不同掺混比下气化多联供系统多场景决策分析

2022-12-18闫志全顾新壮

动力工程学报 2022年12期

闫志全，顾新壮，贾腾

(1. 深圳中科欣扬生物科技有限公司，广东深圳 518118； 2. 上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

我国农村地区的农林生物质资源较为丰富，以北方地区为例，可利用的农田生物质资源为玉米和小麦秸秆等燃料，可利用的林业生物质资源为树皮和木屑等燃料。农林生物质原料的利用和处理一方面可以降低其堆积成本和储存压力[1]，另一方面可以减少部分化石燃料的使用，进而降低CO2等温室气体的排放[2]。因此，开展农林生物质资源的研究可以助力于我国北方农村清洁取暖以及“碳中和”等政策的实施。

目前，国内外关于生物质原料利用方式的研究集中在气化冷热电联供方面，该方式具有较高的能源利用率、CO2气体减排率等优势。相关研究主要集中在系统设计研究、性能评估及运行优化等方面。韦昊函等[3]设计并搭建了基于固定床气化炉和斯特林机的热电联产系统，采用杨木块作为单一生物质燃料开展实验，结果表明系统最大发电功率和效率分别为44 kW和61%。赖凯等[4]提出了一种基于红木屑原料的气化多联供系统，该系统的最大功率、制冷量和制热量分别为12 kW、21.9 kW和2.5 kW，并对系统的能源经济性和碳排放特性进行了分析和评估。牛永红等[5]开展了以松木屑为燃料的气化系统性能优化研究，当实验温度由700 ℃升高到900 ℃时，H2的体积分数增加了50%。综上所述，多数气化冷热电联供系统采用单一生物质原料，一方面考虑到不同的农林生物质原料的储放周期一般为半年到一年[6]，北方农村地区仍存在着多种生物质原料掺混燃烧的生活方式；另一方面，不同类型的生物质原料成分和热值有所差异，导致气化冷热电联供系统的功率、制冷量和制热量不同[7]，因此有必要选取多种典型的农林生物质原料，进行不同掺混比下的气化冷热电联供系统性能分析。

笔者比较和分析了玉米芯、麦秸和树皮3种典型生物质原料掺混比对气化冷热电联供系统性能的影响，并以多种性能评估指标作为参考，对不同应用场景下的生物质原料掺混比决策提出相应的建议，有助于拓展生物质原料的应用场景，提高其利用价值。

1 系统原理

我国北方农村地区的农作物主要以玉米和小麦等为主，同时考虑到对较为丰富的废弃林业生物质燃料的再利用，选取玉米芯、麦秸和树皮3种典型生物质原料进行研究。气化冷热电联供系统示意图如图1所示。

图1 气化冷热电联供系统原理图

3种生物质原料在不同的掺混比下经过料斗和粉碎造粒机制备成形状和尺寸相接近的颗粒燃料。颗粒燃料在自身水分和空气中O2的共同作用下进行高温气化反应，并产生用于燃烧的合成气以及排出气化炉外的废渣。合成气经过过滤器过滤掉部分杂质后再被送入内燃机燃烧，从而推动发电机产生电能，同时内燃机产生高温烟气和缸套水等副产品。

单级溴化锂机组原理如图2所示,其中1～9为各点序号。单级溴化锂机组的另一侧连接有冷却水和冷冻水，冷却水进出吸收器以冷却溴化锂溶液，泵将冷却后的溴化锂溶液经过溶液换热器送入发生器；内燃机出口的高温烟气进出发生器以加热其内液体，加热后产生浓溴化锂溶液和水蒸气，浓溴化锂溶液通过溶液换热器和节流阀返回吸收器，水蒸气经过冷凝器和节流阀冷凝为水，然后进入蒸发器完成蒸发制冷过程。

图2 单级溴化锂机组原理图

高温烟气由溴化锂发生器出口进入换热器1加热补充水后经净化再被排入空气中。从内燃机出口的高温缸套水经过换热器2，加热补充水，从而制取另一部分生活热水，并被收集在热水箱中，再为日常生产及生活供热。

