于志勇¹，王新剛²，吳高磊²，朱子民³，盧荻⁴，陳衡⁴

（1.國網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊830063；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊830011；3.國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊830013；4.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206）

　　摘要：為充分利用生物質(zhì)資源，提出了與燃煤機(jī)組和超臨界二氧化碳循環(huán)的生物質(zhì)氣化系統(tǒng)概念，該系統(tǒng)的生物質(zhì)氣化利用過程與燃煤機(jī)組及超臨界二氧化碳循環(huán)的高度耦合。合成氣經(jīng)二氧化碳冷卻后，經(jīng)凈化后送入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒。煙氣經(jīng)燃?xì)廨啓C(jī)，超臨界二氧化碳循環(huán)，鍋爐給水逐步回收熱量，提升了生物質(zhì)的利用率，進(jìn)而提高了發(fā)電效率。以660MW燃煤機(jī)組和16t/h生物質(zhì)氣化爐為例，通過對(duì)系統(tǒng)仿真，對(duì)其進(jìn)行了熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性分析。結(jié)果表明，所提出的耦合系統(tǒng)引入了46.66MW的生物質(zhì)能，額外發(fā)出了21.09MW功率，生物質(zhì)能效率可達(dá)45.20%，效率可達(dá)41.67%，可充分利用生物質(zhì)中能量。系統(tǒng)凈現(xiàn)值約40468萬元，且約需2.94a即可收回成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

　　0引言

　　為減少對(duì)化石燃料的依賴，滿足不斷增長的能源需求和減少溫室氣體的排放，具有可再生潛力替代能源被給予極大關(guān)注[1]。可再生能源中，風(fēng)能及太陽能具有對(duì)天氣依賴?發(fā)電不穩(wěn)定等明顯缺點(diǎn)。生物質(zhì)作為可再生能源的一種，不受上述缺點(diǎn)影響，同時(shí)其儲(chǔ)量和分布豐富。截至2020年底，我國生物質(zhì)能發(fā)電總裝機(jī)容量約29500MW。生物質(zhì)資源主要包括木材?秸稈?廢紙?糞便等，相較化學(xué)燃料具有可再生和碳中性的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

　　生物質(zhì)氣化是生物質(zhì)利用熱效率最高的一種技術(shù)[2]。然而，生物質(zhì)的利用效率仍存在重大挑戰(zhàn)，生物質(zhì)的有效開發(fā)至關(guān)重要[3]。目前生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目存在包括項(xiàng)目收益嚴(yán)重依賴補(bǔ)貼的問題，使煤改生物質(zhì)熱電等聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目成為發(fā)展方向[4]。已有大量工作致力于對(duì)生物質(zhì)氣化的發(fā)電系統(tǒng)改進(jìn)。葉菲等[5]以一臺(tái)8t/h生物質(zhì)氣化爐和350MW煤熱電機(jī)組相耦合，分析了3種不同方法下耦合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)耦合后具有明顯優(yōu)勢(shì)。吳創(chuàng)之等[6]對(duì)比容量為2和6MW的生物質(zhì)氣化發(fā)電站，認(rèn)為盡管6MW規(guī)模下投資成本較高，但其整體效率提高，經(jīng)濟(jì)性較好。馬雨晨等[7]基于Aspen Plus軟件，分析生物質(zhì)氣化和燃?xì)廨啓C(jī)集成的發(fā)電系統(tǒng)，認(rèn)為加壓氣化系統(tǒng)可提升系統(tǒng)凈效率，而燃?xì)廨啓C(jī)溫比的效果則呈負(fù)相關(guān)。ZHENG等[8]對(duì)玉米乙醇廠和生物質(zhì)氣化聯(lián)合循環(huán)進(jìn)行模擬，基于最大限度提高發(fā)電量的目的，對(duì)燃料?汽輪機(jī)壓比?干燥器等對(duì)系統(tǒng)效率進(jìn)行分析。SUBOTIC等[9]關(guān)注了生物質(zhì)氣化系統(tǒng)和高溫固體氧化物燃料電池相耦合的系統(tǒng)，分析認(rèn)為考慮了系統(tǒng)集成和最高的燃料利用率后，操作溫度750℃時(shí)，進(jìn)行熱氣體清洗是最有利的配置。

