2060碳中和

穆 林 副教授

大连理工大学 能源与动力学院

穆林,2012年获得大连理工大学博士学位,2013—2015年在大连理工大学环境学院进行博士后研究,现为大连理工大学能源与动力学院副教授,博士生导师。主要开展可再生能源、工业废弃物的高值低碳利用,生物质化学链气化、制氢与过程调控,CO2捕集、利用与封存(CCUS)以及人工神经网络与大数据在能源与动力工程中的应用等方面研究,主持国家自然科学基金2项,装备预研等其他省部级项目5项,参与国家科技重大专项/国家重点研发计划1项,主持或参与企事业技术开发类项目30余项。近年来,以第一/通讯作者在Fuel、Energy、Powder Technology、Journal of the Energy Institute高水平期刊发表学术论文40余篇,其中SCI/Ei检索论文30余篇,授权发明专利3项。担任多个国际高水平SCI学术期刊审稿专家,《洁净煤技术》青年编委,辽宁省能源研究会专家。

生物质化学链气化-燃气轮机-有机朗肯循环发电

穆 林1,2,胡天才1,2,王 震1,2,黄贤坤1,2,赵 亮1,2,尹洪超1,2

(1.大连理工大学 能源与动力学院,辽宁 大连 116024;2.海洋能源利用与节能教育部重点实验室,辽宁 大连 116024)

摘 要：生物质化学链气化(BCLG)是具有发展前景的生物质利用和碳捕集技术,有机朗肯循环(ORC)是可提高能源品位的能源转化技术。为实现生物质能源高值化利用,提出了一种生物质化学链气化联合燃气轮机(GT)并耦合有机朗肯循环(ORC)的新型发电系统。该系统通过子系统间物质/能源交换实现了不同品位能源的梯级利用。采用Aspen Plus软件进行模拟,研究以玉米秸秆、稻秆及麦秆为气化燃料时,氧与生物质比(λ)和压气机压比(PR)等对BCLG-GT系统发电效率的影响。模拟结果表明,麦秆是3种生物质中应用于BCLG-GT系统的最优气化燃料,最佳模拟工况为：λ=0.05,PR=13。在BCLG-GT子系统运行最佳工况基础上耦合ORC子系统,研究了4种不同有机流体工质(R245fa、R134a、HCFC-123和R-404A)和有无回热装置对ORC子系统发电效率的影响。结果表明：R245fa具有更高的实用价值与较好的环境友好性,相较其他3种有机流体工质具有明显优势;另外,加装回热装置后,ORC系统的净输出功率提高了13.37%,新型具有回热装置的BCLG-GT-ORC发电系统的净能量效率达35.48%。本研究为工业规模的生物质化学链气化装置的设计和优化提供思路和理论指导。

关键词：生物质化学链气化;燃气轮机发电;有机朗肯循环;效率分析;Aspen Plus

0 引 言

目前,煤电是许多发展中国家的主要电力来源,如中国、印度和巴西等国约70%发电量来自燃煤电厂[1]。但随着气候和生态监管压力增加,煤电发展正面临严峻挑战[2]。生物质资源因其碳中性、污染性气体(NOx/SOx)排放低、可再生等特点而受到广泛关注,并逐渐成为取代煤炭的最佳燃料[3]。与此同时,燃生物质电厂得到蓬勃发展。这些电厂是将燃烧系统与有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)相结合进而产生电力[1],发电功率在1～30 MW[4]。ORC不同于传统蒸汽循环,其工质为沸点较低的有机工质,因此可省去各种过热器和再热器等换热设备,提高系统运行效率和经济效益;此外,选取无毒无腐蚀性有机流体作为工质时,可无需考虑流体对管道及设备的腐蚀,提高整个系统的使用寿命[5]。

