耦合綠電煤氣化生產(chǎn)化學(xué)品過(guò)程CO2減排潛力

孫 益,郭嘯晉,徐 祥,3

(1.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所 能源動(dòng)力研究中心,北京 100190;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.江蘇中科能源動(dòng)力研究中心,江蘇 連云港 222069)

0 引 言

降低CO2排放以控制全球溫度上升已成為共識(shí),根據(jù)《巴黎協(xié)定》本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)“2 ℃以內(nèi)溫升”的目標(biāo),需減少CO2排放35.5 Gt[1]。為實(shí)現(xiàn)這一減排量,可再生能源逐步替代傳統(tǒng)化石是能源供應(yīng)的趨勢(shì)。然而由于可再生能源周期性、波動(dòng)性、分布不均勻等特點(diǎn),需結(jié)合儲(chǔ)能使其得以有效應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外常規(guī)儲(chǔ)能方法有儲(chǔ)能電站(如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能電站)、基于可再生能源綠電的電解水制氫裝置或綠電供熱[2]。在上述過(guò)程中,可再生能源分別轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、化學(xué)能和熱能,其中向化學(xué)能和熱能的轉(zhuǎn)化更易與其他生產(chǎn)(如冶金、化工等)過(guò)程進(jìn)行耦合。相比向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化,可再生能源向熱能轉(zhuǎn)化后耦合現(xiàn)有過(guò)程對(duì)生產(chǎn)裝備的改造更小,因此更具可實(shí)施性。

除能源外,碳基化學(xué)品也是人類社會(huì)的必需品,然而由于可再生能源的不穩(wěn)定性,為實(shí)現(xiàn)碳基化學(xué)品的穩(wěn)定生產(chǎn),仍需以化石能源作為碳源。我國(guó)富煤貧油少氣的化石能源結(jié)構(gòu)特征要求我國(guó)碳基化學(xué)品生產(chǎn)須以煤為主。然而無(wú)論何種煤基化學(xué)品生產(chǎn),其單位產(chǎn)品的CO2排放均偏高。將可再生能源耦合煤基化學(xué)品生產(chǎn)為煤基化學(xué)品生產(chǎn)過(guò)程供熱有望降低化學(xué)品生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放。大部分煤基化學(xué)品合成以煤氣化為源頭。由于煤氣化反應(yīng)吸熱,因此需在氣化裝置中燃燒約25%煤以維持反應(yīng)器自熱平衡。使用可再生能源為煤氣化反應(yīng)提供所需熱量,則可避免煤燃燒供熱,從而實(shí)現(xiàn)CO2直接減排。此外,由于可再生能源供熱的氣化反應(yīng)器中H2不再被O2消耗,因此可能獲得氫碳比(H/C)更高[3]的合成氣,這意味著后續(xù)變換工段的CO2排放也可能降低。以煤制甲醇(Coal to Methanol, CTM)工藝為例,CO2排放強(qiáng)度約2.2 t/t(以甲醇計(jì))[4-7],其中氣化工段CO2排放強(qiáng)度為1.2 t/t,變換工段CO2排放強(qiáng)度為1.0 t/t。使用可再生能源供熱后,至少可減少該過(guò)程中CO2排放強(qiáng)度1.2 t/t,甚至能進(jìn)一步降低變換工段的CO2排放強(qiáng)度。通過(guò)可再生能源生產(chǎn)的電力(綠電)供熱方法較太陽(yáng)能直接供熱等方法更易實(shí)現(xiàn)。由于煤氣化過(guò)程合成氣的組分受原料種類、氣化反應(yīng)器類型及氣化溫度影響[8-9],不同化學(xué)品生產(chǎn)需要不同合成氣H/C,因此耦合綠電供熱的煤氣化技術(shù)CO2減排潛力不同。