　　與其他動(dòng)力循環(huán)或系統(tǒng)集成是提高生物質(zhì)氣化發(fā)電性能的一種選擇[10]。然而，基于生物質(zhì)氣化的發(fā)電與超臨界二氧化碳（Super-critical CO₂，S-CO₂）循環(huán)和燃煤電站相結(jié)合的研究較少。生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電通過燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐利用生物質(zhì)中能量。燃?xì)廨啓C(jī)出口煙氣用于為余熱鍋爐加熱并過熱蒸汽。另一方面，超臨界二氧化碳循環(huán)具有較高循環(huán)效率的，其工作溫度范圍較寬，但在較低溫度熱能利用能力不高，對(duì)于500℃以下的熱源溫度，S-CO₂循環(huán)失去循環(huán)性能優(yōu)勢(shì)[11]，需結(jié)合其他系統(tǒng)進(jìn)一步利用。因此，若想進(jìn)一步提高生物質(zhì)氣化利用的整體效率，使用超臨界二氧化碳循環(huán)代替余熱鍋爐利用高品位熱能，并通過加熱電站給水的方式利用低品位熱能，在提高生物質(zhì)利用效率的同時(shí)，減少電站抽汽，促進(jìn)耦合系統(tǒng)效率提升。

　　筆者旨在開發(fā)一種系統(tǒng)耦合方案，有效利用由生物質(zhì)氣化獲得的合成氣。該方案將基于燃燒的合成氣發(fā)電過程與S-CO₂循環(huán)和燃煤機(jī)組鍋爐的給水預(yù)熱系統(tǒng)集成。生物質(zhì)氣化爐出口的粗合成氣首先被二氧化碳和給水流回收能量。經(jīng)凈化后，合成氣送入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒發(fā)電，高溫?zé)煔饧訜酳-CO₂循環(huán)和燃煤機(jī)組的部分給水。通過系統(tǒng)的集成，合成氣中能量依次被燃?xì)廨啓C(jī)?S-CO₂循環(huán)和電站蒸汽朗肯循環(huán)逐步利用并轉(zhuǎn)化為電能。因此，生物質(zhì)發(fā)電效率大幅提升。以660MW燃煤機(jī)組為參考，從熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度評(píng)估耦合系統(tǒng)。通過能量分析和分析探討性能提升的內(nèi)在機(jī)理，為改善生物質(zhì)的利用提供借鑒。

　　1系統(tǒng)描述

　　耦合系統(tǒng)將生物質(zhì)氣化的發(fā)電過程與S-CO₂循環(huán)和燃煤蒸汽發(fā)電循環(huán)高度集成如圖1所示（圖中序號(hào)為流股序號(hào)）。該方案涉及生物質(zhì)氣化子系統(tǒng)?燃?xì)廨啓C(jī)子系統(tǒng)?S-CO₂循環(huán)子系統(tǒng)，熱回收子系統(tǒng)和燃煤機(jī)組。生物質(zhì)能通過子系統(tǒng)逐步得到利用。

　　從生物質(zhì)氣化子系統(tǒng)獲得的合成氣被S-CO₂循環(huán)的二氧化碳流和燃煤機(jī)組的一股給水流冷卻。冷卻后的合成氣經(jīng)凈化塔凈化。凈化后合成氣經(jīng)SGC4冷卻后與加壓空氣一同壓入燃燒室，燃燒生成高溫?zé)煔猓瑤?dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)做功。燃?xì)廨啓C(jī)高溫排氣送入二氧化碳高溫?fù)Q熱器（High Tem?perature Reheater，HTR）中加熱二氧化碳流，過熱的二氧化碳流驅(qū)動(dòng)二氧化碳汽輪機(jī)（Carbon Dioxide Turbine，CDT）發(fā)電。煙氣冷卻器（Flue Gas Cooler，F(xiàn)GC）1出口的煙氣在空氣預(yù)熱器中加熱氣化劑空氣。隨后，煙氣在FGC2和FGC3中加熱燃煤機(jī)組的給水，最終煙氣經(jīng)燃煤機(jī)組煙囪排出。

