基于电解水制氢和生物质电厂的电与甲醇联产系统

王玉亭, 张 钟, 张淇钧, 陈 衡, 徐 钢

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院， 北京 102206)

随着中国经济发展，能源的需求也愈发旺盛。长期以来，在中国的能源消费结构中以煤炭、石油和天然气为主的化石能源占8成以上。中国煤炭资源较为丰富，煤炭在一次能源的生产和消费中占比长期超过60%[1]。化石能源的大量使用，导致中国二氧化碳的排放量不断攀升。2020年9月22日，中国在第75届联合国大会上明确表示，中国的二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，争取在2060年前实现碳中和[2]。

目前，降低碳排放有两种途径，即CO2捕获和利用(CCU)及CO2捕获和封存(CCS)技术。其中CCS技术是将烟气中的二氧化碳分离、压缩、输送到地下深处[3]储存，以减少大量排放到大气中的二氧化碳。然而，就捕获的CO2的安全性和长时间储存而言，CCS技术存在难以避免的缺陷，如运输问题和被储存的CO2泄漏等问题[4]。而CCU技术可将捕获的二氧化碳转化为有价值的化学物质，用于生产化学品和燃料等增值产品，因此受到极大的重视。在CCU技术中，二氧化碳是廉价无毒的原料[5]，目前的CCU技术研究主要集中在通过与氢气反应， 一些研究者研究了CO2和H2的反应机理，提出了使用可再生能源进行电解水制氢，并与CO2合成化学物质(如甲醇、天然气、二甲醚)的方式[6-10]。Shih等[11]提出了“液体阳光”的概念，即利用太阳能、二氧化碳和水合成绿色液体燃料。Grossmann等[12]提出了可再生能源整合的概念，并通过太阳能、风能和生物质能的耦合，建立了生产乙醇、甲醇、液体燃料和热能的结构框架。Gonçalves等[13]研究了一种以电化学为基础的新技术，以从液化生物质中生成合成燃料，结果表明，在300 ℃、酸化Y型沸石催化剂用量为4%的条件下，结果最为理想。

甲醇是多种有机产品的基本原料和重要的溶剂，且其在常温下是液态，是较为容易输送的清洁能源。甲醇也可以与汽油混合作为汽车燃料，降低中国对石油的依存度。

在中国实现碳中和远景目标的过程中，提高可再生能源比例，大力发展清洁能源是关键。随着可再生能源使用的增加，由于光伏、风电等可再生能源的间歇性特性，不可避免地会产生多余的电力，将水(H2O)分解为氢(H2)和氧(O2)的水电解(WE)可以作为一种合适的储能方法。生成的氢气具有超高的单位质量能量密度(142 MJ/kg)，可直接作为能量载体使用。然而，氢气在标准状态下的密度非常低，为0.081 3 g/L，这使得它的存储和运输需要特殊的装置。因此，像CO2加氢这样的热化学转化过程也被认为是一种很有前途的CO2工业利用方法。

生物质能源是继石油、煤炭和天然气之后的第四大资源，也是唯一的可再生碳资源，是国际上替代化石能源的主要选项。当前，以林业剩余物、木材废弃物和农业秸秆为代表的农林剩余物弃之为害，用之为宝，其转化为能源的潜力为4.6亿吨标准煤，生物质发电技术是目前生物质能应用方式中最普遍、最有效的方法之一，可以减少有毒有害物质的排放，降低污染，改善大气环境质量[14]。

因此，本文设计了一种以生物质富氧燃烧发电为二氧化碳来源，以电解水制氢为氢气来源的电与甲醇联产系统，并对该系统进行了仿真计算，分析了系统的能量效率和经济性。该系统不仅实现了氢能的高效安全利用，而且实现了碳的近零排放和可再生能源的消纳，为中国的氢能利用技术的发展提供了一定的参考。

1 案例系统介绍

1.1 案例生物质机组介绍

本文提出一种基于电解水制氢和生物质电厂的电与甲醇联产系统，为评估其性能，揭示新系统的先进性，以中国北方某生物质发电机组为案例进行说明与分析，案例机组生产流程具有一定的典型性，如图1所示。案例机组主要由生物质锅炉、汽轮机及其回热加热系统、给水泵及凝结水泵动力装置等组成。