生物质化学链气化技术(Biomass Chemical Looping Gasification,BCLG)是基于化学链燃烧发展而来的新型气化及碳捕集技术[6]。该技术不使用昂贵的纯氧,生产的合成气不会被N2稀释;同时整个过程无N2参与,使生成的合成气中NOx等污染物含量较低[7]。潘鑫等[8]基于Aspen Plus开展了西部典型煤的化学链气化模拟研究。结果表明,固定碳高、水分和挥发分低的煤种作为原料可提高合成气产量;同时在气化炉前增设干燥装置,也可提高合成气产率和冷煤气效率。穆林等[9]利用Aspen Plus研究了耦合生物质化学链气化的整体气化联合循环发电系统,结果表明,气化反应器温度为750 ℃,载氧体与生物质物质的量比为0.45时,系统性能最佳。饶冬等[10]模拟了生物质化学链气化氢-电-甲醇多联产工艺系统,讨论了水蒸气与生物质比S/B、氧载体与生物质比M(Ca)/B、M(Fe)/B以及气化压力PCLG对系统性能的影响,结果表明,当S/B=0.4、M(Ca)/B = 1、M(Fe)/B = 0.5和PCLG = 0.8 MPa时,系统气化性能较好。此外,CONDORI等[11]研究了生物质化学链气化的合成气产物分布特性,分析了气化温度TFR、蒸汽与生物质比S/B和氧与生物质比λ对气化效果的影响,结果表明,当TFR=880 ℃、S/B=0.58、λ=0.17时,气化效果最佳。

总体而言,目前研究主要集中在BCLG系统的气化条件优化,如探索最佳TFR、M(Ca)(或M(Fe))/B、S/B、PCLG或λ等。笔者在BCLG基础上,提出一种联合燃气轮机(Gas Turbine,GT)并耦合ORC的新型发电模式[12],利用Aspen Plus软件进行建模分析,探讨关键参数对系统的影响规律,同时分析ORC工质种类及有无回热装置对系统效率的影响,从而为工业规模的生物质化学链气化装置的设计和优化提供思路和理论指导。

1 系统描述

1.1 模拟工艺流程

典型的BCLG-GT-ORC流程[5,13]如图1所示。生物质在BCLG系统中完全气化,生成以CO和H2为主的高品质合成气,经分离净化后,送入GT燃烧并实现一次发电(Power 1);从GT出来的中低温烟气的余热经换热器后送入ORC系统进行二次发电(Power 2)[1]。

1.2 系统模拟与假设

采用Aspen Plus软件对BCLG-GT-ORC系统进行建模分析,并对整个模拟流程做出如下假设：① 整个模拟流程在稳态下进行;② 气体与固体在气固分离器中的分离效率达100%;③ 忽略因辐射传热而造成的热量散失影响。所构建的BCLG-GT-ORC系统的运行工况和设计参数[14-19]见表1,数据主要来源于相关文献及燃生物质电厂的设计参数[1,5-6,11,20-21]。

图1 BCLG-GT-ORC系统工艺流程
Fig.1 Process flow chart of BCLG-GT-ORC system

表1 BCLG-GT-ORC系统运行工况和设计参数
Table 1 Operating conditions and design parameters of BCLG-GT-ORC system

续表

以占据我国农业生物质总产量84%以上的玉米秸秆、稻秆和麦秆为模拟原材料,3种生物质的理化参数见表2[14-19]。

表2 生物质理化性能参数
Table 2 Physicochemical properties of biomass

注：TD为变形温度;TS为软化温度;TF为流动温度。

1.3 系统评价准则

1.3.1 BCLG评价准则

BCLG生成的合成气最终在燃气轮机内燃烧并推动燃气透平对外做功,进而影响整个发电系统的能量效率。BCLG的评价准则主要包括以下3个指标。

1)生物质转化率Xb为BCLG系统中固体生物质转化为气体的量的比例[22]：

(1)

FFR,out(C)=FFR,out(CO) FFR,out(CO2) FFR,out(CH4),

(2)

FAR,out(C)=FAR(CO2),

(3)

(4)

