基于Aspen Plus 的煤部分氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)模擬研究

王勇猛，何勇，朱燕群，王智化

（浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027）

0 引 言

我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量豐富，而且煤炭的開(kāi)發(fā)和使用成本相比其他能源較低，在未來(lái)較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，煤炭在我國(guó)一次能源的生產(chǎn)、消費(fèi)的主體地位不會(huì)發(fā)生根本改變[1]。在2020 年，我國(guó)提出碳達(dá)峰和碳中和的重大戰(zhàn)略目標(biāo)，其中煤炭清潔高效利用是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑，因此發(fā)展煤炭清潔高效利用技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫[2]。煤部分氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)是潔凈煤發(fā)電技術(shù)的一種，該技術(shù)基于煤炭的分級(jí)利用思想，不追求過(guò)高的煤炭轉(zhuǎn)化率，將煤炭中比較容易氣化的部分轉(zhuǎn)化為煤氣后結(jié)合燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)進(jìn)行發(fā)電，不易氣化的半焦部分送入半焦燃燒爐中燃燒，產(chǎn)生的蒸汽用于發(fā)電[3]。

與整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)(Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC) 相 比， 煤部分氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(Portion Gasification Combined Cycle，PGCC)對(duì)煤炭進(jìn)行分級(jí)轉(zhuǎn)化利用，降低了氣化爐的設(shè)計(jì)難度和工藝要求，使氣化爐的投資成本顯著降低，應(yīng)用前景廣闊[4]。PGCC 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究不僅經(jīng)濟(jì)成本高，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。使用Aspen Plus 等化工流程模擬軟件對(duì)煤炭利用過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬成為很多學(xué)者的選擇[5-6]。馬順勤[7]對(duì)IGCC 系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析，分析了氣化系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)變化對(duì)煤氣成分的影響。陳新明[8]構(gòu)建了IGCC 系統(tǒng)模型，研究了有無(wú)燃燒前CO2捕集對(duì)IGCC 系統(tǒng)供電效率等相關(guān)參數(shù)的影響。Zheng L 等[9]通過(guò)模擬研究了四種不同氣化爐的IGCC 裝置的性能，并對(duì)四個(gè)IGCC電廠進(jìn)行了性能分析和比較。葉超[10]構(gòu)建了常壓煤部分氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)和煤加壓部分氣化發(fā)電系統(tǒng)，獲得了碳轉(zhuǎn)化率，蒸汽煤比等對(duì)系統(tǒng)效率的影響及設(shè)備投資性能等參數(shù)，并與IGCC系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比。Ye C 等[11]對(duì)PGCC 系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，對(duì)發(fā)電效率、內(nèi)部收益率、回收期進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算。但目前對(duì)于PGCC 的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究與模擬研究均較少。

本文基于Aspen plus 過(guò)程模擬軟件，構(gòu)建了PGCC，并對(duì)系統(tǒng)的氣化溫度、氣化壓力、氧氣濃度等參數(shù)對(duì)冷煤氣效率、碳轉(zhuǎn)化率、有效氣體分?jǐn)?shù)等參數(shù)的影響進(jìn)行了模擬研究，為后續(xù)的工業(yè)化利用提供數(shù)據(jù)參考。

1 模擬部分

1.1 流程模型建立

本文采用 Aspen Plus V8.4 對(duì)PGCC 進(jìn)行模擬，采用通用性較強(qiáng)的反應(yīng)平衡模型[12]，發(fā)電系統(tǒng)的整體物性方法選擇適合煤氣化應(yīng)用的PR-BM（Peng-Robinson-Boston-Mathias），蒸汽循環(huán)部分的物性方法選擇STEAMNBS[13]。

如圖1 所示，整個(gè)模擬流程主要分為四個(gè)單元，分別是煤部分氣化及半焦燃燒單元、除塵凈化單元、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電單元和蒸汽輪機(jī)發(fā)電單元[5]。采用蒙混煤作為該模擬的設(shè)計(jì)煤種，煤質(zhì)分析見(jiàn)表1，發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)模塊的重要參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

