整体煤气化燃料电池发电与甲醇联产系统运行特性_孙少东.pdf

第 卷第 期洁 净 煤 技 术.年 月 整体煤气化燃料电池发电与甲醇联产系统运行特性孙少东，李 智，袁本峰，李延安，刘 云，刘 鑫，路文学，张志伟，李成新（西安交通大学 材料科学与工程学院 金属材料强度国家重点实验室，陕西 西安；山东能源集团有限公司 大型煤气化及煤基新材料国家工程研究中心，山东 济南；中国科学院 上海应用物理研究所，上海）移动阅读收稿日期：；责任编辑：白娅娜 ：基金项目：国家重点研发计划资助项目（）；山东能源集团重点科技资助项目（）作者简介：孙少东（），男，广东揭阳人，博士研究生。：通讯作者：李成新（），男，河北乐亭人，教授，博士。：引用格式：孙少东，李智，袁本峰，等 整体煤气化燃料电池发电与甲醇联产系统运行特性洁净煤技术，（）：，（）：摘 要：基于实际煤化工系统，开展煤气化化工与固体氧化物燃料电池、燃气透平耦合技术研究是加快 工程化及商业化发展的新思路。选取山东能源集团旗下内蒙古荣信化工多喷嘴对置式水煤浆气化生产甲醇系统，借助化工流程分析软件 开展煤气化化工与固体氧化物燃料电池、透平工艺流程构建，通过仿真计算研究运行参数对整体煤气化燃料电池发电与甲醇联产（）系统的影响，并对典型条件下系统化工品产出、电力和热力出力进行分析。在此基础上分析气化炉关键参数对各关键部件出力、效率及其他运行参数的影响。结果表明，甲醇生产装置联合燃料电池发电，使系统整体效率由 提高至，说明新系统在能源利用效率方面具有优越性。水煤浆浓度由 提升至 时，对燃料电池功率和效率影响最大，对整体效率提升较小。燃料电池效率由 提升至，功率由 提升至 ，透平 功率由 提升至。抽气占比由 提升至 时，由于抽气量相对合成气总量不到，因此对甲醇产量影响较小，整体效率由 提升至。通过抽取部分净化气实现“化工品热电”供给调节可行，建议通过设置并联备用机组实现发电机组扩容，以减少运行调控难度及维持燃料电池高效率。通过对原甲醇生产系统的优化设计，不仅提高了系统整体能效，也实现了从单一输出化工品、余热到“化工品热电”联供的转变，为缓解化工系统生产用电压力，优化产品多样性和经济性提供新思路。关键词：水煤浆气化制甲醇；固体氧化物燃料电池；燃气透平；整体煤气化燃料电池中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，（），年第 期洁 净 煤 技 术第 卷，：；引 言我国化石资源以煤炭为主，以煤基发电为代表的火力发电机组发电量占比长期超过。其中，整体煤气化燃料电池（，）是双碳目标下煤炭发电的根本变革性技术，融合了洁净煤和调峰灵活性技术。与整体煤气化联合发电技术（）、超超临界发电技术等相比，在发电效率提升、捕集和减排方面具有更大优势。国内 领域研究起步相对较晚，相关代表机构有北京低碳清洁能源研究所、中国矿业大学（北京）、中国华能集团有限公司和中国神华能源股份有限公司等，主要从事 部件开发及系统集成研究。等对 级 示范系统进行模拟和分析，并采用煤气化合成气对 机组进行测试，直流效率达；等分别建立了基于 气化炉和壳牌气化炉 种炉型的 级 系统模型，并对 种 系统进行能量分析。结果表明，系统的直流发电效率和净效率分别为 和，均高于壳牌 系统的 和；等应用仿真方法对燃烧室关键性能指标进行研究，通过试验进行验证。结果表明，获得火焰稳定性的理想冷凝温度为 ，在纯氧火焰燃烧条件下，几乎完全转化，并建议氧气过量系数不低于 以最大限度捕获，促进 与 捕集相结合的系统设计。目前，与传统燃煤电站相比，系统在投资规模、经济性、技术成熟度等方面还有一定 劣势。由于煤制合成气成分复杂，且固体氧化物燃料电池（）对合成气中硫、氯等元素较敏感，深度脱除工艺往往导致整体能效降低，煤气化与燃料电池结合存在诸多困难。因此 暂时还没有成熟的商业化应用，对 系统 研 究 多 基 于模拟。通常情况下，煤化工装置对合成气中硫、氯等元素同样有较高要求。甲醇合成装置中间气体中毒素含量低于煤制合成气，使煤气化化工与 结合更现实可行。为加快 的工程化及商业化进程，必须基于投产的煤气化化工系统与燃料电池（简称）、燃气透平技术（简称）的复合系统，实现“化工品热电”联供，提高投产煤气化化工系统的经济性或能效。其中煤气化化工燃料电池发电与甲醇联产技术（，）尤为重要。