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吳海峰1，2，劉佳維1，劉啟斌2
（1.北京建筑大學北京市建筑能源高效綜合利用工程技術研究中心，北京100044；2.中國科學院工程熱物理研究所，北京100190）
摘要：提出一種太陽能驅動生物質氣化的動力多聯產系統，利用聚光太陽能驅動生物質熱化學氣化反應，生成的合成氣在合成反應單元中被轉化為天然氣，未反應的合成氣直接用于聯合循環系統發電。該文對系統進行熱力學性能分析，探究了氣化溫度和水煤氣轉換單元對系統性能的影響。結果表明系統的一次能源效率為44.63%，產物中合成天然氣和發電量之比為3.56。隨著氣化溫度升高，系統的合成天然氣產量和一次能源效率均減少；而水煤氣轉換單元有益于提高天然氣的合成效率和系統的綜合性能。
0引言
隨著“煤改氣”政策全面推廣，大量的分布式能源和燃氣供暖系統相繼建成，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）被認為是確保供氣安全的一種重要途徑，中國煤和生物質資源豐富，分布廣泛，煤和生物質是較為理想的合成原料[3]。但與生物質相比，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。氣化是生物質制取合成天然氣過程中的關鍵技術[4]。常規的氣化技術采用生物質燃燒提供生物質氣化反應熱，消耗25%~40%的生物質原料，致使生物質的有效利用率偏低，生物質燃燒副產物中CO2濃度大，不利于系統下游的化學產品，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燃燒提供生物質氣化反應熱，太陽能被轉化為合成氣化學能，加強了太陽能能量品質和利用靈活性。
氣化產生的合成氣可被多種化工動力系統高效利用，但合成氣是一種低熱值的富氫燃料[4，5-6]，可被直接燃燒，但不能與現有的設備（燃氣輪機、內燃機）良好匹配。合成氣轉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驅動制合成天然氣和發電的多聯產系統。
1多聯產系統流程
與常規氣化技術相比，太陽能替代生物質燃燒來滿足氣化過程中熱量溫的需求，改善了生物質的利用效率，同時太陽能轉化為化學能，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，構建了一套動力多聯產系統，如圖1所示。
系統主要由5個子系統組成——太陽能驅動生物質氣化單元、水煤氣轉換單元、合成天然氣單元、聯合循環發電系統、余熱回收。生物質顆粒物與液態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℃）驅動生物質與水蒸汽發生氣化反應。所產高溫合成氣的顯熱被煙氣鍋爐回收產生蒸汽，其可用于發電或下游的轉換反應，冷卻后的合成氣進一步被凈化（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換效率，轉換反應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氣管網中，未反應的合成氣作為燃料在燃氣-蒸汽聯合循環系統中發電。該多聯產系統以2種可再生能源（太陽能和生物質）為驅動力輸出天然氣和電力，實現了能源的梯級和高效利用。與常規煤制天然氣系統相比，該系統有如下幾點優勢：1）生物質氣化產生的富氫合成氣更適合制取天然氣；2）轉換單元可靈活調節H2/CO比值，提高了合成單元的轉換效率；3）未反應的合成氣直接在聯合循環系統中燃燒發電，降低了合成反應過程的不可逆損失。表1列出了在設計工況下多聯產系統的主要物理參數。
2太陽能驅動生物質氣化過程
太陽能驅動生物質氣化是一種復雜的熱化學過程，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熱量，避免了生物質燃燒消耗，提高生物質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反應如下：
生物質的氣化過程涉及固-氣非均相和氣-氣均相2種反應。本文以棉花秸稈為例，通過熱重實驗對樣品的進行元素和工業分析[6]。與常規煤相比，生物質的揮發性氣體和氫元素含量較高，而碳元素比重較低，導致生物質的高熱值（HHV）比煤炭約低了10.2MJ/kg。生物質氣化過程可通過Aspen Plus軟件中Ryield和RGibbs模塊計算。首先固態生物質在Ryield模塊中被轉為常規的元素（C、H、O、N、S、灰分），隨后在RGibbs模塊中與水蒸氣發生氣化反應。
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數。隨著氣化溫度的升高，氣化反應越完全，被轉換成化學能的太陽能越多。當氣化溫度高于1000℃時，每種氣體成分含量基本保持不變，表明生物質氣化反應已達到化學平衡，氣化溫度進一步上升，僅增加了合成氣的顯熱，化學能不再增加。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，據文獻報道合成氣中H2/CO物質的量之比越靠近3越易發生合成反應。如圖2b所示，隨著氣化溫度升高，H2/CO物質的量之比逐漸降低，在氣化反應達到熱力學平衡時（Tgasi≥1000℃），H2/CO約等于1.56，而煤炭僅為0.98。因此與常規煤炭相比，生物質氣化產生的合成氣中H2/CO物質的量之比遠大于煤炭，更適合合成天然氣反應。
3系統性能評價指標
4結果與討論
4.1多聯產系統的熱力學性能分析