　　在當(dāng)前設(shè)計(jì)方案中，系統(tǒng)耦合了一個(gè)含再壓縮過程的S-CO₂循環(huán)。S-CO₂循環(huán)是由合成氣和燃?xì)廨啓C(jī)排氣的熱能驅(qū)動(dòng)。經(jīng)熱回收后，二氧化碳流在合成氣冷卻器（Syngas Cooler，SGC）1和FGC1中分別吸收了合成氣和煙氣中的熱量。二氧化碳分別在二氧化碳冷卻器（Carbon Dioxide Cooler，CDC）1和CDC2中冷卻。燃煤機(jī)組是系統(tǒng)耦合的基礎(chǔ)，為各子系統(tǒng)提供不同溫度的給水。燃煤機(jī)組鍋爐的給水加熱過程與粗合成氣冷卻過程?燃?xì)廨啓C(jī)排氣冷卻過程和二氧化碳冷卻過程有機(jī)結(jié)合。因此，熱能由粗合成氣?燃?xì)廨啓C(jī)排氣和超臨界二氧化碳中轉(zhuǎn)移到給水中，有助于減少加熱給水所需抽汽量。節(jié)約這部分抽汽將繼續(xù)在汽輪機(jī)后續(xù)級(jí)中膨脹，并產(chǎn)生更多電力。

　　通過燃?xì)廨啓C(jī)?S-CO₂循環(huán)和蒸汽朗肯循環(huán)，合成氣的能量得到充分利用。所提出設(shè)計(jì)方案中，燃?xì)廨啓C(jī)和S-CO₂循環(huán)的發(fā)電量及燃煤機(jī)組額外的發(fā)電量均可歸于基于氣化生物質(zhì)發(fā)電過程。

　　2系統(tǒng)模擬

　　2.1熱力系統(tǒng)建模

　　在Aspen Plus和EBSILON Professional平臺(tái)上模擬系統(tǒng)。生物質(zhì)氣化子系統(tǒng)通過Aspen Plus建模。Aspen Plus根據(jù)可靠的熱力學(xué)數(shù)據(jù)?實(shí)際操作條件和嚴(yán)格的設(shè)備模型，基于質(zhì)量和能量守恒?相態(tài)和化學(xué)平衡以及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等條件約束系統(tǒng)中的反應(yīng)過程[12]。燃?xì)廨啓C(jī)子系統(tǒng)?S-CO₂子系統(tǒng)?熱回收子系統(tǒng)和燃煤機(jī)組通過EBSILON Professional進(jìn)行建模。EBSILON Professional是一個(gè)可高精度模擬熱力學(xué)循環(huán)過程的應(yīng)用程序。由于其廣泛的靈活性，可模擬幾乎所有熱力學(xué)循環(huán)過程[13]。

　　2.2系統(tǒng)參數(shù)

　　2.2.1660MW案例燃煤機(jī)組

　　以中國北方燃煤發(fā)電機(jī)組為案例機(jī)組和典型的生物質(zhì)氣化爐作為研究對(duì)象分析，如圖2所示。案例機(jī)組消耗煤炭72.72kg/s，鍋爐效率為92.50%，總功率660MW。計(jì)入5.5%的廠用電率，電廠凈發(fā)電量為623.7MW，發(fā)電效率達(dá)43.71%。電廠具有8個(gè)回?zé)崞鳎≧eheater，RH），案例機(jī)組的回?zé)嵯到y(tǒng)參數(shù)見表1。

