煤液化殘渣萃余物發電系統的集成與評價

趙亞仙，趙英杰，閆國春，王建立，盧衛民，李 藝，王建成，易 群，鮑衛仁，常麗萍

(1.太原理工大學 省部共建煤基能源清潔高效利用國家重點實驗室，煤科學與技術教育部重點實驗室，太原 030024；2.晉中學院 機械系，山西 晉中 030619；3.中國神華煤制油化工有限公司，北京 100011；4.武漢工程大學 化工與制藥學院，武漢 430205)

煤炭直接液化生產液體燃料油，對解決我國石油資源短缺、平衡能源結構、保障能源安全以及國民經濟持續穩定發展具有重大的戰略意義和現實意義[1]，在煤直接液化生產過程中會產生約占原煤量30%的液化殘渣。將煤液化殘渣進行溶劑油萃余得到重質油和瀝青是煤液化殘渣深加工的一種途徑，煤液化殘渣及其萃余物是一種高碳、高灰、高硫且成分復雜的固體混合物，主要含未轉化的煤、無機礦物質以及煤液化催化劑[2]，氫碳比高、熱值高、利用價值極高，其有效利用不僅可以提高煤液化過程的熱效率和經濟性，而且能減少污染物的排放，有效地保護環境。

目前煤液化殘渣利用途徑主要有氣化、燃燒、熱解三種。方薪暉等[2]和顏井沖等[3]對煤液化殘渣氣化性能進行了研究，發現煤液化殘渣氣化性能優于原煤，原因是液化殘渣含富集的原煤礦物質和煤液化使用的鐵系催化劑，對氣化有一定的催化作用。方磊等[4]對煤液化殘渣的燃燒特性進行了研究，發現煤液化殘渣燃燒時活化能較褐煤高，著火溫度較高，燃燒性能良好。盡管實驗證明殘渣作為燃料發電是可行的，但其環保性和經濟性卻受到人們的質疑。殘渣中含有高沸點油類及瀝青類物質，通過熱解可回收重質油，增加液體產品回收率，但焦炭的利用需考慮殘渣中的礦物質和催化劑的影響。神華煤制油化工公司上海研究所[5]采用溶劑萃取方式，將煤液化瀝青分離出來，利用價值得到很大提升，殘渣萃余物剩下的約50%的不可溶物可配煤氣化制氫，實現了煤液化殘渣的高效清潔利用。

煤液化殘渣利用研究還在不斷開展當中，大多集中在煤液化殘渣氣化燃燒熱解特性方面。模擬仿真方面的研究，大多集中在煤液化反應器的模擬與驗證[6-8]，而基于Aspen Plus將煤液化殘渣萃余物作為原料進行工藝設計及模擬計算相關方面的研究工作卻少見報道。

本研究以神華煤直接液化殘渣萃余物為原料，以發電為目標產物，采用Aspen Plus流程模擬軟件分別構建了煤液化殘渣萃余物氣化聯合循環發電系統、煤液化殘渣萃余物燃燒發電系統和煤液化殘渣萃余物熱解燃燒發電系統，并分別對上述三個系統進行能效分析、環境影響評價和經濟性評價，為煤液化殘渣萃余物的綜合高效合理利用提供依據。

1 系統描述

1.1 煤液化殘渣萃余物氣化聯合循環發電系統

神華煤液化殘渣萃余物的工業分析及元素分析見表1.煤液化殘渣萃余物氣化發電過程采用Aspen Plus軟件模擬，流程如圖1所示，系統物性方法選用PR-BM.深冷法是目前可大規模生產氧氣和氮

表1 神華煤直接液化殘渣萃余物的工業分析及元素分析

圖1 煤液化殘渣萃余物氣化發電流程

氣的成熟技術，并且可以與燃氣輪機聯合循環進行集成，本文對空分制氧單元不做模擬，采用參考文獻中的深冷制氧能耗0.245 kWh/kg[9]進行計算；已有文獻中對煤氣化的模擬采用熱力學模擬，模擬結果與實際運行數據相符[10]，故本文也采用此方法，即采用RStoic反應器和RGibbs反應器模擬氣化反應過程。在輸入條件一致時，模擬結果與實際運行結果對比見表2，模擬結果可靠[11]。煤液化殘渣萃余物為非常規組分，進入RStoic反應器后按照質量平衡分解為常規組分，在模塊出口各元素均以單質形式出現，如C、H2、O2、S、N2，這些常規組分在RGibbs反應器中與空分制的氧氣和水蒸氣發生氣化反應生成高溫合成氣，經廢熱鍋爐換熱后進入凈化單元除塵脫硫，凈化的合成氣進入燃氣輪機燃燒發電，煙氣進入余熱鍋爐實現熱回收后排放。通常，余熱鍋爐的設計原則是據燃氣輪機的排氣溫度來選擇蒸汽循環方式。當燃氣輪機排氣溫度低于538 ℃時，不采用再熱循環方案，但可以是單壓、雙壓或三壓循環方式。當燃氣輪機排氣溫度高于593 ℃時，則可考慮采用三壓有再熱循環方式[12]。本文選擇主流F級燃氣輪機，其燃氣透平初溫為1 350 ℃、排氣溫度超過600 ℃，因而余熱鍋爐汽水系統選取三壓再熱結構，以提高余熱鍋爐效率。系統參數設置見表3.