本文多聯產系統集成了高溫太陽能熱化學反應裝置、天然氣合成單元以及聯合循環，實現了太陽能和生物質的高效和能量梯級利用。在設計工況下（見表1），系統輸入的太陽能為1927.13kW，太陽能份額為29.59%。系統用聚光太陽能替代生物質燃燒提供生物質氣化需要的反應熱，提高了生物質的有效利用率，同時太陽能轉化為合成氣化學能，在下游裝置中制取合成天然氣和發電。為降低天然氣合成單元的損失，系統中未反應的合成氣將輸入聯合循環中燃燒發電。產品中SNG的熱值約為2269.67kW，與發電量之比為3.56，系統的整體一次能源效率為44.63%（圖3a）。與常規天然氣相比，合成天然氣的單位熱值僅低68.69kJ/mol，但遠高于直接由生物質氣化產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，或直接在現有設備，如鍋爐內燃機和燃氣輪機中燃燒發電。
為了改善系統性能，對系統進行能流平衡分析。系統中合成氣的高溫顯熱被回收產生中高溫蒸汽，部分蒸汽（486.49kW）與冷卻后的合成氣流入到轉換反應單元進行水煤氣轉換反應，剩余的蒸汽（443.93kW）在蒸汽輪機中直接發電。SNG合成單元后，未反應的合成氣為991.15kW，約占總合成氣的28.14%，用于在聯合循環中發電，發電量約為460.75kW。系統的最大能耗損失發生在聚光太陽能收集過程，占總體輸入能量的14.10%，其次是燃氣輪機（433.06kW），轉化反應單元（306.09kW）和天然氣合成單元（280.05kW）。
4.2氣化溫度對系統性能的影響
如第2節所述，生物質氣化溫度嚴重影響氣化產物組成和氣化爐的熱傳遞效率，因此將影響整個多聯產系統的性能。假定生物質消耗量恒定（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境的高溫差引起較大的不可逆熱損失。但提高生物質氣化溫度將加大系統輸入的太陽能，則需擴大太陽能場地面積。氣化溫度越高，生物質氣化反應越完全，更多的太陽能被轉化成化學能，所以系統的太陽能份額也被提高。如當氣化溫度為800℃時太陽能份額僅為9.35%，當氣化溫度為1500℃時太陽能份額被提升至50.41%。
太陽能驅動生物質氣化產生的合成氣被用于合成天然氣，合成反應主要為CO+3H2==CH4+H2O，CO2+4H2==CH4+2H2O，合成過程可用Aspenplus中Ryield模塊實現。為了提高合成反應的效率，部分合成氣首先流入水煤氣轉化反應單元（SHR），提高合成氣中H2/CO比值，隨后與未反應的合成氣混合流入合成反應單元（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節所述，高溫將促進生物質氣化的反應程度。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，其值遠大于R=0時，這將促進下游合成反應單元的轉化率，有主要合成天然氣的生成。
圖5顯示了氣化溫度對多聯產系統性能的影響。隨著氣化溫度升高，合成天然氣（SNG）產量逐漸降低后趨于穩定值，如圖5a所示。因為在太陽能驅動生物質氣化過程中，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的產量。如在氣化溫度為1000℃，R=0.3時的SNG產量約為11.63kmol/h，而R=0時僅為10.94kmol/h，隨著氣化溫度的升高系統的產電量與SNG的變化規律相反。加大流入水煤氣轉換反應單元的合成氣量，將減少發電量而加大SNG的產量。系統產電量與SNG之比將隨著氣化溫度升高，后趨于穩定，如圖5b、圖5c所示。假定生物質氣化溫度為1000℃，其產電量與SNG之比在R分別為0、0.1、0.2、0.3時，相對應分別為0.32，0.30，0.29和0.27。該系統主要以生產天然氣為主，可以通過調節流入水煤氣轉換反應單元的合成氣份額控制系統SNG與電量的產量分布。系統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的產量。另一方面，加大流入轉換反應的合成氣的份額，將提高系統的能源效率，主要是因為提高了系統的SNG產量。如當氣化溫度為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化和氣化的反應進程，加快生物質氣化的反應速率，但不利于天然氣的合成。因此，應結合系統的應用需求和條件，合理優化氣化溫度對提高系統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，進一步推進中國“煤改氣”政策的實施。
5結論
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，提出一種太陽能驅動生物質氣化的多聯產系統，并對系統的熱力學性能進行分析。主要結論如下：
1）利用聚光太陽能驅動生物質氣化，實現了2種可再生能源的高效互補。與煤相比，生物質氣化產生合成氣中H2/CO物質的量之比（1.56）較高，有益于天然氣的合成。水煤氣轉換單元可調節合成氣中H2/CO提高合成天然氣的轉化效率。
2）設計工況下系統的一次能源效率為44.63%，產物中合成天然氣和發電量的比值為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氣管網。
3）升高氣化溫度加強了系統太陽能份額，但降低了合成天然氣產量，系統的能源效率也相應減少，因為氣化溫度升高導致生物質氣化產物中CH4的含量和H2/CO量比值均減少。另外，提高流入水煤氣轉換單元的合成氣份額也將改善系統的性能。
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