笔者首先介绍所构建 系统的基本流程，并对典型条件下系统化工品产出、电力和热力出力进行分析。在此基础上，针对气化炉关键参数对各关键部件出力、效率及其他运行参数的影响规律进行分析，为 系统的设计及性能优化提供参考。系统设计选用山东能源集团旗下内蒙古荣信化工有限公司多喷嘴对置式水煤浆气化炉制取甲醇系统为研究对象，基于 软件建立 仿真模型，分析水煤浆系统参数变化对联合系统运行特性的影响。构建的系统工艺流程如图 所示，虚线框为原多喷嘴对置式水煤浆气化炉制取甲醇系统部分装置。孙少东等：整体煤气化燃料电池发电与甲醇联产系统运行特性 年第 期图 系统工艺流程 系统中，原煤经磨煤等预处理过程后与水混合，再由高压煤浆泵输送进入气化炉，在贫氧条件下发生反应，生成以、等为主要成分，同时含有、灰渣等杂质的粗煤气，温度约 。粗煤气经若干换热器后，进入煤气冷却器（激冷）进行高品位热量回收，产生高压过热蒸汽，随后进入煤气净化单元。在煤气净化单元，降温后的粗煤气经过除尘、水洗、部分水汽变换、低温甲醇洗等过程去除其中粉尘和硫化物等杂质，得到净化气。净化气压力在 左右，经压缩机加压后，与循环气一道进入合成塔反应生成甲醇，塔出口为气汽混合物，以、等为主，经过气液分离后，得到以、为主的粗甲醇。剩下的排气大部分作为循环气，经过再次加压后返回甲醇合成塔中，小部分作为驰放气，经过提纯装置进一步分离出富氢气，再返回循环气中，而非渗透气可进入燃料电池单元阳极，在约 压力下与进入阴极空气中的氧气发生电化学反应，将化学能直接高效转化为电能并产生热量。部分未反应的燃料气与反应后生成的、一起进入燃烧器燃烧后，进入透平回收部分能量。此外，为调节“化工品热电”间负荷，部分合成气通过抽气回路与非渗透气共同前往发电设备。与传统 系统相比，该系统通过燃料电池、燃气透平利用甲醇合成装置的排气发电，同时，利用粗煤气加热抽气、燃料电池阳极和阴极气体，可实现能量梯级利用，能源利用效率更高。其次，如果燃料电池阳极烟气经热量回收后，直接前往捕集装置，不参与混合燃烧及透平做功过程，捕集效率更高。本次讨论中暂不考虑 捕集问题，电池阳极排气参与混合燃烧及透平做功，以求整体效率最大化。系统所用原料煤的工业分析和元素分析见表。表 煤样工业分析和元素分析 工业分析 元素分析，（）数学模型燃料电池主要发生的反应为，（）。（）燃料电池发电效率 为，（）式中，为燃料电池阳极燃料利用率；为燃料电池功率，；为阳极进出口流体焓差，。系统中透平 和透平 为燃气透平，其做功功率 为，（）式中，为阳极进出口流体焓差，；为机械效率，取。系统整体效率 为 ，（）年第 期洁 净 煤 技 术第 卷式中，甲醇低位热值，；为甲醇摩尔流量，；、分别为透平 和 的功率，；为系统余热的供热功率，；为甲醇低位热值，；为煤炭质量流量，。模型分析.基本设计参数基于 软件建立水煤浆气化甲醇生产装置 与 固 体 氧 化 物 燃 料 电 池 系 统 模 型，运 用 函数修正的 状态方程。模型基于以下设定：气化炉运行压力保持恒定；低温甲醇洗装置的净化气出口温度保持恒定；透平 入口温度通过空气调节，不超过设计温度；燃料电池阳极燃料利用率及阴极氧气利用率保持恒定，电池设计参数见表；氢气回收装置的气体选择性保持恒定，具体参数见表。表 燃料电池设计参数 项目参数平均单电池电压 平均单电池电流密度（）单电池反应面积 电池片数 阳极端燃料利用率阴极端氧气利用率发电效率 阳极入口 出口温度 阴极入口 出口温度 表 提纯装置分离效率 项目分离效率 在典型操作条件下，进入重要部件的气体组成见表，经模型计算，得出系统设计参数见表。由表 可知，系统设计参数相对原生产数据误差较小，模型准确度较高。其中，粗煤气激冷前温度与生产数据差别较大，是由于粗煤气部分热能用于加热抽气、燃料电池阳极和阴极气体，温度降低。但该温度处于气化炉安全运行温度范围内（），不存在气化炉低温积渣等安全风险。其次，相比原生产数据，电力输出总计增加 ，供热输出增加 ，系 统 整 体 效 率 从 提 高 至，说明新系统在能源利用效率的优越性。表 进入重要部件的气体组成 气体净化气合成气非渗透气（）（）（）（）（）（）表 系统设计参数 项目设计值生产数据气化炉水煤比 气化炉氧煤比 气化炉反应温度 粗煤气激冷前温度 驰放气 炉循环气比例 净化气抽气比例 合成炉反应温度 甲醇产量（）输出 燃气轮机 输出 燃气轮机 压比燃气轮机 输出 燃气轮机 压比供热输出 系统整体效率 在非典型操作条件下，影响 系统运行特性的因素包括煤质（灰分、灰熔融温度、水分）、运行条件（水煤比、氧煤比、气化温度、气化压力、有效气成分）等，也包括气化炉型、化工品装置、氢回收工艺等，影响因素较多。