筆者基于Aspen Plus軟件對(duì)固定床、氣流床、輸運(yùn)床和流化床氣化反應(yīng)器進(jìn)行模擬,驗(yàn)證了模型對(duì)不同原料不同常規(guī)氣化反應(yīng)器模擬的有效性,獲取了耦合綠電供熱后合成氣組分在不同溫度和反應(yīng)器影響下的變化規(guī)律?；谀M結(jié)果,對(duì)煤基不同化學(xué)品生產(chǎn)的CO2減排潛力進(jìn)行分析,為耦合綠電供熱的煤基化學(xué)品生產(chǎn)的氣化條件選擇提供參考。

1 模型及系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

參考Aspen Plus對(duì)煤氣化過(guò)程模擬簡(jiǎn)化煤氣化反應(yīng)器,假設(shè):① 煤中灰分為惰性組分,不參與氣化反應(yīng);② 氣化反應(yīng)處于穩(wěn)態(tài),氣化爐為集中參數(shù)模型;③ 氣化爐中傳熱傳質(zhì)和反應(yīng)導(dǎo)致組分與化學(xué)平衡之間的偏差用溫度偏差ΔT和壓力偏差ΔP修正。

對(duì)固定床、氣流床、輸運(yùn)床和流化床4種反應(yīng)器的常規(guī)氣化和耦合綠電供熱氣化在Aspen Plus中建模計(jì)算,模擬流程如圖1(常規(guī))和圖2(綠電)所示。

圖1 常規(guī)氣化爐模擬流程

圖2 耦合綠電氣化模型流程

圖1傳統(tǒng)氣化模型中,氣化反應(yīng)器為以經(jīng)驗(yàn)參數(shù)修正的RGibbs模塊;碳轉(zhuǎn)化率通過(guò)Sep模塊控制為98%;氣化反應(yīng)器散熱量通過(guò)Q-loss控制為進(jìn)口煤總熱值的2%[10]。對(duì)于固定床模型,依次使用RYield和RStoic模塊模擬熱解,參考實(shí)際固定床氣化爐,熱解模塊溫度(900 K)與氣化模塊不同。對(duì)于氣流床、輸運(yùn)床和流化床,熱解由RYield模塊結(jié)合程序內(nèi)置計(jì)算器與FORTRAN編程進(jìn)行模擬[11];由于氣流床、輸運(yùn)床和流化床熱解反應(yīng)在相對(duì)高溫下(>1 273 K)發(fā)生,因此在熱解部分將煤分解成C(s)、H、O、N、S(s)和灰分[12]等單質(zhì)并在后續(xù)反應(yīng)器模塊中反應(yīng)。反應(yīng)器模型使用煤種與試驗(yàn)一致,其工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1。此外,為便于與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,固定床和氣流床模型為純氧氣化,輸運(yùn)床和流化床模型為空氣氣化。

表1 模型與試驗(yàn)中煤的工業(yè)分析和元素分析

耦合綠電供熱氣化模型中,物理特性和方法與傳統(tǒng)化模型相同,耦合綠電供熱的氣化反應(yīng)器不輸入氧氣,僅輸入水蒸氣,且水蒸氣量及煤種與對(duì)應(yīng)的常規(guī)氣化反應(yīng)器相同(圖2)。Q-in為由綠電提供的氣化吸熱,因此耦合綠電供熱氣化模型中不發(fā)生碳和氧氣燃燒反應(yīng)。

此外,由于可再生能源的周期性和波動(dòng)性,即使使用相對(duì)穩(wěn)定的綠電供熱,其效率仍低于穩(wěn)定電力供熱,因此需計(jì)算綠電加熱效率與氣化系統(tǒng)效率關(guān)系。耦合綠電供熱的氣化系統(tǒng)效率可ηe-system為單位

質(zhì)量煤產(chǎn)生合成氣的低位熱值和單位質(zhì)量煤低位熱值及加熱單位質(zhì)量煤電量之比:

(1)

(2)

式中,ηelec為綠電加熱效率;Qheat為由綠電提供的熱量,kJ/kg;Qelec為消耗的綠電量,kJ/kg;LHVsyngas為合成氣的低位熱值,kJ/kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型驗(yàn)證

