国家重点研发计划成果 | 浙大何勇副教授：300 MW电站锅炉煤粉部分气化多联产系统模拟及经济性分析

2023-06-14 10:48:05

煤基多联产技术以煤气化为核心，集发电、供热和化工合成等系统于一体，目前主要有以煤热解、完全气化和部分气化为基础的3种技术路线

煤基多联产技术以煤气化为核心，集发电、供热和化工合成等系统于一体，目前主要有以煤热解、完全气化和部分气化为基础的3种技术路线。相较于以完全气化为基础的多联产技术，部分气化系统有以下特点：煤气化过程无需炉膛高压、很长的反应停留时间以及过高的碳转化率，可以在技术要求相对简单的气化炉中进行部分气化，降低了技术难度和成本。

浙江大学何勇副教授基于我国某电厂300 MW电站锅炉，对其进行多联产改造研究，在原有系统上新增一套气化系统，用煤部分气化后产生的半焦代替煤作为锅炉的燃料进行燃烧发电。此外，在原先单纯发电的基础上，新增一项煤气产出。整个多联产系统最关键的气化炉反应过程使用Aspen Plus软件进行建模计算，得到产出的煤气组分以及半焦产率后，对整个300 MW多联产系统进行经济效益分析。

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摘要：为实现煤炭的清洁高效低碳利用，结合粉煤部分气化、半焦燃烧实现煤炭的煤气、电力分级分质利用，采用Aspen Plus流程模拟软件针对300 MW煤粉锅炉进行了煤粉部分气化、半焦燃烧的煤气、电力多联产系统模拟研究。首先在一定假设条件下，使用Aspen Plus软件建立了基于反应平衡原理的煤气化模型，并将模拟计算结果与试验台架气化结果进行比对验证，模拟结果与试验结果基本吻合。在此煤气化模型的基础上探究了氧煤比和煤种对气化炉出口的煤气组成以及300 MW多联产系统经济效益的影响规律。计算结果显示，氧煤比从0.1提高到0.3时，神府东胜煤煤气化的有效气产率从58.49%提高到82.85%，多联产系统增加的年收益从16 084万元增加到62 246万元；氧煤比为0.3时，神府东胜煤、巩义无烟煤、神华烟煤和锡盟褐煤煤气化的有效气产率分别为82.85%、74.51%、77.21%和95.16%，以前3者煤种为原料的多联产系统增加的年收益分别为46 392万元、28 910万元和62 246万元。在模拟的氧煤比范围内，随着氧煤比升高，煤气品质、有效气产率以及多联产系统的经济效益均明显提高；在氧煤比为0.3的工况下，使用神府东胜煤作为原料时系统经济效益最优，其次是神华烟煤以及巩义无烟煤，锡盟褐煤由于煤气化后产生半焦量过低不利于多联产系统的运作。

1 Aspen Plus 煤气化模拟

图1 Aspen Plus煤气化流程模型

用于模型检验的对照试验基于浙江大学设计研发的煤粉高温裂解气化试验平台进行。使用建立的Aspen Plus煤气化流程模型模拟了3种不同气氛条件下的煤气化过程，分别为纯氧、50%氧气、空气。结果显示：模拟结果与试验结果基本吻合，证明本文建立的气化模型可以较为准确地预测气化炉的出口组分，具有一定的参考价值。

2 300 MW机组煤粉部分气化多联产研究

本文基于我国某电厂1号锅炉（300 MW煤粉锅炉）进行煤粉部分气化多联产改造。纯氧和煤粉输入气化炉中进行气化反应，生成的产物主要有煤气、半焦和水，半焦代替原煤进入电站锅炉燃烧发电。在原先单纯靠电站锅炉燃煤发电的基础上，增加了一项煤气产出。

图2 煤粉部分气化多联产方案流程

2.1 氧煤比对多联产系统的影响

依据Aspen Plus 的模拟计算结果，整理得到氧煤比对煤气组成以及有效气产率（出口气中CO、H2和CH4的占比总和）的影响。可知在模拟的氧煤比范围内，其他条件相同时，氧煤比越高，有效气率越大。这是因为C和CO2在高温条件下可以发生反应生成CO，氧煤比增大使煤粉燃烧反应变得更加剧烈，产生更多热量，促进了上述反应的进行，消耗CO2生成更多的CO，有效气产率随之上升。图中CO2和CO的占比曲线也证实了这一点。

图3 氧煤比对煤气组成的影响

在模拟的氧煤比范围内，300 MW电站锅炉机组经多联产改造后可以显著提高经济效益，且增加的收益随氧煤比的增大而提高。氧煤比从0.1提高到0.3时，增加的小时收益从2.68万元增加到10.37万元，增幅达287%，可见氧煤比是影响多联产系统经济效益的重要参数。

2.2 煤种对多联产系统的影响

将氧煤比固定为0.3，使用Aspen Plus软件分别对4种煤进行煤气化模拟。氧煤比为0.3时，锡盟褐煤气化后的有效气产率最大，而神华烟煤、巩义无烟煤、神府东胜煤三者的有效气率基本持平，略低于锡盟褐煤，这一结果主要与煤中碳含量有关。

图4 煤种对煤气组成的影响

氧煤比为0.3时，使用不同煤样对300 MW电站锅炉机组进行多联产改造都可以显著提高经济效益，神府东胜煤最优，神华烟煤次之，巩义无烟煤的选择优先度最低。

3 结论

1）利用Aspen Plus软件建立了煤气化模型，模拟结果与试验数据吻合较好，并将该模型应用于300 MW电站锅炉机组的煤粉部分气化多联产改造研究。

2）在模拟的氧煤比范围内，随着氧煤比的升高，煤气品质、有效气产率以及多联产系统的经济效益均明显提高。

3）氧煤比为0.3时，使用神府东胜煤的多联产系统经济效益最优，其次是神华烟煤以及巩义无烟煤，锡盟褐煤由于煤气化后产生半焦量过低不利于多联产系统的运作。

4）本文多联产改造经济效益研究只是基于煤气化模型的模拟结果，没有考虑气化炉设计、制造成本以及气化炉与电站锅炉耦合的具体工艺，需在以后的研究中进一步考虑。

引用格式

陈嘉豪,袁野,何勇,等.300 MW电站锅炉煤粉部分气化多联产系统模拟及经济性分析［J］.洁净煤技术，2020,26(5):20-25.

CHEN Jiahao,YUAN Ye,HE Yong,et al.Simulation and economic analysis of pulverized coal partial gasification polygeneration system in 300 MW power station boiler［J］.Clean Coal Technology，2020,26(5):20-25.

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