式中,FFR,out(C)、FAR,out(C)分别为燃料和空气反应器出口气体中的C流量,mol/s;Fb(C)为生物质中含C流量,mol/s;FFR,out(CO)、FFR,out(CO2)、FFR,out(CH4)分别为燃料反应器出口气体中的CO、CO2和CH4流量,mol/s;FAR(CO2)为空气反应器出口气体中CO2流量,mol/s;Fb为进入系统的生物质流量,kg/s;W(C)为生物质中组分C质量分数,%。

2)合成气产量Y为干基生物质进入系统后产生的合成气的量[23]：

(5)

式中,V为气化生成的合成气体积(标况下),m3/s。

3)冷煤气效率ηcold为气化生成的合成气所含化学能占生物质总能量的比例[23]：

(6)

式中,LHVsys为合成气的低位热值(标况下),kJ/m3(式(7));LHVbio为生物质的低位发热值,MJ/kg。

LHVsys=108V(H2) 126V(CO) 359V(CH4),

(7)

式中,V(i)为组分i在合成气中的体积分数,%。

1.3.2 系统效率评估

系统能量效率η和效率ηex[24]为

(8)

(9)

其中,Pout,net为系统净输出功率,kW;Pout,gross为系统总输出功率,kW;Pcon为系统消耗功率,kW;En,in,net为单位时间内输入系统的净能量,kW;Ex,in,net为单位时间内输入系统的净有效能,kW。对于BCLG-GT系统,Pout,gross为燃气透平对外输出功率,kW;Pcon为压气机压缩空气消耗功率,kW;En,in,net=FbLHVbio,Ex,in,net=FbβLHVbio。对于ORC系统,Pout,gross为ORC涡轮机对外输出功率,kW;Pcon为ORC泵压缩工质消耗功率,kW;En,in,net和Ex,in,net均由Aspen Plus计算得到。转换因子β[25]为

(10)

式中,W(i)为组分i在生物质中的质量分数,%。

2 结果和讨论

2.1 模型验证

CONDORI等[22]研究了TFR、S/B及λ等参数对BCLG合成气产率及产物分布的影响,选取S/B = 0.6时6组试验数据作为对比,对本研究所建立模型及模拟结果进行验证,如图2所示(Test 2：S/B=0.6,λ=0.27;Test 3：S/B=0.6,λ=0.36;Test 8：S/B=0.6,λ=0.18;Test 9：S/B=0.6,λ=0.33;Test 17：S/B=0.6,λ=0.15;Test 18：S/B=0.6,λ=0.34)。此处λ为氧载体所含氧量与生物质完全燃烧所需化学计量氧之比,只不过在空气反应器中,保持被还原的氧载体与空气恰好完全反应,使氧载体中所含氧量即外界空气提供给空气反应器的氧量,从而达到调控λ的目的[22]：

(11)

其中,FAR(O2)为供给空气反应器的O2量,mol/s;fSum,b为生物质完全燃烧所需氧气供应量,mol/kg,由式(12)计算：

(12)

由图2可知,所建模型的模拟结果与试验结果基本吻合,证明模型构建合理可靠。此外,结合CONDORI等[22]试验结果可看出,TFR为880 ℃、S/B为0.6时,气化效果较好,故保持这2个参数不变,同时设定生物质进料量为0.2 kg/s,探讨生物质种类、关键参数λ及压气机压比PR对BCLG-GT系统的影响。

2.2 灵敏度分析

2.2.1 λ对BCLG的影响

λ是影响BCLG系统的重要变量。λ过高将影响燃料反应器内气化反应,导致合成气中CO及H2含量较低;λ过低会造成系统无法达到自热状态,进而无法实现系统连续运行。希望存在合适的λ,使气化过程产生更多H2、CO及CH4,即合成气产量及冷煤气效率更高,同时保证系统达到自热状态。λ对合成气产率的影响如图3所示,可知随λ增加,H2和CO产率逐渐降低,而CO2体积分数逐渐增加,CH4体积分数略上升,但总体保持不变[26]。

