吳海峰^1，2，劉佳維¹，劉啟斌²

（1.北京建筑大學(xué)北京市建筑能源高效綜合利用工程技術(shù)研究中心，北京100044；2.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京100190）

　　摘要：提出一種太陽能驅(qū)動生物質(zhì)氣化的動力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，利用聚光太陽能驅(qū)動生物質(zhì)熱化學(xué)氣化反應(yīng)，生成的合成氣在合成反應(yīng)單元中被轉(zhuǎn)化為天然氣，未反應(yīng)的合成氣直接用于聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電。該文對系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)性能分析，探究了氣化溫度和水煤氣轉(zhuǎn)換單元對系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明系統(tǒng)的一次能源效率為44.63%，產(chǎn)物中合成天然氣和發(fā)電量之比為3.56。隨著氣化溫度升高，系統(tǒng)的合成天然氣產(chǎn)量和一次能源效率均減少；而水煤氣轉(zhuǎn)換單元有益于提高天然氣的合成效率和系統(tǒng)的綜合性能。

　　0引言

　　隨著“煤改氣”政策全面推廣，大量的分布式能源和燃?xì)夤┡到y(tǒng)相繼建成，天然氣消耗量快速增加，但天然氣資源匱乏威脅著用戶的用能安全[1-2]。合成天然氣（synthesis naturalgas，SNG）被認(rèn)為是確保供氣安全的一種重要途徑，中國煤和生物質(zhì)資源豐富，分布廣泛，煤和生物質(zhì)是較為理想的合成原料[3]。但與生物質(zhì)相比，煤的氫元素含量低，氣化后生成的合成氣中H₂/CO比值較低，不利于甲烷的合成反應(yīng)。氣化是生物質(zhì)制取合成天然氣過程中的關(guān)鍵技術(shù)[4]。常規(guī)的氣化技術(shù)采用生物質(zhì)燃燒提供生物質(zhì)氣化反應(yīng)熱，消耗25%~40%的生物質(zhì)原料，致使生物質(zhì)的有效利用率偏低，生物質(zhì)燃燒副產(chǎn)物中CO₂濃度大，不利于系統(tǒng)下游的化學(xué)產(chǎn)品，如天然氣、甲醇、乙醇、乙二醚等合成[5]。為緩解這種弊端，聚光太陽能可替代生物質(zhì)燃燒提供生物質(zhì)氣化反應(yīng)熱，太陽能被轉(zhuǎn)化為合成氣化學(xué)能，加強(qiáng)了太陽能能量品質(zhì)和利用靈活性。

　　氣化產(chǎn)生的合成氣可被多種化工動力系統(tǒng)高效利用，但合成氣是一種低熱值的富氫燃料[4，5-6]，可被直接燃燒，但不能與現(xiàn)有的設(shè)備（燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)）良好匹配。合成氣轉(zhuǎn)換為天然氣是解決這一難題的有效途徑。因此，為緩解中國天然氣資源短缺，本文提出一種由太陽能和生物質(zhì)驅(qū)動制合成天然氣和發(fā)電的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

　　1多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)流程

　　與常規(guī)氣化技術(shù)相比，太陽能替代生物質(zhì)燃燒來滿足氣化過程中熱量溫的需求，改善了生物質(zhì)的利用效率，同時太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，提高了太陽能的能量品位。本文以合成氣為原料制取合成天然氣，構(gòu)建了一套動力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，如圖1所示。