根據(jù)系統(tǒng)模擬的常規(guī)方法,使用平衡溫距結(jié)合RGibbs模塊可使模型與試驗(yàn)結(jié)果較相符,因此通過(guò)向RGibbs模塊加入2個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)ΔT和ΔP以改善模型預(yù)測(cè)能力。不同氣化反應(yīng)器模型經(jīng)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。不同常規(guī)氣化反應(yīng)器的模擬與試驗(yàn)[3,13-14,16]結(jié)果如圖3(a)所示(工況分別為:固定床1 300 K,2.50 MPa;氣流床1 500 K,2.50 MPa;輸運(yùn)床1 100 K,3.00 MPa;流化床1 100K,1.65 MPa),不同工況(包括不同煤種和不同溫度)下常規(guī)氣流床的模擬和試驗(yàn)結(jié)果如圖3(b)所示(壓力均為0.83 MPa;溫度為:Run 1 1 567 K(Illnois 6號(hào)煤)、Run 2 1 677 K(Illnois 6號(hào)煤)、Run 3 1 520 K(Illnois 6號(hào)煤)、Run 4 1 571 K(Wyodak煤)、Run 5 1 516 K(Wyodak煤))?？芍M與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好。因經(jīng)驗(yàn)參數(shù)數(shù)量小于氣體種類數(shù)量,所以經(jīng)驗(yàn)參數(shù)ΔT和ΔP可對(duì)實(shí)際反應(yīng)器中傳熱傳質(zhì)和反應(yīng)的影響進(jìn)行有效修正,修正后模型可有效預(yù)測(cè)常規(guī)氣化反應(yīng)器生產(chǎn)的合成氣組分。由于耦合綠電供熱氣化反應(yīng)器操作參數(shù)與常規(guī)氣化反應(yīng)器相近,因此可推斷模型能相對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)生產(chǎn)的合成氣組分。

表2 各氣化模型經(jīng)驗(yàn)參數(shù)

圖3 不同氣化爐氣體產(chǎn)品的模擬結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 耦合綠電供熱效率對(duì)氣化系統(tǒng)熱效率的影響及CO2減排因素

考慮到綠電的波動(dòng)性和不穩(wěn)定性,綠電需通過(guò)加熱和蓄熱裝置并聯(lián)實(shí)現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定供熱。一般采取綠電加熱蓄熱器,通過(guò)熱載體蓄熱或相變蓄熱等方式為入氣化爐的氣化劑和原料加熱,以降低綠電波動(dòng)對(duì)氣化反應(yīng)器的影響。蓄熱裝置類型和耦合綠電方式均會(huì)降低綠電轉(zhuǎn)化為熱量的效率,如采用石英砂或相變蓄熱裝置,典型熱效率會(huì)降至75%或80%[17-19]。參考文獻(xiàn)[17-19]電加熱效率范圍,根據(jù)式(1)、(2)分別計(jì)算不同電加熱效率下模型設(shè)置工況與試驗(yàn)一致時(shí)的系統(tǒng)效率,結(jié)果如圖4所示。