2 系统模型

2.1 气化炉

3种生物质原料的组分和热值分析[8]见表1～表3，其中Qar,net为低位热值。

表1 玉米芯的元素组分及热值分析

表2 麦秸的元素组分及热值分析

表3 树皮的元素组分及热值分析

式(1)为经过粉碎造粒机制备的颗粒燃料在自身水分和空气中O2的共同作用下发生气化反应的化学方程式[9]。

CaHbOcNdSe+f(O2+3.76N2)+gH2O=

ns(φ1H2+φ2CO+φ3CO2+φ4H2O+φ5CH4+

φ6N2+φ7NO2+φ8SO2)+ncharCchar

(1)

式中：CaHbOcNdSe为生物质原料的分子式，可根据表1～表3中的数值进行计算；f为参与反应的空气的摩尔数，mol/s；g为参与反应的水分的摩尔数，可根据表1～表3中的数值进行计算，mol/s；ns为生成的合成气的摩尔数，mol/s；φ1～φ8分别为各气体的体积分数，其中经过净化和环保处理后的合成气中NO2和SO2的体积分数可以忽略不计，%；Cchar为气化过程中产生的焦炭；nchar为焦炭的摩尔数，mol/s。

式(2)为气化反应中反应物和生成物的能量守恒方程式[10]。

(2)

气化反应过程中的反应物和生成物存在如下可逆反应[10]：

(3)

(4)

气化过程中参与反应的O2摩尔数决定了合成气中各气体成分的体积分数。因此，采用当量比来描述参与反应的O2摩尔数与完全燃烧所需要O2的摩尔数之比[9]：

(5)

式中：Eer为当量比；a、b和c分别为式(1)中C、H、O元素的原子个数。

通常使用合成气的低位热值和冷煤气效率来评估气化炉的性能[11]：

Qsg=0.108φ1+0.126φ2+0.359φ5

(6)

(7)

式中：Qsg为合成气的低位热值，MJ/m3；ηCGE为冷煤气效率，%；qV,sg为合成气的体积流量，m3/s；qm,bio为单位生物质原料的消耗量，kg/h；Qbio为掺混后的生物质原料的低位热值，可根据表1～表3中的数值计算得到，MJ/kg；Qair为进入气化炉内的热空气的热流量，MJ/s。

2.2 内燃机

内燃机通常以天然气作为输入能源，本研究以气化炉产生的合成气作为替代能源，以天然气热值为基准的不同合成气热值下内燃机的发电效率[12]为：

(8)

以天然气热值为基准的不同合成气热值下内燃机的烟气温度[12]为：

0.070 7×EICE+758.33)

(9)

式中：Teg为内燃机出口的烟气温度，K。

烟气的主要成分为CO2、H2O、N2和O2等气体，其摩尔数分别见式(10)～式(13)：

nCO2=ns×(φ2+φ3+φ5)

(10)

nH2O=ns×(φ1+φ4+2φ5)

(11)

nN2=ns×φ6+λ×3.76×nO2,R

(12)

nO2=λ×(λ-1)×nO2,R

(13)

式中：nCO2、nH2O、nN2和nO2分别为烟气中CO2、H2O、N2和O2的摩尔数，mol/s；λ为空气过量系数；nO2,R为合成气完全燃烧时所需O2的摩尔数，mol/s。

(14)

式中：Ah、ah,j和bh为焓值的相关系数；下标j=1、2、3、4表示烟气中CO2、H2O、N2和O24种成分。

不同合成气热值和功率下内燃机缸套水的余热[12]为：

Qjw=(0.103+0.354×0.905EICE)qV,sgQsg

(15)

式中：Qjw为内燃机缸套水的余热，kW。

2.3 溴化锂机组

由图2可知，低浓度LiBr溶液在发生器内被加热后变成蒸汽和高浓度LiBr溶液，由质量平衡和能量平衡[14]可得：

qm,3=qm,4+qm,7

(16)

qm,3w3=qm,7w7

(17)

qm,3(1-w3)=qm,4(1-w4)+qm,7(1-w7)