　　系統(tǒng)主要由5個子系統(tǒng)組成——太陽能驅(qū)動生物質(zhì)氣化單元、水煤氣轉(zhuǎn)換單元、合成天然氣單元、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、余熱回收。生物質(zhì)顆粒物與液態(tài)水同時送入太陽能塔式氣化爐，定日鏡場聚光高溫太陽能（800~1500℃）驅(qū)動生物質(zhì)與水蒸汽發(fā)生氣化反應(yīng)。所產(chǎn)高溫合成氣的顯熱被煙氣鍋爐回收產(chǎn)生蒸汽，其可用于發(fā)電或下游的轉(zhuǎn)換反應(yīng)，冷卻后的合成氣進(jìn)一步被凈化（去除焦油、硫化物、氮氧化物和CO₂等）。為改善下游合成天然氣的轉(zhuǎn)換效率，轉(zhuǎn)換反應(yīng)單元用于控制合成氣中H₂/CO的比值。隨后，所獲得的富氫合成氣被輸入天然氣合成單元，生成的高純度SNG可被儲存在壓力容器罐或并入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)中，未反應(yīng)的合成氣作為燃料在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中發(fā)電。該多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)以2種可再生能源（太陽能和生物質(zhì)）為驅(qū)動力輸出天然氣和電力，實現(xiàn)了能源的梯級和高效利用。與常規(guī)煤制天然氣系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)有如下幾點優(yōu)勢：1）生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的富氫合成氣更適合制取天然氣；2）轉(zhuǎn)換單元可靈活調(diào)節(jié)H₂/CO比值，提高了合成單元的轉(zhuǎn)換效率；3）未反應(yīng)的合成氣直接在聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中燃燒發(fā)電，降低了合成反應(yīng)過程的不可逆損失。表1列出了在設(shè)計工況下多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的主要物理參數(shù)。

　　2太陽能驅(qū)動生物質(zhì)氣化過程

　　太陽能驅(qū)動生物質(zhì)氣化是一種復(fù)雜的熱化學(xué)過程，主要包括干燥、熱解和氣化3個階段。由聚光太陽能提供氣化過程中需要的高溫?zé)崃浚苊饬松镔|(zhì)燃燒消耗，提高生物質(zhì)和太陽能利用效率的同時，減少了CO₂的排放。氣化過程主要的化學(xué)反應(yīng)如下：

　　生物質(zhì)的氣化過程涉及固-氣非均相和氣-氣均相2種反應(yīng)。本文以棉花秸稈為例，通過熱重實驗對樣品的進(jìn)行元素和工業(yè)分析[6]。與常規(guī)煤相比，生物質(zhì)的揮發(fā)性氣體和氫元素含量較高，而碳元素比重較低，導(dǎo)致生物質(zhì)的高熱值（HHV）比煤炭約低了10.2MJ/kg。生物質(zhì)氣化過程可通過Aspen Plus軟件中Ryield和RGibbs模塊計算。首先固態(tài)生物質(zhì)在Ryield模塊中被轉(zhuǎn)為常規(guī)的元素（C、H、O、N、S、灰分），隨后在RGibbs模塊中與水蒸氣發(fā)生氣化反應(yīng)。

　　圖2a表示了在不同氣化溫度下合成氣中主要組分的摩爾分?jǐn)?shù)。隨著氣化溫度的升高，氣化反應(yīng)越完全，被轉(zhuǎn)換成化學(xué)能的太陽能越多。當(dāng)氣化溫度高于1000℃時，每種氣體成分含量基本保持不變，表明生物質(zhì)氣化反應(yīng)已達(dá)到化學(xué)平衡，氣化溫度進(jìn)一步上升，僅增加了合成氣的顯熱，化學(xué)能不再增加。同時，氣化爐溫度的升高會加大氣化爐的不可逆熱損失，對氣化爐的耐溫能力要求更高。所生成的合成氣通過催化合成為天然氣可緩解中國的天然氣資源緊缺的困難，據(jù)文獻(xiàn)報道合成氣中H₂/CO物質(zhì)的量之比越靠近3越易發(fā)生合成反應(yīng)。如圖2b所示，隨著氣化溫度升高，H₂/CO物質(zhì)的量之比逐漸降低，在氣化反應(yīng)達(dá)到熱力學(xué)平衡時（Tgasi≥1000℃），H₂/CO約等于1.56，而煤炭僅為0.98。因此與常規(guī)煤炭相比，生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的合成氣中H₂/CO物質(zhì)的量之比遠(yuǎn)大于煤炭，更適合合成天然氣反應(yīng)。

　　3系統(tǒng)性能評價指標(biāo)