圖4 電加熱效率對(duì)不同耦合綠電氣化反應(yīng)器系統(tǒng)效率的影響

圖4中,虛線為各類常規(guī)氣化反應(yīng)器的系統(tǒng)效率,典型常規(guī)反應(yīng)器效率分別為90%(BGL固定床)、85%(高溫Winkler,HTW)和81%(Shell氣流床)[20]。與常規(guī)氣化反應(yīng)器系統(tǒng)效率相比,耦合綠電供熱(熱效率為80%時(shí))的氣化反應(yīng)器效率降低23.94%～33.14%。考慮到目前針對(duì)可再生能源棄風(fēng)棄光的情況,用于供熱的綠電很難上網(wǎng),因此雖然使用綠電供熱導(dǎo)致系統(tǒng)效率較常規(guī)氣化低,但由于使用難以上網(wǎng)的可再生能源,因此供熱成本反而比燃煤供熱更低。此外,耦合綠電供熱的氣化反應(yīng)器系統(tǒng)效率均隨電加熱效率提高而增加,其中固定床效率由63.66%增至70.81%,氣流床效率由46.86%增至49.85%,輸運(yùn)床效率由50.64%增至53.75%。輸運(yùn)床氣化系統(tǒng)效率隨電加熱效率的變化趨勢(shì)與氣流床類似,但相同電加熱效率下相比氣流床提高3.8%,由于模型中輸運(yùn)床比氣流床運(yùn)行溫度低368 K,說(shuō)明控制氣化反應(yīng)器溫度可提高系統(tǒng)效率。然而固定床氣化溫度僅比輸運(yùn)床溫度低155 K,其效率較輸運(yùn)床高13%以上。由于固定床自身設(shè)計(jì)更合理,高品位熱為高溫反應(yīng)(氣化)供能、低品位熱為低溫反應(yīng)(熱解)供能,實(shí)現(xiàn)了能量梯級(jí)利用,總體而言效率更高,因此相同電加熱效率下系統(tǒng)效率明顯更高。此外,固定床氣化系統(tǒng)效率對(duì)電加熱效率更敏感(固定床系統(tǒng)效率對(duì)電加熱效率的導(dǎo)數(shù)約0.48;輸運(yùn)床和氣流床系統(tǒng)效率對(duì)電加熱效率的導(dǎo)數(shù)則約0.20),如電加熱效率降至50%乃至更低,固定床氣化系統(tǒng)效率優(yōu)勢(shì)顯著降低。因此,對(duì)于波動(dòng)性較小的綠電供應(yīng),應(yīng)盡量采用解耦熱解和氣化的反應(yīng)裝置提高系統(tǒng)效率;對(duì)于波動(dòng)性較大的綠電供應(yīng),因加熱和蓄熱裝置并聯(lián),電加熱效率很低,解耦熱解和氣化帶來(lái)的效率提升幅度較小,因此為簡(jiǎn)化系統(tǒng),可考慮采用流化床或輸運(yùn)床氣化裝置。

常規(guī)和耦合綠電供熱氣化反應(yīng)器所得合成氣組分對(duì)比如圖5所示。為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)耦合綠電供熱前后氣體組分進(jìn)行比較,對(duì)空氣氣化試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,除去N2后的組分如圖5(c)、5(d)藍(lán)點(diǎn)所示。由圖5可知,無(wú)論何種反應(yīng)器形式,耦合綠電供熱后合成氣組分均變化顯著:H2含量更高,而CO2含量更低。對(duì)于CO、H2和CH4,耦合綠電供熱前后差異則隨反應(yīng)器種類不同而變化。耦合綠電供熱后,CO2摩爾分?jǐn)?shù)分別減少12.63%(固定床)、11.01%(氣流床)、9.23%(輸運(yùn)床)和5.12%(流化床),這是由于綠電耦合消除了燃燒供熱而降低了CO2含量;H2摩爾分?jǐn)?shù)分別增加了12.33%(固定床)、18.59%(氣流床)、31.50%(輸運(yùn)床)、35.12%(流化床)。此外,耦合綠電供熱后,CO總體下降,CH4總體上升。CO下降是由于耦合綠電后碳的不完全燃燒反應(yīng)被消除,H2和CH4提高則由于O2與H2和CH4的燃燒反應(yīng)被消除。因此,耦合綠電供熱后,合成氣H/C上升。