(18)

qm,3h3-qm,4h4-qm,7h7+Qge=0

(19)

式中：qm为图2中各点的质量流量，kg/s；w为各点的质量分数，%；h为各点的焓值，J/kg；Qge为发生器内的传热率，kW。

其余部件的能量平衡方程式[14]为：

Qe=qm,9(h10-h9)

(20)

Qc=qm,7(h7-h8)

(21)

Qa=qm,10h10+qm,6h6-qm,1h1

(22)

qm,1(h3-h2)=qm,4(h4-h5)

(23)

h2=h1+W

(24)

式中：Qe、Qc和Qa分别为蒸发器、冷凝器和吸收器的传热率，kW；W为泵的功率，W。

2.4 换热器

由图1可知，换热器1和换热器2的换热量分别为：

cp,wqm,r(Tt-Tr)=ηhx1qm,eg(hegin-hegout)

(25)

cp,wqm,q(Tt-Tq)=ηhx2qm,jw(hjwin-hjwout)

(26)

式中：cp,w为补充水的比热容，J/(kg·K)；qm,r为补充水质量流量，kg/s；qm,eg为烟气质量流量，可由式(10)～式(13)及各气体成分的摩尔质量计算得到，kg/s；ηhx1、ηhx2分别为换热器1和换热器2的换热效率，%；qm,jw为缸套水质量流量，kg/s；hegin和hegout分别为换热器1进出口烟气的焓值，J/kg；hjwin和hjwout分别为换热器2进出口缸套水的焓值，J/kg;Tq为换热器2出口温度，K；Tt为热水箱进口温度，K。

2.5 性能评估指标

表4分别描述了不同生物质原料的单价以及当量CO2气体排放率[15-17]。

(27)

表4 3种生物质原料的单价及当量CO2气体排放率

(28)

式中：ηpe、ηex分别为气化冷热电联供系统的能源效率和效率，%；QH和QC分别为系统的制热量和制冷量，kW；T0、Th和Tc分别为环境温度、热水温度和冷冻水温度，K；β为生物质原料系数；wW和wA分别为掺混后的生物质原料中水分和灰分的质量分数，可由表1～表3中的数值计算得到，%；eW和eA分别为掺混后的生物质原料中水分和灰分的值，kJ/kg。

2.6 计算流程

不同掺混比下生物质原料气化冷热电联供系统的计算流程如图3所示，其中COP为性能系数；掺混比B=qm,cc∶qm,ws∶qm,b，qm,cc、qm,ws和qm,b分别为玉米芯、麦秸和树皮的消耗量；Cbio为运行成本。

图3 不同生物质原料掺混比下气化冷热电联供系统计算流程图

采用Matlab软件进行数值模拟分析。首先，需要输入气化炉进料的元素组分及热值等参数，并设定内燃机、溴化锂机组和换热器等部件的设计参数。其次，选取B=5∶5∶5典型掺混比作为分析对象，以ηCGE最大为运行目标，以确定最佳的Eer值。为方便分析掺混比对系统性能的影响，选定麦秸(qm,ws=5 kg/h)为定量参考，然后以玉米芯与麦秸的消耗量之比Bcw=qm,cc∶qm,ws由1∶5增加到10∶5以及树皮与麦秸的消耗量之比Bbw=qm,b∶qm,ws由1∶5增加到10∶5进行不同掺混比下合成气热值的正交化模拟，并根据最大合成气热值以及表4中生物质原料的最低运行成本和最小当量CO2气体排放率等3种角度各选取3组典型掺混比进行系统的性能分析。最后，在系统综合性能评估指标的基础上，分析3种典型掺混比及对照组的优缺点，并提出不同应用场景内下掺混比的决策建议。