　　4結(jié)果與討論

　　4.1多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱力學(xué)性能分析

　　本文多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)集成了高溫太陽能熱化學(xué)反應(yīng)裝置、天然氣合成單元以及聯(lián)合循環(huán)，實現(xiàn)了太陽能和生物質(zhì)的高效和能量梯級利用。在設(shè)計工況下（見表1），系統(tǒng)輸入的太陽能為1927.13kW，太陽能份額為29.59%。系統(tǒng)用聚光太陽能替代生物質(zhì)燃燒提供生物質(zhì)氣化需要的反應(yīng)熱，提高了生物質(zhì)的有效利用率，同時太陽能轉(zhuǎn)化為合成氣化學(xué)能，在下游裝置中制取合成天然氣和發(fā)電。為降低天然氣合成單元的損失，系統(tǒng)中未反應(yīng)的合成氣將輸入聯(lián)合循環(huán)中燃燒發(fā)電。產(chǎn)品中SNG的熱值約為2269.67kW，與發(fā)電量之比為3.56，系統(tǒng)的整體一次能源效率為44.63%（圖3a）。與常規(guī)天然氣相比，合成天然氣的單位熱值僅低68.69kJ/mol，但遠(yuǎn)高于直接由生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的合成氣的單位熱值（如圖3b所示）。在SNG中，甲烷的含量大于90%，僅有少量的CO和H₂，因此SNG可直接并入天然氣管網(wǎng)，或直接在現(xiàn)有設(shè)備，如鍋爐內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒發(fā)電。

　　為了改善系統(tǒng)性能，對系統(tǒng)進(jìn)行能流平衡分析。系統(tǒng)中合成氣的高溫顯熱被回收產(chǎn)生中高溫蒸汽，部分蒸汽（486.49kW）與冷卻后的合成氣流入到轉(zhuǎn)換反應(yīng)單元進(jìn)行水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)，剩余的蒸汽（443.93kW）在蒸汽輪機(jī)中直接發(fā)電。SNG合成單元后，未反應(yīng)的合成氣為991.15kW，約占總合成氣的28.14%，用于在聯(lián)合循環(huán)中發(fā)電，發(fā)電量約為460.75kW。系統(tǒng)的最大能耗損失發(fā)生在聚光太陽能收集過程，占總體輸入能量的14.10%，其次是燃?xì)廨啓C(jī)（433.06kW），轉(zhuǎn)化反應(yīng)單元（306.09kW）和天然氣合成單元（280.05kW）。

　　4.2氣化溫度對系統(tǒng)性能的影響

　　如第2節(jié)所述，生物質(zhì)氣化溫度嚴(yán)重影響氣化產(chǎn)物組成和氣化爐的熱傳遞效率，因此將影響整個多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能。假定生物質(zhì)消耗量恒定（10000kg/h），隨著氣化溫度上升，塔式氣化爐的熱效率逐漸降低（見圖4a），因為塔式氣化爐表面與環(huán)境的高溫差引起較大的不可逆熱損失。但提高生物質(zhì)氣化溫度將加大系統(tǒng)輸入的太陽能，則需擴(kuò)大太陽能場地面積。氣化溫度越高，生物質(zhì)氣化反應(yīng)越完全，更多的太陽能被轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，所以系統(tǒng)的太陽能份額也被提高。如當(dāng)氣化溫度為800℃時太陽能份額僅為9.35%，當(dāng)氣化溫度為1500℃時太陽能份額被提升至50.41%。

　　太陽能驅(qū)動生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的合成氣被用于合成天然氣，合成反應(yīng)主要為CO+3H₂==CH₄+H₂O，CO₂+4H₂==CH₄+2H₂O，合成過程可用Aspenplus中Ryield模塊實現(xiàn)。為了提高合成反應(yīng)的效率，部分合成氣首先流入水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)單元（SHR），提高合成氣中H₂/CO比值，隨后與未反應(yīng)的合成氣混合流入合成反應(yīng)單元（SR）。流入SHR的合成氣份額（R）可定義為流入SHR的合成氣與總的合成氣物質(zhì)的量之比。如圖4b所示，隨著氣化溫度升高，合成氣中H₂/CO比值逐漸降低。如第2節(jié)所述，高溫將促進(jìn)生物質(zhì)氣化的反應(yīng)程度。R值的提升將增加合成氣中H₂/CO的比值，因為合成中部分CO被轉(zhuǎn)換為H₂。如在氣化溫度為1000℃，R=0.3時的H₂/CO比值約為2.61，其值遠(yuǎn)大于R=0時，這將促進(jìn)下游合成反應(yīng)單元的轉(zhuǎn)化率，有主要合成天然氣的生成。