圖5 耦合綠電氣化模型和傳統(tǒng)氣化模型氣體組分對(duì)比

由圖3、4可知,合成氣組分可能受煤種類、操作溫度和反應(yīng)器類型影響。雖然RGibbs模塊不能反映反應(yīng)器層面的差異,但通過(guò)引入經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和熱解與氣化反應(yīng)的解耦,反應(yīng)器類型對(duì)合成氣組分的影響可以體現(xiàn)。固定反應(yīng)溫度可分析煤種和反應(yīng)器類型對(duì)組分的影響。1 473 K下耦合綠電供熱氣化反應(yīng)器的主要合成氣組分(H2、CO、CH4和CO2)如圖6所示。可知?dú)饬鞔才c輸運(yùn)床的合成氣組分非常相似,流化床合成氣中CO和CO2與氣流床和輸運(yùn)床幾乎無(wú)差異,H2和CH4含量則與氣流床和輸運(yùn)床存在一定差異。流化床模型壓力為常壓,而輸運(yùn)床和氣流床壓力則分別為3.0和4.2 MPa,更高壓力會(huì)導(dǎo)致化學(xué)平衡向生成CH4方向移動(dòng),因此輸運(yùn)床和流化床合成氣組分中CH4含量更高、H2含量更低。圖3(b)表明原料為次煙煤(Wyodak)和高揮發(fā)分煙煤(Illinois 6號(hào))對(duì)氣流床合成氣組分的影響遠(yuǎn)小于操作溫度不同帶來(lái)的影響,圖6表明盡管氣流床和輸運(yùn)床原料不同,其在相同溫度下合成氣組分大致相同;因此原料對(duì)合成氣組分影響不大。固定床合成氣組分中CO和CO2與其他模型結(jié)果存在顯著差異(約12%),由于溫度一致、原料不同的影響有限,因此可判斷解耦熱解和氣化反應(yīng)對(duì)CO和CO2造成影響。由于固定床模型中熱解反應(yīng)使用有具體產(chǎn)率的RYield模塊,因此大量生成的CO2直接進(jìn)入合成氣中,而不進(jìn)行后續(xù)CO2與C反應(yīng),從而使固定床合成氣具有較高的CO2含量。因此,盡管固定床熱效率最高,但煤中C向CO轉(zhuǎn)化的選擇性不是最高,可能導(dǎo)致合成單位質(zhì)量化學(xué)品煤耗更高。因此,如無(wú)法將熱解部分產(chǎn)生的CO2捕集分離后送入氣化部分,固定床效率優(yōu)勢(shì)難以彌補(bǔ)碳選擇性的劣勢(shì)。

圖6 不同耦合綠電氣化反應(yīng)器合成氣組分模擬結(jié)果

不同氣化反應(yīng)器在不同溫度下的氣體產(chǎn)物組成和氣體產(chǎn)物產(chǎn)率分別如圖7、8所示。模型溫度為以常規(guī)氣化反應(yīng)器典型操作溫度為中心的±150 K。由圖7、8可知,耦合綠電供熱的固定床合成氣隨溫度的變化趨勢(shì)與其他反應(yīng)器略不同。如對(duì)于電加熱氣流床、電加熱輸運(yùn)床和電加熱流化床,CO和H2含量和摩爾流量隨溫度升高而增大,CO2和CH4含量和摩爾流量隨溫度升高而減少。在電加熱固定床中,H2和CH4變化趨勢(shì)相對(duì)不明顯。因此,即使改變反應(yīng)溫度,解耦熱解和氣化反應(yīng)對(duì)合成氣組分的影響仍存在。因此可分析合成氣H/C,并與下游水煤氣變換單元的CO2排放結(jié)合,判斷不同化學(xué)品生產(chǎn)中在不同反應(yīng)器耦合綠電供熱降低CO2排放潛力。

圖7 不同溫度下不同電加熱氣化反應(yīng)器的氣體產(chǎn)物組成

圖8 不同溫度下不同電加熱氣化反應(yīng)器的氣體產(chǎn)物摩爾流量

2.3 耦合綠電煤氣化為源頭的化學(xué)品合成過(guò)程CO2減排潛力分析

由于常規(guī)氣化反應(yīng)器生產(chǎn)的合成氣H/C較低,因此需通過(guò)水煤氣變換單元將部分CO變換為H2以提高H/C。如殼牌氣化爐合成氣H/C僅0.5、典型流化床氣化反應(yīng)器合成氣H/C為0.7～0.8[6,21],而對(duì)于典型甲醇合成,合成氣所需H/C略高于2.0(實(shí)際過(guò)程中為2.00～2.15);對(duì)于典型的液化天然氣(LNG)合成,合成氣所需H/C約3.0(實(shí)際過(guò)程中為3.1～3.2),但變換將導(dǎo)致大量CO2生成和排放。由圖5可知,耦合綠電氣化后合成氣中H2含量顯著提高,即合成氣H/C提高,因此后續(xù)變換反應(yīng)程度可降低,變換單元的CO2排放也可有效降低。