表2 氣化模型模擬結果驗證

表3 煤液化殘渣萃余物氣化/燃燒/熱解發電各單元參數匯總

1.2 煤液化殘渣萃余物燃燒發電系統

煤液化殘渣萃余物直接燃燒發電系統的發電效率可參考文獻[12](超臨界燃煤機組的主蒸汽參數為24.0 MPa/538 ℃/566 ℃)，發電效率參考為43%，本文不對其進行計算。

在Aspen plus中僅構建煤液化殘渣萃余物直接燃燒模型,在燃料充分燃燒的條件下，得到煤液化殘渣萃余物直接燃燒煙氣中污染物的排放量，用于環境影響評價。

1.3 煤液化殘渣萃余物熱解燃燒發電系統

李軍等[13]對煤液化殘渣的熱解特性進行了研究，發現熱解溫度會影響熱解產物，為了準確地獲得煤液化殘渣萃余物熱解產物即熱解煤氣、焦油、焦炭各自的產率，本文對煤液化殘渣萃余物的熱解過程進行了實驗，實驗過程如下所述。

采用固定床反應器對煤液化殘渣萃余物的熱解產物的產率進行分析，實驗裝置包括氣路部分、加熱爐、石英管反應器、程序升溫控制儀、三級冷凝冷卻和氣體分析儀。氣路部分用質量流量計對N2流量進行精準控制，N2用于實驗前吹掃反應器中的空氣并且在熱解過程中及結束后起到保護氣的作用，取煤液化殘渣萃余物樣品5 g置于反應器內，通N2半小時吹掃反應器內空氣后，將反應器推入加熱爐中，通入N2(流量200 mL/min)，加熱爐以10 ℃/min加熱至900 ℃(由于煤液化殘渣萃余物中揮發分較少，因此采用高溫熱解)，恒溫30 min.反應結束后對剩余固體進行稱量求得焦炭產率，通過對熱解氣體進行氣相色譜分析可獲得氣體組成，從而求得熱解氣體產率，最后用差減法求得焦油產率，如表4所示。

表4 煤液化殘渣萃余物熱解產物組成

煤液化殘渣萃余物的熱解發電過程，如圖2所示，熱解反應器采用Yield反應器模型模擬，熱解產物分布根據實驗結果確定。熱解煤氣與焦油以氣態進入熱回收單元進行冷卻，分離煤氣與焦油，煤氣返回熱解爐燃燒與空氣燃燒提供熱解所需熱量，燃燒后的高溫煙氣進入余熱鍋爐加熱蒸汽發電，焦炭進入燃煤鍋爐發電。

圖2 煤液化殘渣萃余物熱解燃燒發電流程

2 評價方法

2.1 能效評價

系統能效η：

(1)

式中：Wnet為系統發電凈功率，MW；mtar為輸出的煤液化殘渣萃余物熱解焦油量，kg/s；VLH,tar為煤液化殘渣萃余物熱解焦油的低位熱值，38.37 MJ/kg[14]，僅在煤液化殘渣萃余物熱解燃燒發電系統具有該產物；mERCLR為輸入的煤液化殘渣萃余物量，kg/s；VLH,ERCLR為煤液化殘渣萃余物的低位熱值，MJ/kg.

2.2 環境影響評價

對不同煤液化殘渣萃余物發電路徑進行全球變暖潛值、酸化潛值、富營養化潛值和光化學煙霧潛值分析。表5為環境影響分類以及相關的特征化標準化參考數值[15]。

表5 環境影響類型與相關特征化標準化因子

2.3 經濟性評價

單位發電成本(COE)是比較不同發電技術的主要經濟指標，計算見公式(2)：

(2)

式中：AOC為年度運營成本，CNY；T為電廠年運行小時數，設電廠運行率85%；Wnet為系統發電凈功率，kW。

總投資成本TCI包括固定投資成本(FCI)和營運資本(WC)，采用相關比例系數進行計算[16-18]，見表6.使用費用系數法[19]計算各系統設備投資，該方法主要是根據報道以及文獻資料中的投資數據計算新系統的設備投資，表7列出了相關設備投資基礎數據。設備投資C由式(3)計算：