圖1 煤部分氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)模擬流程

表1 煤的工業(yè)分析與元素分析

表2 各個(gè)模塊的重要參數(shù)設(shè)置

1.2 煤部分氣化及半焦燃燒單元

煤的部分氣化涉及的反應(yīng)一般分為煤的裂解和燃燒兩個(gè)過(guò)程。裂解過(guò)程的模擬采用Ryield 模型，主要目的是將煤粉分解轉(zhuǎn)化成單質(zhì)，并將裂解熱傳遞給燃燒模塊。燃燒模塊的模擬采用RGibbs 模型，其根據(jù)Gibbs 自由能最小值原則，進(jìn)行單質(zhì)組分以及氣化劑的反應(yīng)[14]。

煤部分氣化產(chǎn)生的半焦送入燃燒爐中與空氣進(jìn)行反應(yīng)，該模擬采用Rigbbs 模型，燃燒后的出口煙氣送入余熱回收裝置，產(chǎn)生的蒸汽用于發(fā)電。

1.3 除塵凈化單元

煤部分氣化產(chǎn)生的粗煤氣含有大量有害雜質(zhì)，無(wú)法滿(mǎn)足燃?xì)廨啓C(jī)的安全可靠運(yùn)行，所以必須預(yù)先凈化處理粗煤氣。

凈化方法選擇傳統(tǒng)的常溫濕法除塵凈化法，設(shè)備一般包括旋風(fēng)分離器、布袋除塵以及水洗塔。

模擬的流程為：從氣化爐出口的高溫粗煤氣經(jīng)粗煤氣冷卻器后冷卻至400°C，回收的顯熱可產(chǎn)生蒸汽用于發(fā)電；然后經(jīng)粗煤氣/潔凈煤氣換熱器后冷卻至200°C；再進(jìn)入旋風(fēng)分離器中除去絕大多數(shù)粉塵顆粒，除塵后煤氣溫度降至40°C，在此過(guò)程中有大量的煤氣顯熱損失；最后則對(duì)煤氣進(jìn)行H2S 等酸性氣體的脫除[15]。

1.4 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電單元

燃?xì)廨啓C(jī)主要由三部分組成，分別為透平、壓氣機(jī)、燃燒室[16]。本模擬選用三菱公司生產(chǎn)的M701F 燃?xì)廨啓C(jī)，其中壓氣機(jī)采用Compr 模型模擬；燃燒室采用RGibbs 模型模擬；燃?xì)馔钙讲捎肅ompr 模型模擬。

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的過(guò)程為：空氣首先通過(guò)壓氣機(jī)加壓，然后分成兩部分：約17%的壓縮空氣作為冷卻空氣進(jìn)入冷卻器，其他約83%的壓縮空氣進(jìn)入燃燒室與潔凈煤氣混合燃燒，最后冷卻空氣與產(chǎn)生的高溫高壓煙氣一起進(jìn)入透平做功發(fā)電[17]。

1.5 蒸汽輪機(jī)發(fā)電單元

為了提高發(fā)電系統(tǒng)的整體效率，大多數(shù)電廠除了使用燃?xì)廨啓C(jī)外，還使用熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)和蒸汽輪機(jī)，這是一個(gè)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)[18]。

本模擬采用三壓、無(wú)再熱、無(wú)補(bǔ)燃、自然循環(huán)余熱鍋爐。余熱回收裝置采用多物流換熱器MHeatX 模型模擬；使用Compr 模型來(lái)模擬蒸汽輪機(jī)的高壓缸、中壓缸和低壓缸；使用Heater 模型來(lái)模擬凝汽器；使用Pump 模型來(lái)模擬泵。其中高、中、低壓缸的入口壓力分別為12.5、2.8、0.4MPa。

余熱鍋爐的排煙溫度受到露點(diǎn)限制，一般不低于150℃，但本系統(tǒng)中已經(jīng)進(jìn)行酸性氣體脫除，所以排氣溫度不受露點(diǎn)的限制。一般三壓系統(tǒng)的排煙溫度最低，可達(dá)80～100℃，本模擬選取85℃[19]。