图2 模拟与试验结果对比
Fig.2 Comparison between simulation and experimental results

造成上述现象主要原因是：由于λ增大,合成气中可燃组分充分氧化,造成H2和CO产率下降,进而生成更多CO2,使CO2体积分数上升。对于BCLG系统而言,合成气中应是更多H2和CO,而非CO2,因此结合模拟结果认为λ越小越好[6,22]。

图3 λ对合成气气体产率的影响
Fig.3 Effect of λ on gas yield of syngas

以3种生物质为气化燃料时,λ对Xb、ηcold、BCLG-GT能量效率(ηBCLG-GT)及Y的影响如图4所示。可知随λ由0.05增至0.25时,Xb均高于80%且基本维持不变,表明所选3种生物质均能在气化系统内充分气化;随λ增大,ηcold和Y大幅下降。主要原因是λ增大,导致合成气中H2和CO产率下降,因此Y下降,ηcold随之下降;且ηBCLG-GT随λ升高缓慢下降。

λ对系统吸放热的影响如图5所示。随λ增加,系统由吸热状态(Q<0,吸热)逐渐转变为对外放热状态(Q>0,放热),表明λ越大,系统越能达到自热条件。

综上所述,λ对BCLG影响显著,在取得较好气化效果的同时系统达到自热条件,玉米秸秆、稻秆和麦秆的最佳λ分别为0.14、0.22及0.05。

2.2.2 压气机压比的影响

燃气轮机由压气机、燃烧室及燃气透平3部分组成[27]。PR会直接影响燃气透平对外做功,PR过高,压气机自身消耗功率过高,影响燃气轮机热效率;PR过低,燃气轮机对外输出功率降低。希望存在合适PR,使BCLG-GT系统的净输出功率及效率更高。选择QDR20型小型燃气轮机,设计单机输出功率为2 000 kW。PR对燃气轮机净输出功率Pout,net,GT及热效率ηGT的影响如图6所示。

图4 λ对Xb、ηcold、ηBCLG-GT及Y的影响
Fig.4 Effect of λ on Xb,ηcold,ηBCLG-GT and Y

图5 λ对系统吸放热Q的影响
Fig.5 Effect of λ on heat absorption and heat release of the system

由图6可知,PR由7增至29时,燃气轮机的Pout,net,GT及ηGT均先增加后逐渐减小[28-29]。增加原因为随PR在较小范围内增大,单位时间内燃气轮机在克服自身压缩空气所消耗功率外,从燃烧室出来的高压气体推动燃气透平对外做功不断增大,故Pout,net,GT随PR增大而增大。麦秆作为气化燃料时,Pout,net,GT最高,稻秆作为气化燃料时,ηGT最高,故气化燃料选取应根据实际需求选择。

图6 PR对Pout,net,GT和ηGT的影响
Fig.6 Effect of PR on Pout,net,GT and ηGT

PR对BCLG-GT能量效率(ηBCLG-GT)和效率(ηex,BCLG-GT)的影响如图7所示。PR由7增至29时,ηBCLG-GT先增大到最大值,后不断减小,且ηex,BCLG-GT变化趋势相同。由于Pout,net,GT随PR增大先增加后减小,以至于整个BCLG-GT系统效率随PR增大先增加后减小。PR为7～17时,PR越大,系统效率越高;PR为17～21时,系统效率变化不大;PR超过21后,PR越大,系统效率越低。

图7 PR对 ηBCLG-GT和ηex,BCLG-GT的影响
Fig.7 Effect of PR on the ηBCLG-GT and ηex,BCLG-GT

综上,若BCLG-GT系统净功率或效率更高,则PR在7～17,但根据李晓丰等[21]研究结果,PR超过13后,污染性气体明显增多。故从实际应用和环保角度出发,3种生物质最佳压力比均为13。