表6 總投資中各組成的比例系數

表7 設備投資基礎數據

(3)

式中：Cref為參考設備投資費用；S為實際生產能力；Sref為參考生產能力；N為規模指數。

年度運營成本(AOC)主要根據表8中各組成所占比例及相關假設進行計算[22-23]。

表8 年度運營成本相關假設

3 結果分析

3.1 能效分析

通過對三種工藝過程的性能比較，得出氣化發電效率最高，燃燒發電效率最低，如表9所示。煤液化殘渣萃余物氣化將化學能更多地轉化為合成氣，且合成氣經燃氣輪機聯合發電效率較高，故煤液化殘渣萃余物氣化聯合循環發電效率較高，為47.5%；而煤液化殘渣萃余物直接燃燒造成較大的不可逆能量損失，故發電效率較低，為43%；煤液化殘渣萃余物熱解燃燒發電系統中，熱解煤氣循環燃燒放熱提供殘渣萃余物熱解所需熱量，發電效率為45.3%.

表9 三種工藝過程的性能比較

3.2 環境影響分析

各系統氣體污染物排放量匯總見表10，將相應的氣體排放量代入表5中可計算出環境污染潛值，計算公式見公式(4).

表10 各系統煙氣中污染物排放量

(4)

從圖3可看出，氣化工藝所造成的環境影響在酸化方面顯著低于燃燒工藝和熱解工藝，原因是煤液化殘渣萃余物在氣化生成粗合成氣后進入除塵脫硫單元，除去合成氣中的H2S，從而降低了煙氣中的SO2排放量。煤液化殘渣萃余物直接燃燒發電中，燃燒后煙氣中SO2排放量大，酸化潛值較大。熱解產物焦炭含硫量高，燃燒后煙氣中SO2排放量大，酸化潛值較大。與燃燒和熱解相比，煤液化殘渣萃余物氣化發電對環境影響最小。三個系統在富營養化方面的環境影響均較小，氣化工藝中，空分所得氮氣經增壓回注到燃氣輪機中，造成煤液化殘渣萃余物氣化聯合循環發電煙氣富營養化影響略高于其他兩種發電方式。

圖3 三種工藝環境影響分類特征化比較

由上可知，煤液化殘渣萃余物通過采用煤氣化聯合循環發電技術可實現液化殘渣萃余物的清潔高效利用，與煤液化殘渣萃余物直接燃燒發電和煤液化殘渣萃余物熱解燃燒發電相比，環保優勢顯著。

3.3 經濟性分析

從表11可知，煤液化殘渣萃余物氣化聯合循環發電設備單元較多，包括空分制氧、氣化爐、凈化單元、燃氣輪機、蒸汽輪機和余熱鍋爐，與煤液化殘渣萃余物燃燒發電相比，設備成本投資較高，達10.34億，煤液化殘渣萃余物燃燒發電設備投資達10.11億。

表11 三種工藝設備成本投資匯總

在經濟評價的基本假設和電廠AOC被準確估計的情況下，根據公式(2)計算得出：煤液化殘渣萃余物氣化聯合循環發電系統的單位發電成本為0.44 CNY/kWh，煤液化殘渣萃余物燃燒發電系統的單位發電成本為0.48 CNY/kWh，煤液化殘渣萃余物熱解燃燒發電系統的單位發電成本為0.69 CNY/kWh，額外副產低位熱值為55 MW的焦油。

4 結論

本文對煤直接液化殘渣萃余物的氣化、燃燒和熱解三種利用途徑進行考察，發現：煤液化殘渣萃余物氣化聯合循環發電效率高，對環境影響潛值最小，設備投資較高，但發電成本低；煤液化殘渣萃余物燃燒發電效率較低，對環境影響潛值較大，設備投資相對較高；煤液化殘渣萃余物熱解燃燒發電效率高，對環境影響潛值較大，設備投資相對較低，發電成本高。

可見，煤液化殘渣萃余物氣化聯合循環發電系統較另外兩種利用途徑優勢顯著，對煤液化殘渣萃余物的回收利用可優先考慮煤液化殘渣萃余物氣化聯合循環發電，不建議采用直接燃燒的方式進行回收利用。

此外，煤液化殘渣萃余物的性質在很大程度上受固液分離技術的影響，需要根據煤液化殘渣萃余物的組分性質選用適合的利用途徑。從技術、經濟、環保及工程可行性等多角度考慮，將煤液化殘渣萃余物熱解，焦油配入煤油漿，通過加氫可生產高附加值的油品，產品固體焦經過氣化可生產富氫氣體，用于煤加氫液化；另外，煤液化殘渣萃余物熱解下游也可考慮多聯產工藝，如焦炭氣化制化學品等可進一步提高系統能效。