　　圖5顯示了氣化溫度對多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能的影響。隨著氣化溫度升高，合成天然氣（SNG）產(chǎn)量逐漸降低后趨于穩(wěn)定值，如圖5a所示。因為在太陽能驅(qū)動生物質(zhì)氣化過程中，甲烷組分的含量隨著氣化溫度的升高而降低，且H₂/CO的量比值也隨之降低，制約了SNG的合成（見圖2）。但R值的升高將明顯提高SNG的產(chǎn)量。如在氣化溫度為1000℃，R=0.3時的SNG產(chǎn)量約為11.63kmol/h，而R=0時僅為10.94kmol/h，隨著氣化溫度的升高系統(tǒng)的產(chǎn)電量與SNG的變化規(guī)律相反。加大流入水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)單元的合成氣量，將減少發(fā)電量而加大SNG的產(chǎn)量。系統(tǒng)產(chǎn)電量與SNG之比將隨著氣化溫度升高，后趨于穩(wěn)定，如圖5b、圖5c所示。假定生物質(zhì)氣化溫度為1000℃，其產(chǎn)電量與SNG之比在R分別為0、0.1、0.2、0.3時，相對應(yīng)分別為0.32，0.30，0.29和0.27。該系統(tǒng)主要以生產(chǎn)天然氣為主，可以通過調(diào)節(jié)流入水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)單元的合成氣份額控制系統(tǒng)SNG與電量的產(chǎn)量分布。系統(tǒng)的一次能源效率隨著氣溫的升高也逐漸降低，如圖5d所示，主要原因如下：提高氣化溫度將加大系統(tǒng)一次能源（太陽能）的輸入；高的氣化溫度增加了氣化爐的不可逆熱損失；氣化溫度的升高降低了SNG的產(chǎn)量。另一方面，加大流入轉(zhuǎn)換反應(yīng)的合成氣的份額，將提高系統(tǒng)的能源效率，主要是因為提高了系統(tǒng)的SNG產(chǎn)量。如當(dāng)氣化溫度為1000°C，R值從0升至0.4時，合成天然氣生成量和系統(tǒng)一次能源效率分別從10.94kmol/h和42.92%分別提高到11.63kmol/h和45.23%。從上述分析可知，雖然越高的氣化溫度有利于太陽能的轉(zhuǎn)化和氣化的反應(yīng)進(jìn)程，加快生物質(zhì)氣化的反應(yīng)速率，但不利于天然氣的合成。因此，應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)的應(yīng)用需求和條件，合理優(yōu)化氣化溫度對提高系統(tǒng)的綜合性能有重要意義。該研究成果可緩解中國天然氣資源緊缺，進(jìn)一步推進(jìn)中國“煤改氣”政策的實施。

　　5結(jié)論

　　為緩解中國天然氣資源緊缺和提高可再生能源的利用效率，提出一種太陽能驅(qū)動生物質(zhì)氣化的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的熱力學(xué)性能進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下：

　　1）利用聚光太陽能驅(qū)動生物質(zhì)氣化，實現(xiàn)了2種可再生能源的高效互補(bǔ)。與煤相比，生物質(zhì)氣化產(chǎn)生合成氣中H₂/CO物質(zhì)的量之比（1.56）較高，有益于天然氣的合成。水煤氣轉(zhuǎn)換單元可調(diào)節(jié)合成氣中H₂/CO提高合成天然氣的轉(zhuǎn)化效率。

　　2）設(shè)計工況下系統(tǒng)的一次能源效率為44.63%，產(chǎn)物中合成天然氣和發(fā)電量的比值為3.56。合成天然氣的單位熱值約718.95kJ/mol，可被直接燃燒或并入燃?xì)夤芫W(wǎng)。

　　3）升高氣化溫度加強(qiáng)了系統(tǒng)太陽能份額，但降低了合成天然氣產(chǎn)量，系統(tǒng)的能源效率也相應(yīng)減少，因為氣化溫度升高導(dǎo)致生物質(zhì)氣化產(chǎn)物中CH₄的含量和H₂/CO量比值均減少。另外，提高流入水煤氣轉(zhuǎn)換單元的合成氣份額也將改善系統(tǒng)的性能。