以3种生物质为气化燃料的气化效果及输出功率对比如图8所示。以3种生物质为气化燃料,对比最佳操作工况下的Xb、ηcold、Y及对外输出功率,可知以麦秆为气化燃料时,系统的Xb、ηcold、Y及对外输出功率最高,从实际应用角度认为,麦秆属于最佳气化燃料。故系统以麦秆为燃料,并在其最佳工况基础上耦合ORC。

2.3 ORC工质种类及有无回热装置的影响

作为ORC工质,必须具有良好的传热性、热稳定性、安全性(无毒、不易燃)及对环境无污染性(低ODP、低GWP)[30]。选取4种有机工质作为研究对象,工质参数信息见表3。

保持导热油向ORC蒸发器的输入能量不变,设定ORC涡轮机入口和出口压力分别为1.14 MPa和0.24 MPa,探讨R245fa、R134a、HCFC-123和R-404A四种有机工质对ORC系统总输出功率Pout,gross,ORC、净输出功率Pout,net,ORC、能量效率ηORC和效率ηex,ORC的影响,模拟结果见表4。可知使用临界温度较低的有机工质更容易产生高功率输出,因此R134a与R-404A本是ORC工质的最佳选择,但ORC实际运行过程中,整个循环流程正常运行需要利用冷凝器将来自涡轮机中的R134a工质冷凝至-6 ℃,使其达到饱和液态或过冷状态;有机工质为R-404A时,冷凝器要将其冷凝至-28 ℃,在自然环境条件下,有机工质温度无法长时间维持在0 ℃ 以下,实际应用比较困难;对于HCFC-123,虽然其能量效率适中,但考虑其对臭氧层具有破坏性(ODP不为0),同时其循环流量较大,需要消耗更大经济成本,应用时仍有一定局限性。因此综合考虑环境友好性、运行成本及可接受效率,R245fa为最适宜的有机工质。

图8 3种生物质气化效果及输出功率对比
Fig.8 Comparison of gasification effect and output power of three biomass

表3 工质参数
Table 3 Working medium parameters

注：B1表示低毒不可燃;A1表示无毒不可燃。

表4 ORC系统性能
Table 4 Performance indexes of ORC system

由表4可知,ORC能量效率仅10.84%,这源于ORC冷凝器对外释放了大量热量,为进一步提高ORC系统能量效率及整个BCLG-GT-ORC系统能量效率,设计图9回热系统,即设置2个回热器,由于来自燃气轮机的高温烟气经换热器后,温度仍较高,为充分利用烟气余热,设置图9回热器1,将来自ORC泵的低流量高压液态工质加热至饱和气态,之后饱和气态工质送入ORC涡轮机发电;由于来自ORC涡轮机的有机工质经过ORC冷凝器后,变为液态工质,此过程会散失大量热量,基于此,在涡轮机与冷凝器之间设置了回热器2,将来自ORC泵的高流量高压液态工质进行初步预热,从而减少系统对外热量散失,提高系统能量效率。同时对ORC冷凝器向外界释放的热量进行高效利用,使其加热低流量常温水流,使之变为高温蒸汽流,从而补充在BCLG过程中所需气化介质,减少外界能量输入,提高系统整体效率。这种回热系统使ORC系统净输出功率达195 kW,提高13.37%。

图9 带回热装置的BCLG-ORC工艺流程
Fig.9 Process flow chart of BCLG-ORC system with regenerative device

BCLG-GT系统能量效率为30.32%,已达到目前国内生物质气化发电示范工程30%左右发电效率水平[31],与赵琳等[31]所研究的生物质化学链气化联合燃气轮机发电效率吻合;此外ORC系统能量效率也与文献[32]的ORC系统发电效率吻合。最终整个BCLG-GT-ORC系统的能量效率为35.48%,相较无ORC的BCLG-GT发电系统,能量效率提高5.16%;相较无回热装置的BCLG-GT-ORC系统,能量效率提高0.78%,由此看出,加装ORC系统及回热装置能显著提高系统能量效率;且该新型发电系统的能量效率已达到目前中小型火力发电厂的发电水平29.7%～37.2%[33-34],具有实际应用价值。