入炉生物质燃料成分参数[15]见表1，相比煤燃料，用于焚烧的生物质燃料碳含量较低，热值较低。纯氧与主要成分为CO2的再循环烟气以一定比例混合后送入炉膛与生物质燃料混合燃烧，排烟经布袋除尘脱除污染物后排向烟囱。

表1 案例机组入炉生物质成分

案例机组的主要参数见表2。 可以发现，机组净发电效率仅32.84%，本研究将会对案例机组进行富氧燃烧改造后的系统进行计算分析。富氧燃烧方式具有以下几个优势[16]： CO2的热传导性比氮气更加优良，可以进一步地降低排放烟气的温度及流量，减少热量损失，有利于提高系统的效率；由于在燃烧过程中没有氮气的参与，避免了NO的产生，降低了污染物的排放。

表2 案例生物质发电机组的主要参数

1.2 甲醇合成基本流程

甲醇合成基本流程如图2所示。甲醇合成主要涉及3个反应[17]：

图2 甲醇合成流程

通常情况下，在甲醇合成过程中，反应温度为200～230 ℃，反应压力为7.9 MPa，氢气和二氧化碳的摩尔比率为2～3。二氧化碳与氢气的反应为放热反应，高温有利于甲醇的合成。因为二氧化碳与氢气合成甲醇的单程转化率较低，所以需要加入尾气循环。在加入尾气循环系统后，二氧化碳的转化率将提高至94%[18]。

2 系统提出

新型的电与甲醇联产系统结合电解水系统、生物质富氧燃烧电厂和甲醇合成的资源化利用手段，如图3所示，提出了耦合发电方案，方案包括生物质富氧燃烧电站、电解水系统和甲醇合成系统。

图3 电与甲醇联产系统

3 系统分析方法

采用Aspen Plus V11软件对新方案进行仿真，该软件是一种商用的过程分析模拟器[19]。Aspen Plus基于其严格的热力学和物理性质数据库，为化学过程研究提供了方便省时的建模、集成和优化方法[20-21]。

3.1 模型验证

通过将仿真结果与文献[22]中年产30万t的甲醇合成系统的生产数据进行比较，验证了上述甲醇合成过程的模型准确性，见表3。显然，计算结果与目标值较为接近，这表明仿真模型是准确和可靠的。

表3 甲醇合成流程模拟结果与生产数据对比

3.2 能量评价指标

本文采用生物质电厂发电效率、电到甲醇转化效率、系统能量效率来衡量整个系统的综合性能。

生物质富氧燃烧电厂的发电效率可以表示为[23]

(1)

式中：Mb为生物质燃料的质量，kg；Pe为生物质富氧燃烧电厂的发电量，MW;LHVb为生物质燃料的低位发热量，MJ/kg。

电到甲醇的转化效率可以表示为

(2)

式中：Mm为生产的甲醇的质量，kg；LHVm为甲醇的低位发热量，MJ/kg；E为电解水所需的电能，MJ。

系统综合能量效率可以表示为

(3)

3.3 经济性评价指标

本文使用动态回收周期(DPP，年)与净现值(NPV,元)作为经济性评价指标[24-25]。

(4)

(5)

式中：n为项目的生命周期，年；y为机组生命周期中的年份；Cin和Cout为在第y年的现金流入和现金流出，元；idis为贴现率。

4 结果与讨论

4.1 电与甲醇联产系统的主要参数

通过Aspen Plus的仿真，计算得出了所提出的电与甲醇联产系统的参数。所提出的一种电与甲醇联产系统中电解水工艺的参数见表4。

表4 新系统电解水工艺基本参数

生物质富氧燃烧所得的烟气与电解水所得的氢气混合后经过压缩机进入甲醇合成系统前的参数见表5。多级压缩机的参数见表6。

表5 甲醇合成物料成分

表6 多级压缩机参数

4.2 热力学第一定律分析

对常规方案和所提出的一种电与甲醇联产系统的性能进行了对比评估，结果见表7。假设生物质富氧燃烧电厂的参数不变。由于耦合设计，新方案的净发电效率从32.84%提升至51.98%。显然，所提系统中综合能量效率大幅提高。