耦合綠電供熱的不同反應(yīng)器生產(chǎn)合成氣的H/C如圖9所示,可知固定床的H/C隨溫度升高而降低。對(duì)于氣流床、輸運(yùn)床和流化床而言,溫度不超過(guò)1 500 K時(shí),H/C隨溫度升高而降低,而高于1 500 K時(shí),H/C隨溫度升高緩慢增加。1 500 K前后合成氣H/C趨勢(shì)改變是由于甲烷分解反應(yīng)的H2產(chǎn)率高于CO生成產(chǎn)率,造成1 500 K以下時(shí)合成氣H2隨溫度的一階導(dǎo)數(shù)與CO隨溫度的導(dǎo)數(shù)在不同反應(yīng)器中趨勢(shì)不同,總體而言CO隨溫度的導(dǎo)數(shù)更大。因此固定床、流化床和輸運(yùn)床所產(chǎn)合成氣H/C呈下降趨勢(shì);1 500 K以上時(shí),氣流床、輸運(yùn)床和流化床所產(chǎn)合成氣的H2隨溫度的一階導(dǎo)數(shù)大于CO,因此合成氣的H/C呈緩慢增加趨勢(shì)。即使耦合綠電供熱煤氣化合成氣的H/C最小值為1.36,也顯著高于常規(guī)氣化反應(yīng)器的合成氣H/C。合成氣H/C分別為2.48～3.50(固定床)、1.36～1.45(流化床)、1.36～2.22(輸運(yùn)床)、1.51～2.04(流化床)。此外,耦合綠電供熱的固定床合成氣中H/C趨勢(shì)與其他裝置不同,相同溫度下固定床氣化反應(yīng)器的H/C更高,因此盡管解耦熱解與氣化反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致熱解單元有CO2排放,碳選擇性下降,但合成氣H/C顯著增加。其余3種耦合綠電供熱反應(yīng)器H/C的差異與ΔP有關(guān),較低的操作壓力使合成氣中H2含量更高,CH4含量更低,因此H/C較高。

圖9 各電加熱反應(yīng)器的合成氣H/C隨溫度升高的趨勢(shì)

使用不同反應(yīng)器生產(chǎn)合成氣進(jìn)行不同煤基化學(xué)品合成,其CO2減排潛力有所不同。在化學(xué)品合成過(guò)程中,氣化和變換單元的CO2排放是CO2排放主要部分,因此可用氣化和變換單元的排放量分析不同反應(yīng)器生產(chǎn)合成氣合成不同煤基化學(xué)品過(guò)程的CO2減排潛力,具體見(jiàn)表3。表中負(fù)值表示比合成目標(biāo)化學(xué)品更高的H/C,可與低H/C合成氣混合生產(chǎn)化學(xué)品而減少CO2排放。由表3可知,耦合綠電煤氣化的不同化學(xué)品生產(chǎn)的減排潛力不同。對(duì)于甲醇生產(chǎn),使用固定床反應(yīng)器導(dǎo)致CO2排放更高,其主要來(lái)源即為解耦熱解單元后熱解單元的排放;對(duì)于合成油生產(chǎn),使用氣流床和流化床反應(yīng)器的合成氣將導(dǎo)致明顯更高的CO2排放,其主要原因是上述反應(yīng)器合成氣中偏低的H/C造成即使耦合綠電供熱仍需在變換單元排放大量CO2;而對(duì)于LNG生產(chǎn),由于其所需H/C更高,必須經(jīng)一定程度變換,因此使用不同反應(yīng)器排放的CO2偏差相對(duì)較小。此外,盡管電加熱固定床H/C高于其他氣化器(圖7),但熱解反應(yīng)器中產(chǎn)生大量CO2,導(dǎo)致固定床CO2排放量更高;而在LNG生產(chǎn)中,合成氣較高的H/C可減少熱解解耦引起的較高CO2排放,因而固定床總排放量與其他反應(yīng)器類似。此外,比較耦合綠電供熱的氣流床、輸運(yùn)床和流化床減排潛力可知,一般而言,反應(yīng)器溫度和壓力越低,總CO2排放量越低。