1.6 模型驗(yàn)證

1.6.1 煤部分氣化驗(yàn)證

基于浙江大學(xué)實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)搭建的75kg/h煤粉高溫裂解氣化試驗(yàn)平臺(tái)，選取一例核心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證煤部分氣化模型的準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)條件：原料煤種為蒙混煤，給煤量為72kg/h，氣化劑為純氧，給氧量為28m3/h，爐膛壓力為0.1MPa，氣化溫度為1200℃。在相同條件下，利用構(gòu)建的PGCC 模型進(jìn)行數(shù)值模擬，煤部分氣化產(chǎn)生的煤氣成分體積分?jǐn)?shù)的模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 模擬值與試驗(yàn)值的對(duì)比

由表3 可知，CO 的體積分?jǐn)?shù)符合較好，H2與CO2的體積分?jǐn)?shù)誤差稍大。其中由于理想模型對(duì)一些復(fù)雜碳?xì)浠衔锖亢雎圆挥?jì),依據(jù)氫元素平衡以及化學(xué)平衡，H2的含量會(huì)稍高于實(shí)際試驗(yàn)值。CO2的模擬值偏低的原因可能是模型的內(nèi)置反應(yīng)相比于實(shí)際的實(shí)驗(yàn)更為理想化。

模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果雖有誤差，但基本吻合，由此可證明構(gòu)建的煤部分氣化模型可較為準(zhǔn)確地預(yù)估煤部分氣化的相關(guān)數(shù)值，具有一定的參考價(jià)值。

1.6.2 燃?xì)廨啓C(jī)驗(yàn)證

本模擬采用的是三菱公司生產(chǎn)的M701F 燃?xì)廨啓C(jī)[17]。首先使用Aspen plus 模擬軟件中的設(shè)計(jì)規(guī)定功能使模擬中燃?xì)廨啓C(jī)的凈功率接近設(shè)計(jì)給定值，然后輸入該情況下相對(duì)應(yīng)的參數(shù)。該燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電單元的模擬值和設(shè)計(jì)給定值的對(duì)比如表4 所示。

表4 燃?xì)廨啓C(jī)模擬值與設(shè)計(jì)值的對(duì)比

由表4 可知，燃?xì)廨啓C(jī)的凈功率與設(shè)計(jì)給定值之間誤差較小，透平進(jìn)出口溫度以及燃?xì)廨啓C(jī)凈效率等數(shù)據(jù)的模擬值與設(shè)計(jì)值也非常接近，由此可以證明已建立的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電模型的參數(shù)設(shè)置和計(jì)算方法較為可靠，該模型得到的模擬結(jié)果有一定參考意義[20]。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 氣化溫度對(duì)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的影響

部分氣化過(guò)程中熱損失越大，氣化爐內(nèi)的氣化溫度就會(huì)越低。由于氣化溫度無(wú)法直接調(diào)控，所以要探究氣化溫度對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的影響，可以引入熱損失這一參數(shù)，通過(guò)改變熱損失來(lái)調(diào)節(jié)氣化溫度[21]。

選取熱損失從0%～4%中間的8 個(gè)工況進(jìn)行模擬，并且設(shè)定給煤量為100t/h，氧煤比為0.4，氣化壓力為0.1MPa，氣化劑為純氧，模擬結(jié)果如圖2 和圖3 所示。其中冷煤氣效率是指1kg 煤產(chǎn)生的煤氣的熱值與1kg 煤的熱值之比，有效氣體分?jǐn)?shù)是煤氣中CO 與H2在煤氣中體積分?jǐn)?shù)之和。

圖2 氣化溫度（熱損失）對(duì)部分氣化性能的影響

圖3 氣化溫度（熱損失）對(duì)聯(lián)合循環(huán)性能的影響

由圖2 可見(jiàn)，隨著熱損失從0%～4%的逐漸增大，也就是隨著氣化溫度的降低，冷煤氣效率和碳轉(zhuǎn)化率都在逐漸減小，但整體上影響較小，冷煤氣效率從69.6%降低到66.4%，碳轉(zhuǎn)化率從88.3%降低到85.8%；有效氣體分?jǐn)?shù)也逐漸下降，降低幅度為2.5%，原因在于氣化溫度降低導(dǎo)致煤部分氣化反應(yīng)和CO2還原反應(yīng)的減弱[21]。