表7 常规系统和所提方案的性能对比

对所提方案中存在的特定能量流动进行研究，以进一步阐明提出的方案的能效机制。如图4所示，所提方案的总能量输入包括燃料能量输入和电能输入。当生物质燃料的26.36 MW化学能被送入常规生物质富氧燃烧电厂时，产生8.65 MW电功率，发电效率仅为32.84%。然而，在所提系统中，由于富氧燃烧所产生的烟气较少，因而排烟损失降低，机组发电功率提升至9.45 MW，提升幅度0.80 MW，发电效率达到了35.85%，提升幅度为3.01%。此外，54.12 MW电能转化为了32.38 MW的甲醇化学能，电到甲醇的转化效率为59.84%。最终，改造后系统的综合能量效率提高了19.15%。

图4 新型电与甲醇联产系统能流图

4.3 经济性分析

由于生物质发电技术及甲醇合成工艺已经较为成熟，故基于生物质电厂进行改造。本文采用规模因子法进行经济性计算，当需要估算不同规模的甲醇生产装置成本时需要参考基准机组。每个设备的成本根据式(6)进行换算。

(6)

式中：cost1为换算后新设备成本，元；cost2为基准设备的成本，元；size1为现有设备的参数；size0为基准设备的参数；n为不同设备的比例系数。

甲醇合成的基准设备和现有设备的参数、比例因子及投资见表8。

表8 甲醇合成设备的成本构成[26]

此系统的投资主要包括投资成本和运行维护成本。其中投资成本包括投资成本和贷款利息等费用[27]，根据计算可得新型电与甲醇联产系统的投资达9 613.48万元。运行维护成本中除电力费用随电价变化外，取生物质燃料价格为540.72元/t，工业用水价格为4.1元/t，则年运行成本961.35万元，年生物质燃料成本1 724.88万元，年用水成本22.55万元。

收入主要来源于甲醇和可再生能源电力的售卖。经济性分析的基本数据见表9。

表9 经济性分析基本参数

当在施工期间，项目的现金流Cin为零。在运行年限中时，每年的现金流入Cin可以表示为[28]

Cin=PeNCe+MmNCm

(7)

式中Pe为生物质富氧燃烧电厂的发电功率，MW;N为系统的年运行时间，h；Ce为生物质发电的上网电价，元/(kW·h)；Mm为每小时的甲醇产量，t/h;Cm为甲醇的售卖价格，元/t。

在建设期间项目现金流出等于建设期的投资，在运行年限中时年度的现金流出量Cout可以表示为[28]

Cout=Cy+Clr+Cit

(8)

式中：Cy为运营和维护成本，元；Clr为一年内的贷款偿还，元；Cit为所得税，元。

Clr和Cit可以分别用式(9)和式(10)表示。

(9)

式中：Ctic为项目总投资,元;k为贷款比率,%;i为利率,%;z为贷款期限,年。

Cit={Cin-Clr[1-(1+i)-(1+z-n)]-Cy}r

(10)

式中：n为运行年限的年数；r为运行年限内的所得税率，%。

将表9的数据代入式(6)～式(10)进行计算，经过计算所得的经济性分析结果见表10。可知当电价为0.1元/(kW·h)时动态回收周期为1.38年，净现值为32 446.49万元。当电价为0.2元/(kW·h)时动态回收周期为3.47年，净现值为14 211.82万元。当电价为0.3元/(kW·h)时无法盈利。

表10 系统的经济性分析结果

5 结论

1)本文提出的技术路线通过耦合电解水系统、生物质电厂和甲醇合成系统组成了新型电与甲醇联产系统。从源头上可以平抑光伏发电产生的较大峰谷差，从终端上生物质电厂可以产生绿色电力，甲醇合成工厂可以生产零碳的甲醇，减少二氧化碳的排放，实现了绿色清洁的目标。

2)系统分析后可知，此系统中生物质电厂的功率由8.65 MW增加到了9.45 MW，每年生产的甲醇产量为32 163.47 t。生物质电厂的发电效率由32.84%增加到了35.85%；电到甲醇的转化效率为59.84%；系统综合能量效率为51.98%。

3)通过经济性分析可知，此系统的动态回收周期为3.47年，净现值为14 211.82万元。