　　2.2.2生物質(zhì)氣化爐

　　氣化可高效利用生物質(zhì)能源，應(yīng)用廣泛，且能量轉(zhuǎn)化效率高[14]。以玉米秸稈為原料，利用循環(huán)流化床氣化爐進(jìn)行研究，其具有良好的混合能力和較大的傳熱速率。氣化爐入爐生物質(zhì)元素分析和工業(yè)分析見表2。

　　由于玉米秸稈的含水量較高，含碳量較低，燃料的低位熱值只有10500kJ/kg。生物質(zhì)氣化爐的主要參數(shù)見表3。在設(shè)計(jì)工況下，2.22kg/s生物質(zhì)與4.11kg/s空氣同時(shí)提供給爐膛，粗合成氣產(chǎn)量為6.23kg/s。同時(shí)，氣化爐產(chǎn)生并排出0.11kg/s熔融狀渣。生產(chǎn)的合成氣低位熱值為2702kJ/kg，氣化爐整體氣化效率為72%。

　　2.2.3模型驗(yàn)證

　　模型搭建后，對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見表4。生物質(zhì)氣化爐?燃煤電站和燃?xì)廨啓C(jī)基于其設(shè)計(jì)值，S-CO₂循環(huán)則基于文獻(xiàn)進(jìn)行校核，可知最大誤差不超過1%，模型可靠。

　　3分析方法

　　4結(jié)果與討論

　　4.1耦合系統(tǒng)的參數(shù)

　　4.1.1生物質(zhì)氣化子系統(tǒng)

　　生物質(zhì)氣化爐的參數(shù)由其設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中獲得。氣化爐產(chǎn)生原始合成氣含有雜質(zhì)，需在冷卻后進(jìn)行清潔。合成氣冷卻器的參數(shù)見表5。

　　在SGC1中，從HTR流出的二氧化碳流將合成氣由750.0℃降至398.7℃。同時(shí)，二氧化碳被加熱617.7℃，然后輸送至CDT。在SGC2和SGC3中，從燃煤機(jī)組的RH3入口和RH7入口抽取了一股給水流，進(jìn)一步冷卻合成氣至150℃。隨后，合成氣在清潔設(shè)備脫除焦油?灰分等雜質(zhì)。清潔合成氣的組分和參數(shù)見表6。在SGC4進(jìn)一步被冷卻至62.9℃后，合成氣被壓縮，并送入燃燒室燃燒。各SGC的冷卻水被送回機(jī)組再熱系統(tǒng)，節(jié)約汽輪機(jī)抽汽，發(fā)出更多電量。

　　4.1.2燃?xì)廨啓C(jī)子系統(tǒng)

　　離開SGC4時(shí)，清潔的合成氣被輸送到燃?xì)廨啓C(jī)子系統(tǒng)。燃?xì)廨啓C(jī)子系統(tǒng)的參數(shù)見表7。

　　燃燒室空氣和合成氣的進(jìn)料量分別為20.14和12.43kg/s。燃燒產(chǎn)生1194.7℃高溫?zé)煔猓瑤?dòng)燃?xì)廨啓C(jī)做功，產(chǎn)生16.94MW發(fā)電量。燃?xì)廨啓C(jī)出口煙氣首先被用來加熱超臨界二氧化碳。

　　4.1.3超臨界二氧化碳循環(huán)子系統(tǒng)

　　超臨界二氧化碳循環(huán)從粗合成氣和燃?xì)廨啓C(jī)排氣中吸收熱量。二氧化碳?jí)嚎s機(jī)?再壓縮機(jī)和相應(yīng)的二氧化碳汽輪機(jī)的參數(shù)見表8。由文獻(xiàn)[22]可知超臨界二氧化碳循環(huán)壓力在7.40~25.00MPa，2臺(tái)二氧化碳?jí)嚎s機(jī)的等熵效率設(shè)為80%。二氧化碳汽輪機(jī)等熵效率為90%[15]，在驅(qū)動(dòng)2臺(tái)壓縮機(jī)的同時(shí)驅(qū)動(dòng)二氧化碳發(fā)電機(jī)，并產(chǎn)生4.56MW電力。