基于内蒙古荣信化工有限公司生产数据，结合 系统技术特点，选取水煤浆浓度、净化气抽气占比 个因素为变量，讨论系统运行特性的变化规律。孙少东等：整体煤气化燃料电池发电与甲醇联产系统运行特性 年第 期.水煤浆浓度的影响水煤浆浓度 是关系气化炉效率及安全运行的重要参数，其定义为，（）式中，为给水的质量流量，。水煤浆浓度对系统各项参数的影响如图 所示。水煤浆提浓是保持投煤量不变，调节水量实现。由图（）可知，水煤浆浓度由 提升至 时，气化炉反应温度由 上升至 ，并带动燃料电池阳极、阴极入口温度及透平入口温度上升。阳极入口温度由 上升至 ，阴极入口温度由 上升至 ，透平入口温度由 上升至 。此时，燃料电池效率、燃料电池和透平 的功率随温度升高而升高，而供热功率变化不大。由图（）图（）可知，燃料电池电压由 上升至，效率由上升至，燃料电池输出功率由 上升至；透平 功率由 上升至 。由于受限于水煤浆浓度变化幅度以及甲醇总热值占比较高，系统整体效率提升较小（提升至）。图 水煤浆浓度对系统各项参数的影响 .净化气抽气占比的影响通过抽取部分合成气调节发电流量，可以实现“化工品热电”供给调节。定义净化气的抽气占比 为，（）式中，为净化气抽气的摩尔流量，；为非渗透气的摩尔流量，。净化气抽气占比对系统各项参数的影响如图 所示。发电燃料中净化气抽气流量由 上升至 时，燃料电池阳极、阴极入口温度以及透平入口温度几乎没有变化，此时燃料流量和摩尔组分变化是影响燃料电池、透平输出及甲醇产量的关键因素。发电燃料中净化气抽气占比由 上升至 时，虽然燃料电池阳极入口 及 等燃料摩尔分数上升，可减少电池极化损失，但燃料电池阳极流量增多及、摩尔分数增大（由增至，由 增至），使电流密度从 增至 ，是导致电 池 效 率 变 化 较 大 的 原 因（由 降 至）。由于做功流量增多，燃料电池及透平、透平 的输出功率增大。甲醇合成装置的合成气总量减少，使甲醇产量减少。由于抽气量相对合成气总量不到，因此对甲醇产量影响较小，供热功率 年第 期洁 净 煤 技 术第 卷下降较小。由于系统发电输出功率增加，整体效率由 上升至。图 净化气抽气占比对系统各项参数的影响 结 论）系统设计参数相对原生产数据误差较小，模型准确度较高。甲醇生产装置联合燃料电池发电，电力 输 出 总 计 增 加 ，供 热 输 出 增 加，系统整体效率由 提高至，说明新系统在能源利用效率方面具有优越性。）水煤浆浓度由 提升至 时，燃料电池效率、燃料电池和透平功率有所上升，对燃料电池功率和效率影响最大，整体效率提升较小。燃料电池效率由 上升至，功率由 上升至 ，透平 功率由 上升至。系统整体效率由 上升至。）抽气占比从 上升至 时，由于抽气量相对合成气总量不到，因此对甲醇产量影响较小，供热功率下降较小。整体效率由 上升至。因此，通过抽取部分净化气发电实现“化工品热电”的供给调节可行，建议通过设置并联备用机组实现发电机组扩容，以减少运行调控难度，维持燃料电池的高效率。）通过优化设计原甲醇生产系统，不仅提高了系统整体能效，也实现了从单一输出化工品、余热到“化工品热电”联供的转变，为缓解化工系统生产用电压力，优化产品多样性和经济性提供了新思路。参考文献（）：张全斌，周琼芳基于“双碳”目标的中国火力发电技术发展路径研究 发电技术：，：，：王倩，王卫良，刘敏，等 超（超）临界燃煤发电技术发展与展望 热力发电，（）：，（），（）：，：，（）：，孙少东等：整体煤气化燃料电池发电与甲醇联产系统运行特性 年第 期 ，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，：，（）：王琦，杨志宾，李初福，等 整体煤气化燃料电池联合发电（）技术研究进展 洁净煤技术，（）：，（），（）：董斌琦，李初福，刘长磊，等 近零排放的煤气化燃料电池发电技术及挑战 煤炭科学技术，（）：，（）：许世森，周贤，安航，等 整体煤气化燃料电池发电系统构建及模拟优化研究 中国电机工程学报，（）：，（）：，：，（）：，（）（）：，：，（）：，：，：，（）：