由圖3 可見(jiàn)，在聯(lián)合循環(huán)性能方面，氣化溫度的變化對(duì)其影響較小。隨著熱損失的增加，燃?xì)廨啓C(jī)凈功率和效率分別減小1MW 和0.15%；蒸汽輪機(jī)凈功率和效率分別減小2.7MW和0.4%。碳轉(zhuǎn)化率的降低會(huì)導(dǎo)致煤氣量變小，熱損失會(huì)使得煤氣熱值變小，最終使得燃?xì)廨啓C(jī)的凈效率略微降低。

因此，在煤粉部分氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的過(guò)程中，盡量保證設(shè)備的密封性，減小熱量損失，可以適量增大發(fā)電效率。

2.2 氣化壓力對(duì)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的影響

煤的部分氣化過(guò)程的影響因素很多，其中氣化壓力的變化會(huì)引起氣化爐內(nèi)反應(yīng)平衡的移動(dòng)，從而對(duì)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。本部分選取0.1MPa 以及氣化壓力從0.5～5MPa 中間的10 個(gè)工況進(jìn)行模擬，并且設(shè)定給煤量為100t/h，氧煤比為0.4，熱損失為2%，氣化劑為純氧，模擬結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

圖4 氣化壓力對(duì)部分氣化性能的影響

圖5 氣化壓力對(duì)聯(lián)合循環(huán)性能的影響

由圖4 可見(jiàn)，隨著氣化壓力從常壓逐漸增大到5MPa，有效氣體分?jǐn)?shù)下降明顯，從98.8%下降到93.2%。其原因是壓力的變化影響到復(fù)雜的煤氣化過(guò)程中各種化學(xué)反應(yīng)的平衡狀態(tài)，如促使C 與CO2反應(yīng)生成CO 的反應(yīng)平衡逆向移動(dòng)，這使得CO 占比減小，還促使甲烷化反應(yīng)即C和H2反應(yīng)生成CH4的反應(yīng)平衡正向移動(dòng)，這使得H2占比減小[14]。這些變化最終又體現(xiàn)在冷煤氣效率以及碳轉(zhuǎn)化率的變化規(guī)律上，冷煤氣效率從69%降低到63.4%，碳轉(zhuǎn)化率從87.8%降低到83.8%。

由圖5 可見(jiàn)，在聯(lián)合循環(huán)性能方面，隨著氣化壓力的增加，燃?xì)廨啓C(jī)的凈功率和效率略微減小，從244.9MW 和34.45%降低到243.4MW 和34.24%，原因在于煤炭中轉(zhuǎn)化為煤氣的那部分碳量減小，有效氣體分?jǐn)?shù)的下降。該結(jié)果又直接造成半焦產(chǎn)量增加，通往余熱鍋爐的熱量變多，進(jìn)而使得蒸汽輪機(jī)的凈功率和效率在0.1～3MPa 區(qū)間呈上升趨勢(shì)，在3～5MPa 區(qū)間趨于穩(wěn)定。整體上煤部分氣化聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電功率從370MW上升到378.7MW，發(fā)電效率從52.05%增加到53.28%。

因此，在煤部分氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的過(guò)程中，綜合考慮經(jīng)濟(jì)條件和設(shè)備能承受的條件下，可以適當(dāng)增大氣化壓力。

2.3 氧氣濃度對(duì)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的影響

煤部分氣化過(guò)程的進(jìn)行需要?dú)饣瘎?，氣化劑的種類(lèi)繁多，常見(jiàn)的有氧氣、蒸汽和空氣等。本文模擬的氣化劑是氧氣，于是氧氣濃度會(huì)對(duì)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。選取空氣（氧氣濃度為21%）以及氧氣濃度從30%～100%中間的8 個(gè)工況進(jìn)行模擬，并且設(shè)定給煤量為100t/h，氧煤比為0.4，熱損失為2%，氣化壓力為常壓0.1MPa，模擬結(jié)果如圖6 和圖7 所示。

