中存在的特定能量流動進(jìn)行研究，以進(jìn)一步闡明提出的方案的能效機(jī)制。如圖4所示，所提方案的總能量輸入包括燃料能量輸入和電能輸入。當(dāng)生物質(zhì)燃料的26.36 MW化學(xué)能被送入常規(guī)生物質(zhì)富氧燃燒電廠時(shí)，產(chǎn)生8.65 MW電功率，發(fā)電效率僅為32.84%。然而，在所提系統(tǒng)中，由于富氧燃燒所產(chǎn)生的煙氣較少，因而排煙損失降低，機(jī)組發(fā)電功率提升至9.45 MW，提升幅度0.80 MW，發(fā)電效率達(dá)到了35.85%，提升幅度為3.01%。此外，54.12 MW電能轉(zhuǎn)化為了32.38 MW的甲醇化學(xué)能，電到甲醇的轉(zhuǎn)化效率為59.84%。最終，改造后系統(tǒng)的綜合能量效率提高了19.15%。

圖4 新型電與甲醇聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能流圖

4.3 經(jīng)濟(jì)性分析

由于生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)及甲醇合成工藝已經(jīng)較為成熟，故基于生物質(zhì)電廠進(jìn)行改造。本文采用規(guī)模因子法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，當(dāng)需要估算不同規(guī)模的甲醇生產(chǎn)裝置成本時(shí)需要參考基準(zhǔn)機(jī)組。每個(gè)設(shè)備的成本根據(jù)式(6)進(jìn)行換算。

(6)

式中：cost1為換算后新設(shè)備成本，元；cost2為基準(zhǔn)設(shè)備的成本，元；size1為現(xiàn)有設(shè)備的參數(shù)；size0為基準(zhǔn)設(shè)備的參數(shù)；n為不同設(shè)備的比例系數(shù)。

甲醇合成的基準(zhǔn)設(shè)備和現(xiàn)有設(shè)備的參數(shù)、比例因子及投資見表8。

表8 甲醇合成設(shè)備的成本構(gòu)成[26]

此系統(tǒng)的投資主要包括投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本。其中投資成本包括投資成本和貸款利息等費(fèi)用[27]，根據(jù)計(jì)算可得新型電與甲醇聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的投資達(dá)9 613.48萬元。運(yùn)行維護(hù)成本中除電力費(fèi)用隨電價(jià)變化外，取生物質(zhì)燃料價(jià)格為540.72元/t，工業(yè)用水價(jià)格為4.1元/t，則年運(yùn)行成本961.35萬元，年生物質(zhì)燃料成本1 724.88萬元，年用水成本22.55萬元。

收入主要來源于甲醇和可再生能源電力的售賣。經(jīng)濟(jì)性分析的基本數(shù)據(jù)見表9。

表9 經(jīng)濟(jì)性分析基本參數(shù)

當(dāng)在施工期間，項(xiàng)目的現(xiàn)金流Cin為零。在運(yùn)行年限中時(shí)，每年的現(xiàn)金流入Cin可以表示為[28]

Cin=PeNCe+MmNCm

(7)

式中Pe為生物質(zhì)富氧燃燒電廠的發(fā)電功率，MW;N為系統(tǒng)的年運(yùn)行時(shí)間，h；Ce為生物質(zhì)發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)，元/(kW·h)；Mm為每小時(shí)的甲醇產(chǎn)量，t/h;Cm為甲醇的售賣價(jià)格，元/t。

在建設(shè)期間項(xiàng)目現(xiàn)金流出等于建設(shè)期的投資，在運(yùn)行年限中時(shí)年度的現(xiàn)金流出量Cout可以表示為[28]

Cout=Cy+Clr+Cit

(8)

式中：Cy為運(yùn)營和維護(hù)成本，元；Clr為一年內(nèi)的貸款償還，元；Cit為所得稅，元。

Clr和Cit可以分別用式(9)和式(10)表示。

(9)

式中：Ctic為項(xiàng)目總投資,元;k為貸款比率,%;i為利率,%;z為貸款期限,年。

Cit={Cin-Clr[1-(1+i)-(1+z-n)]-Cy}r

(10)

式中：n為運(yùn)行年限的年數(shù)；r為運(yùn)行年限內(nèi)的所得稅率，%。

將表9的數(shù)據(jù)代入式(6)～式(10)進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過計(jì)算所得的經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果見表10。可知當(dāng)電價(jià)為0.1元/(kW·h)時(shí)動態(tài)回收周期為1.38年，凈現(xiàn)值為32 446.49萬元。當(dāng)電價(jià)為0.2元/(kW·h)時(shí)動態(tài)回收周期為3.47年，凈現(xiàn)值為14 211.82萬元。當(dāng)電價(jià)為0.3元/(kW·h)時(shí)無法盈利。

表10 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果

5 結(jié)論

1)本文提出的技術(shù)路線通過耦合電解水系統(tǒng)、生物質(zhì)電廠和甲醇合成系統(tǒng)組成了新型電與甲醇聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。從源頭上可以平抑光伏發(fā)電產(chǎn)生的較大峰谷差，從終端上生物質(zhì)電廠可以產(chǎn)生綠色電力，甲醇合成工廠可以生產(chǎn)零碳的甲醇，減少二氧化碳的排放，實(shí)現(xiàn)了綠色清潔的目標(biāo)。

2)系統(tǒng)分析后可知，此系統(tǒng)中生物質(zhì)電廠的功率由8.65 MW增加到了9.45 MW，每年生產(chǎn)的甲醇產(chǎn)量為32 163.47 t。生物質(zhì)電廠的發(fā)電效率由32.84%增加到了35.85%；電到甲醇的轉(zhuǎn)化效率為59.84%；系統(tǒng)綜合能量效率為51.98%。

3)通過經(jīng)濟(jì)性分析可知，此系統(tǒng)的動態(tài)回收周期為3.47年，凈現(xiàn)值為14 211.82萬元。