3 结果与讨论

3.1 误差分析

在进行不同掺混比下生物质原料气化冷热电联供系统模拟前，需对系统的部件进行误差分析，图4和图5分别为气化炉和溴化锂机组模拟数据与文献数据的误差分析。

图4 合成气中各气体体积分数的误差分析

图5 溴化锂机组制冷量和COP的误差分析

图4中文献[11]和模拟数据选取的生物质原料为餐余垃圾，设定的空气当量比为0.26，合成气中H2、CO、CO2、H2O和N2的体积分数模拟结果与文献[11]的相对误差分别为7.34%、9.74%、-4.7%、12.97%和-3.47%；其中，两者的CH4体积分数均较低，分别为0.20%和0.33%。由图5可知，随着蒸发温度的升高，溴化锂机组制冷量和COP的误差分别控制在10%和12%以内，COP误差较大的原因为采用美国采暖，制冷与空调工程师学会(ASHRAE)与正交回归法等方法计算溴化锂水溶液平衡方程结果的准确度存在差异[19]。

3.2 不同掺混比下的气化特性分析

为确保后续开展不同掺混比下气化工况的稳定性研究，即生物质原料的消耗量和空气的进气量需基本保持稳定，在吹风机频率保持一定时，对不同掺混比下的最佳空气当量比进行近似确定。图6中选取B=5∶5∶5掺混比的生物质原料作为气化炉的进料，并分析了当量比对该掺混比的生物质原料合成气体积分数、反应温度和冷煤气效率的影响。当量比由0.075增加到0.5时，由式(5)可知，参与反应的O2量也逐渐增加，促进了气化炉的气化反应，因此，反应温度由754.8 K升高到1 308 K。由于空气中的N2不参与反应，随着当量比的增加，其体积分数由20.34%升高到52.03%。由式(6)可知，合成气的热值取决于CO、H2和CH4等气体的体积分数；当量比由0.075增加到0.25时，O2的增加对气化反应中合成气热值的增强效应大于N2体积分数上升对合成气热值的抑制效应，因此CO和H2的体积分数均缓慢升高，分别由13.96%、16.59%上升到20.1%、22.92%。此外，随着当量比的增加，CO2和CH4体积分数逐渐降低，其中Eer=0.3时，CH4的体积分数接近为0%。随着N2体积分数上升，合成气热值的总体趋势降低，但是合成气的体积流量会逐渐增加，由式(7)可知，冷煤气效率存在一个极值，即Eer=0.325时，ηCGE的最大值为79.65%，将图7中不同掺混比下气化反应中的空气当量比预设为0.325，进行进一步的分析和讨论。

图6 B=5∶5∶5掺混比下空气当量比对气化炉

图7给出了Bcw由1∶5增加到10∶5以及Bbw由1∶5增加到10∶5不同掺混比下合成气热值的正交化模拟结果。随着Bcw和Bbw的增加，Qsg的整体趋势为降低，其中当B=1∶5∶1时，Qsg最大值为4.691 MJ/m3；当B=10∶5∶10时，Qsg最小值为3.679 MJ/m3。

图7 不同掺混比下合成气热值的正交化模拟结果

以图8为例，分析了当Bbw=1∶5、Eer=0.325时，Qsg随着Bcw由1∶5增加到10∶5而逐渐降低的原因。由表1和表2可知，随着Bcw的增加，掺混后的生物质原料中H与C元素的摩尔数之比由1.394上升至1.433，O与C元素的摩尔数之比由0.573上升至0.648，由式(5)可知，其参与反应的O2量逐渐减少，与图8中N2体积分数由44%降低到39.95%的趋势相吻合。

图8 Bcw掺混比对合成气体积分数的影响

此外，在Bbw=1∶5，Eer=0.325时，CH4和H2的体积分数分别接近0%和17.12%，所以CO的体积分数决定了Qsg值的大小。由于玉米芯的水分质量分数(7.04%)大于麦秸的水分质量分数(3%)，所以Bcw的增加促进了反应中H2O摩尔数的上升，式(4)中的反应向右移动，使得CO的体积分数缓慢下降而CO2和H2O的体积分数均缓慢上升，Qsg值由4.691 MJ/m3下降到4.2 MJ/m3。

除了在图6中选取B=5∶5∶5的掺混比作为对照组外，在本节中选取B=1∶5∶1以获得最大的合成气热值。此外，由表4可知，分别选取掺混比B=10∶5∶1以获得最低的运行成本，以及B=1∶5∶10以获得最低的当量CO2气体排放率。以下对上述4种典型掺混比进行分析和讨论。