圖6 氧氣濃度對(duì)部分氣化性能的影響

圖7 氧氣濃度對(duì)聯(lián)合循環(huán)性能的影響

由圖6 可見(jiàn)，冷煤氣效率和碳轉(zhuǎn)化率在氧氣濃度21%至50%的變化范圍內(nèi)受影響最大，冷煤氣效率增加了7%，碳轉(zhuǎn)化率增加了5.7%。氧氣濃度繼續(xù)增加，冷煤氣效率和碳轉(zhuǎn)化率都趨于穩(wěn)定，原因主要是受煤氣化反應(yīng)的強(qiáng)弱影響。在氧氣濃度從空氣到純氧的變化過(guò)程中，有效氣體分?jǐn)?shù)上升明顯，從48.8%上升到98.8%，變化原因是氣化劑中氮?dú)獾拇嬖跁?huì)影響煤氣的組成，氧氣濃度越高，氮?dú)夂吭降?，這會(huì)導(dǎo)致有效氣組分的占比大大增加[22]。

由圖7 可見(jiàn)，在聯(lián)合循環(huán)性能方面，隨著氧氣濃度從21%逐漸增大到100%，燃?xì)廨啓C(jī)凈功率和效率分別減小35.56MW 和5%，這可能是由于氣體增加使得壓縮機(jī)工作消耗的增加以及燃?xì)廨啓C(jī)出口溫度略微升高導(dǎo)致的燃?xì)廨啓C(jī)功率的降低。蒸汽輪機(jī)凈功率和效率則分別減小18.69MW和2.63%，主要的原因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)的出口氣體溫度略微升高但出口氣體流量明顯變小，導(dǎo)致可回收的熱量降低，限制了蒸汽的生成，于是蒸汽輪機(jī)的凈功率和效率會(huì)減小[22]。

因此，在煤部分氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的過(guò)程中，當(dāng)氧煤比一定的時(shí)候，可以選擇空氣作為氣化劑，這樣不僅經(jīng)濟(jì)方便，還可以增加系統(tǒng)的發(fā)電量。

2.4 煤部分氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果

由上述的氣化溫度、氣化壓力以及氧氣濃度對(duì)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)影響的分析，再利用Aspen plus軟件的優(yōu)化模塊與約束條件模塊，進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化模擬，可以得到優(yōu)化的模擬條件是給煤量為100t/h，氧煤比為0.4，熱損失為1%，氣化壓力為3MPa，氧氣濃度為21%。模擬的結(jié)果參數(shù)如表5 所示?？梢钥闯觯旱牟糠謿饣?lián)合循環(huán)的發(fā)電效率可以達(dá)到59.41%，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的煤粉直燃發(fā)電系統(tǒng)。

表5 系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)

3 結(jié)論

1)隨著氣化溫度的降低，冷煤氣效率、有效氣體分?jǐn)?shù)和碳轉(zhuǎn)化率都呈下降趨勢(shì)；氣化溫度的變化對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的凈功率和效率以及蒸汽輪機(jī)的凈功率和效率都影響較小，兩者都是略微減小。

2)隨著氣化壓力的升高，冷煤氣效率、有效氣體分?jǐn)?shù)和碳轉(zhuǎn)化率三者的下降趨勢(shì)明顯；燃?xì)廨啓C(jī)的凈功率和效率略微減小；蒸汽輪機(jī)的凈功率和效率呈現(xiàn)先上升后穩(wěn)定的趨勢(shì)。

3)隨著氧氣濃度的增加，有效氣體分?jǐn)?shù)上升明顯；冷煤氣效率和碳轉(zhuǎn)化率先增加后趨于穩(wěn)定；燃?xì)廨啓C(jī)的凈功率和效率以及蒸汽輪機(jī)的凈功率和效率都越來(lái)越小。

4)通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化可獲得的最佳條件是熱損失為1%，氣化壓力為3MPa，氧氣濃度為21%，這時(shí)聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率可以達(dá)到59.41%，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的煤粉直燃發(fā)電系統(tǒng)。