3 结 论

1)研究了以玉米秸秆、稻秆和麦秆为生物质气化燃料时,λ(0.05～0.25)和PR(7～29)对BCLG-GT工艺的影响,并确定最佳模拟工况及最佳气化燃料。模拟结果表明：麦秆为最好的气化燃料,其最佳模拟工况为：λ=0.05,PR=13。

2)在最佳模拟工况及最佳气化燃料基础上,研究了不同有机流体及有无回热装置对ORC系统的影响。模拟结果表明：R245fa具有更高的实用价值与较好的环境友好性,相较R134a、HCFC-123和R-404A具有明显优势。加装回热装置后,ORC系统的净输出功率相比无回热装置的ORC系统提高13.37%。

3)根据模拟结果,新型具有回热装置的BCLG-GT-ORC系统能量效率为35.48%,相较无ORC系统的BCLG-GT发电系统,能量效率提高5.16%;相较无回热装置的BCLG-GT-ORC发电系统,能量效率提高0.78%。

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Biomass chemical looping gasification integrated with gas turbine and Organic Rankine Cycle for power generation

MU Lin1,2,HU Tiancai1,2,WANG Zhen1,2,HUANG Xiankun1,2,ZHAO Liang1,2,YIN Hongchao1,2

(1.School of Energy and Power Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China;2.Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation of Ministry of Education,Dalian 116024,China)

Abstract：Biomass chemical looping gasification (BCLG) is a promising biomass utilization and carbon capture technology,while Organic Rankine Cycle (ORC) is an energy conversion technology that can achieve a higher energy grade.A new type of power system of BCLG coupled with the gas turbine (GT) and ORC was proposed to achieve the high-value utilization of biomass energy.This system achieved the graded utilization of different grades of energy through the material/energy exchange between subsystems.Aspen Plus software was used to simulate the effect of oxygen/biomass ratio (λ) and compressor pressure ratio (PR) on the power generation efficiency of the BCLG-GT system when corn straw,rice straw,and wheat straw were used as gasification fuels,respectively.The simulation results show that straw is the optimal gasification fuel for the BCLG-GT system among the three types of biomass,and the optimal simulation conditions are λ = 0.05 and PR = 13.Based on the optimal operating conditions of the BCLG-GT subsystem,coupled with the ORC subsystem,the effects of the four organic fluids (R245fa,R134a,HCFC-123,and R-404A) and regenerative devices on the ORC system were further studied.The simulation results reveal that R245fa has higher practical value and better environmental friendliness,compared with R134a,HCFC-123,and R-404A.The net power output of the ORC system is increased by 13.37% after adding the regenerative device,and the net energy efficiency of the new BCLG-GT-ORC power system with the regenerative device reachs 35.48%.This study provids ideas and theoretical guidance for the design and optimization of BCLG units on an industrial scale.

Key words：biomass chemical looping gasification;gas turbine power generation;Organic Rankine Cycle;efficiency analysis;Aspen Plus

中图分类号：TQ54;TK6

文献标志码：A

文章编号：1006-6772(2023)05-0011-10

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收稿日期：2022-07-11;责任编辑：白娅娜

DOI：10.13226/j.issn.1006-6772.CN22071101

基金项目：国家自然科学基金资助项目(52176179)

作者简介：穆 林(1982—),男,辽宁大连人,副教授,博士生导师,博士。E-mail：l.mu@dlut.edu.cn

引用格式：穆林,胡天才,王震,等.生物质化学链气化-燃气轮机-有机朗肯循环发电[J].洁净煤技术,2023,29(5)：11-20.

MU Lin,HU Tiancai,WANG Zhen,et al.Biomass chemical looping gasification integrated with gas turbine and Organic Rankine Cycle for power generation[J].Clean Coal Technology,2023,29(5)：11-20.