3.3 4种掺混比下内燃机与气化炉联合运行分析

图9给出了功率对4种掺混比下生物质原料消耗量的影响。随着功率的增加，4种生物质原料的消耗量均增加，同时由于式(8)中发电效率随着功率的增加而增加，4种生物质原料消耗量增加的速率均降低。在功率为15 kW时，4种掺混比下生物质原料消耗量最大值为B=10∶5∶1时的23.2 kg/h，最小值为B=1∶5∶10时的20.1 kg/h，其原因为B=10∶5∶1时玉米芯所占比例最高，且其低位热值最低，仅为15.05 MJ/kg。此外，由于B=1∶5∶1时合成气的热值较高且B=5∶5∶5时生物质原料的热值较高，二者的消耗量较为接近，分别为21.06 kg/h和21.51 kg/h。

图9 4种掺混比下功率对生物质原料消耗量的影响

图10给出了4种掺混比下功率对内燃机烟气余热和缸套水余热的影响。烟气余热和缸套水余热均随着功率的增加而升高，同样由于内燃机发电效率的增加，余热的增速均逐渐降低。其中当功率由1 kW增加到15 kW时，B=1∶5∶10时的烟气余热最大，其烟气余热值由6.37 kW增加到15.94 kW，而B=1∶5∶1时的烟气余热最小，其烟气余热值由5.74 kW增加到14.37 kW。以B=1∶5∶1为例，该掺混比下的烟气余热最小的主要原因为其自身水分含量、H/C和O/C元素的原子数比值等因素使得烟气质量流量在4种掺混比中最少。同样，B=1∶5∶10时的缸套水余热最大，当功率由1 kW增加到15 kW时，其缸套水余热值由10.44 kW增加至17.6 kW，而B=10∶5∶1时的缸套水余热最小，当功率由1 kW增加到15 kW时，其缸套水余热值由9.9 kW增加到16.67 kW。以B=10∶5∶1为例，该掺混比下的缸套水余热最小的主要原因为其进入内燃机中的合成气热值最低。

图10 4种掺混比下功率对烟气余热和缸套水余热的影响

3.4 掺混比对性能评估指标的影响

图11给出了4种混掺比下功率对制冷量和制热量的影响。不同掺混比下制冷量的变化趋势与图10中烟气余热的变化趋势保持一致，其原因为较高的烟气余热有利于提高溴化锂机组的COP和制冷量。其中当功率由1 kW增加到15 kW时，B=1∶5∶10时的制冷量最高，其制冷量由2.2 kW增加到6 kW，而B=1∶5∶1时的制冷最低，其制冷量由2.2 kW增加到5.48 kW。4种掺混比下的制热量则相差不大，原因为大部分缸套水余热重新返回到内燃机中被再利用，导致仅小部分缸套水余热用于供热。以B=1∶5∶10为例，当功率由1 kW增加到15 kW时，其制热量由1.09 kW增加到1.86 kW。

图11 4种掺混比下功率对制冷量和制热量的影响

图12给出了功率为15 kW时掺混比对合成气热值、生物质原料消耗量、运行成本、能源效率和效率5种性能评估指标的影响。B=1∶5∶1时的优势为合成气热值高达4.691 MJ/m3，同时在相同的功率下具备较少的生物质原料消耗量和最低的运行成本，分别为21.06 kg/h和18.8 元/h，可应用于对生物质原料价格较为敏感的场景。B=10∶5∶1时的优势为运行成本较低，其运行成本值为18.85 元/h，可适用于玉米芯等物料丰富同时对价格较为敏感的场景。B=1∶5∶10时的优势为生物质原料消耗量、能源效率和效率等指标均为最优，分别为20.1 kg/h、22.24%和15.44%，但其运行成本高达19.72 元/h，适用于对能源效率要求高，且对价格不敏感的场景。对照组B=5∶5∶5时的5项指标均较为均衡，其合成气热值、能源效率和效率等指标较优，分别为4.277 MJ/m3、21.63%和14.9%。