表3 電加熱氣化反應(yīng)器生產(chǎn)的煤基化學(xué)品合成過(guò)程的CO2減排潛力

以傳統(tǒng)氣化反應(yīng)器所產(chǎn)合成氣為源頭的甲醇、合成油和液化天然氣,其理論CO2排放量使用圖3數(shù)據(jù)計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表3?？芍M管輸運(yùn)床和流化床生產(chǎn)合成氣為源頭的化學(xué)品生產(chǎn)的CO2排放量并不具備優(yōu)勢(shì),但與傳統(tǒng)煤氣化理論排放量相比,耦合綠電供熱的流化床和輸運(yùn)床氣化反應(yīng)器總CO2排放比例則處于較低水平。與此相對(duì),由于解耦的熱解反應(yīng)中產(chǎn)生大量CO2,耦合綠電的固定床CO2總排放量與常規(guī)固定床理論排放比例相對(duì)較低。不解耦熱解和氣化反應(yīng)時(shí),操作溫度越低、壓力越低,總CO2排放比例則越低。由于實(shí)際反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)限制,為保證一定的氣化強(qiáng)度,煤氣化溫度至少保證在900 ℃以上,壓力則不低于常壓。解耦熱解和氣化反應(yīng)時(shí),為保證高碳選擇性和低CO2排放,需在熱解氣部分加入CO2分離裝置并將分離后的CO2作為一部分氣化劑輸入氣化反應(yīng)中。

此外,實(shí)際過(guò)程中,即使使用蓄熱裝置,更高的反應(yīng)溫度也會(huì)導(dǎo)致更高耦合綠電供熱難度。由于典型氣流床反應(yīng)器溫度在1 673 K以上,因此難以在較大規(guī)模裝置上實(shí)現(xiàn)耦合綠電供熱。相比之下,固定床、流化床和輸運(yùn)床反應(yīng)器采用蓄熱裝置預(yù)熱與綠電加熱耦合等方式實(shí)現(xiàn)氣化反應(yīng)供熱則難度更低,因此,若考慮反應(yīng)裝置簡(jiǎn)化,則應(yīng)該考慮在流化床和輸運(yùn)床中耦合綠電供熱;若希望同時(shí)達(dá)到高效率和高碳選擇性,則考慮在固定床中耦合綠電供熱。

3 結(jié) 論

1)耦合綠電供熱的氣化反應(yīng)器效率隨電加熱效率增加而升高,固定床效率優(yōu)勢(shì)明顯。對(duì)于波動(dòng)較小的綠電供應(yīng),可解耦熱解和氣化反應(yīng)以提高系統(tǒng)效率;對(duì)于波動(dòng)較大的綠電供應(yīng),可采用流化床和輸運(yùn)床。

2)與傳統(tǒng)氣化爐相比,在相同煤種、操作溫度和壓力下,耦合綠電供熱氣化反應(yīng)器的CO2體積分?jǐn)?shù)分別減少了12.63%(固定床)、11.01%(氣流床)、9.23%(輸運(yùn)床)和5.12%(流化床),合成氣H/C分別由2.33提高至2.84(固定床)、由0.77提高至1.39(氣流床)、由0.51提高至1.84(輸運(yùn)床)、由0.56提高至2.04(流化床)。

3)溫度對(duì)合成氣組分的影響顯著,原料對(duì)合成氣組分影響不大,解耦熱解和氣化反應(yīng)的反應(yīng)器同樣能影響合成氣組分;更低溫度和壓力的氣化反應(yīng)器具有更高的合成氣H/C和CO2減排潛力;考慮到耦合綠電的高溫反應(yīng)器存在的技術(shù)困難,耦合綠電的固定床、流化床和輸運(yùn)床反應(yīng)器更具可行性。