　　超臨界二氧化碳循環(huán)子系統(tǒng)中設(shè)置了2臺(tái)換熱器回收利用CO₂汽輪機(jī)出口S-CO₂中熱量，其參數(shù)見表9。離開CO₂汽輪機(jī)的CO₂流通過上述2臺(tái)換熱器后，出口CO₂溫度由452.2℃降至124.9℃。大部分低溫?fù)Q熱器出口的CO₂被二氧化碳冷卻器進(jìn)一步冷卻。二氧化碳冷卻器參數(shù)見表10。從燃煤機(jī)組取來的給水和冷卻水分別用于冷卻CDC1和CDC2中的CO₂。最后，CO₂冷卻至32.0℃[23]。

　　4.1.4余熱回收子系統(tǒng)

　　燃?xì)廨啓C(jī)排氣中剩余的可用熱能被熱回收子系統(tǒng)回收利用。煙氣經(jīng)過FGC1-3和空氣預(yù)熱器冷卻，其參數(shù)詳見表11。經(jīng)換熱器回收熱量后，煙氣溫度降至80℃。最終，煙氣經(jīng)燃煤機(jī)組煙囪排出。

　　4.2能量分析結(jié)果

　　耦合系統(tǒng)方案的能量性能見表12，并與案例燃煤機(jī)組比較。在新設(shè)計(jì)中，燃煤機(jī)組進(jìn)料不變，而生物質(zhì)進(jìn)料量為4.44kg/s。由于燃?xì)廨啓C(jī)子系統(tǒng)?S-CO₂循環(huán)子系統(tǒng)和燃煤機(jī)組產(chǎn)生了額外的發(fā)電量，耦合系統(tǒng)的總發(fā)電量增加了32.02MW。考慮到輔助功率的增量，凈輸出功率提高了22.49MW。這部分功率可視為在煤炭發(fā)電效率不變的條件下由生物質(zhì)產(chǎn)生。耦合系統(tǒng)的生物質(zhì)發(fā)電能效率達(dá)45.20%，系統(tǒng)能效率提升0.2%。耦合系統(tǒng)可將生物質(zhì)能高效轉(zhuǎn)化為電能。

　　對(duì)比分析提出概念中的詳細(xì)能流，以檢查系統(tǒng)中高效率的內(nèi)在機(jī)理。在耦合后，系統(tǒng)中出現(xiàn)了更多的能量流（圖3）。燃煤輸入的能量保持固定（1505.24MW），且被設(shè)定為基準(zhǔn)值（100%）。在系統(tǒng)耦合后，生物質(zhì)能送入系統(tǒng)46.66MW（3.10%）能量。生物質(zhì)原料在氣化爐中轉(zhuǎn)化為合成氣，46.58MW的生物質(zhì)能量送入合成氣中。

　　合成氣中包含的24.86MW能量通過燃?xì)廨啓C(jī)被利用，同時(shí)，合成氣中6.07MW熱能和7.23MW熱能分別由二氧化碳流和給水流輸入S-CO₂循環(huán)和燃煤機(jī)組。燃?xì)廨啓C(jī)和S-CO₂循環(huán)中發(fā)出了16.70和9.13MW電量，且蒸汽輪機(jī)的做功增加了6.25MW。當(dāng)燃煤機(jī)組的輔助功率不變時(shí)，改造后的燃煤機(jī)組可產(chǎn)生6.19MW額外凈電量。與案例燃煤機(jī)組相比，由于集成了基于生物質(zhì)氣化的發(fā)電過程，所提系統(tǒng)可多產(chǎn)生21.09MW凈功率。

　　4.3分析結(jié)果

　　對(duì)耦合系統(tǒng)方案和案例燃煤機(jī)組中的詳細(xì)流和損耗進(jìn)行研究見表13，并評(píng)估了其表現(xiàn)。與單一燃煤機(jī)組相比，混合系統(tǒng)中的進(jìn)煤率保持不變，因此煤炭輸入的保持不變，且被設(shè)為基準(zhǔn)（100%）。由于生物質(zhì)的引入，系統(tǒng)輸入了額外50.60MW（3.30%）的。因此，總的能量輸出增加了21.09MW。生物質(zhì)氣化?燃?xì)廨啓C(jī)?煙氣冷卻和S-CO₂循環(huán)子系統(tǒng)分別產(chǎn)生了10.61?11.87?1.88和2.39MW的額外損失。燃煤機(jī)組的損失略上升，這是因?yàn)橄到y(tǒng)耦合減少了抽汽量，并使這部分抽汽在后續(xù)級(jí)中繼續(xù)做功。生物質(zhì)氣化的發(fā)電輔助設(shè)備需要額外的11.16MW廠用電。系統(tǒng)耦合后產(chǎn)生了21.09MW額外發(fā)電量。煤發(fā)電效率保持40.73%的條件下，生物質(zhì)發(fā)電的效率可達(dá)41.67%。

　　4.4經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果

　　經(jīng)濟(jì)性分析的基本參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[5，24-26]確定，見表14。系統(tǒng)的生命周期為25a，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為7300h。每年的運(yùn)維成本占建設(shè)成本的10%。當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)價(jià)格為280元/t，生物質(zhì)發(fā)電價(jià)格為750元/MWh。貼現(xiàn)率設(shè)為10%。

　　基于生物質(zhì)氣化的發(fā)電項(xiàng)目的成本如圖4所示。項(xiàng)目投資總額約為5760萬元，其中生物質(zhì)氣化?燃?xì)廨啓C(jī)?二氧化碳循環(huán)和熱回收子系統(tǒng)的成本分別約為1255萬元（21.79%）?2046萬元（35.52%）?1375萬元（23.88%）和1083萬元（18.80%）。

　　項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益見表15。年生物質(zhì)燃料購買成本約3270萬元，運(yùn)維費(fèi)用約576萬元。年凈發(fā)電155.64GWh，凈利潤約7826萬元。項(xiàng)目建設(shè)周期2a，建設(shè)成本約5760萬元，需要約2.94a收回投資。項(xiàng)目生命周期25a，預(yù)期凈現(xiàn)值約40468萬元。

　　生物質(zhì)成本上浮20%時(shí)，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益見表16。年生物質(zhì)燃料購買成本約3924萬元，凈利潤約7173萬元。項(xiàng)目需要約3.04a可收回投資。預(yù)期凈現(xiàn)值約36378萬元。由此可見，耦合系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)可行性，且在生物質(zhì)成本變動(dòng)時(shí)具有較好盈利能力。

　　5結(jié)論

　　1）本研究耦合系統(tǒng)概念將S-CO₂循環(huán)?基于生物質(zhì)氣化的發(fā)電系統(tǒng)和燃煤機(jī)組有機(jī)結(jié)合，充分利用系統(tǒng)中低品位能量，有效利用生物質(zhì)能。

　　2）生物質(zhì)氣化爐引入了46.66MW的生物質(zhì)能，并發(fā)出21.09MW凈功率。在不影響煤電產(chǎn)量660MW的情況下，生物質(zhì)發(fā)電能效率可達(dá)45.20%，耦合系統(tǒng)總的發(fā)電效率提升至41.59%。

　　3）生物質(zhì)燃料的為50.60MW，生物質(zhì)發(fā)電效率可達(dá)41.67%，耦合系統(tǒng)的效率從40.73%提升至40.75%。

　　4）項(xiàng)目生命周期為25a，考慮到建設(shè)周期2a，需總投資約5760萬元，凈現(xiàn)值約40468.08萬元，約2.94a即可回收成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。