馬鳳蘭，陳志強(qiáng),2,3，王浩明，丁曉映,2,3，蘇博生,2,3

(1.集美大學(xué)海洋裝備與機(jī)械工程學(xué)院，福建 廈門，361021；2.福建省能源利用與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門，361021；3.福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術(shù)研究中心，福建 廈門 361021)

0 引言

為解決能源供給和環(huán)境污染的問(wèn)題，尋求高效無(wú)污染的可再生能源，推進(jìn)經(jīng)濟(jì)健康可持續(xù)發(fā)展迫在眉睫。沼氣屬于可再生二次能源，具有原料來(lái)源廣、燃燒熱值高、燃燒排放物無(wú)污染等特點(diǎn)，隨著沼氣發(fā)酵技術(shù)的成熟，沼氣生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)增，人們對(duì)沼氣利用方式的研究也逐步深入。為推進(jìn)沼氣高效利用，減少能量損耗，充分發(fā)揮分布式能源的優(yōu)點(diǎn)，沼氣單一發(fā)電轉(zhuǎn)化為結(jié)合冷、熱的聯(lián)供系統(tǒng)，熱電聯(lián)供系統(tǒng)(CHP)、冷熱電連供系統(tǒng)(CCHP)應(yīng)運(yùn)而生[1]。金彪[2]將污泥沼氣燃燒后優(yōu)先用于發(fā)電，然后將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的余熱用于沼氣池所需熱量，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。Bruno等[3]對(duì)沼氣燃燒保溫和沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)的性能進(jìn)行對(duì)比，證明應(yīng)用沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)，在同時(shí)滿足污水處理廠全年的用電負(fù)荷和沼氣池保溫需求下，熱電聯(lián)產(chǎn)可將沼氣燃燒放出的熱量先轉(zhuǎn)化成電能，從而滿足部分廠房用電，發(fā)電機(jī)排煙余熱滿足保溫需求。MosayebNezhad等[4]提出并討論了基于某污水處理廠500 kW微濕式空氣輪機(jī)的新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，仿真結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有良好的電性能，發(fā)電效率為46.6%。眾多研究表明熱電聯(lián)產(chǎn)的可行性，但由于受環(huán)境溫度的影響，沼氣池厭氧消化保溫所需熱量處于波動(dòng)狀態(tài)，不易于調(diào)控。Chen[5]提出一種基于沼氣內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。研究指出，將現(xiàn)有的沼氣熱電聯(lián)供系統(tǒng)改造為冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有很大的潛力，投資回收期最低為2.56年。Paria Movahed等[6]針對(duì)以沼氣為燃料的微型汽輪機(jī)冷熱電聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，對(duì)氣池水力停留時(shí)間、壓氣機(jī)壓比、等熵壓氣機(jī)效率、回?zé)崞鲓A緊時(shí)間及溫度、渦輪等熵效率、渦輪輸入溫度和微型渦輪數(shù)量等產(chǎn)生進(jìn)行了優(yōu)化，證明冷熱電聯(lián)產(chǎn)的可行性，為污水處理提供了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單和廉價(jià)的框架及一些可行性的指導(dǎo)。

本文擬對(duì)沼氣化學(xué)回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行研究，并重點(diǎn)研究水碳比對(duì)系統(tǒng)性能的影響，從理論上給出系統(tǒng)最大收益時(shí)的反應(yīng)參數(shù)區(qū)間。

1 系統(tǒng)描述

1.1 參比系統(tǒng)

傳統(tǒng)沼氣CCHP系統(tǒng)如圖1所示。凈化后的沼氣經(jīng)壓縮機(jī)增壓后通入燃燒室，與空氣一起燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，燃?xì)廨啓C(jī)的排放氣體先進(jìn)入單效吸收式制冷器用于制冷，再對(duì)沼氣池進(jìn)行保溫。排放氣體中的余熱得到了充分利用，但沼氣在燃燒過(guò)程中化學(xué)能損失嚴(yán)重，未得到充分利用。

1.2 新系統(tǒng)

基于化學(xué)回?zé)岬恼託饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)流程圖如圖2所示。新系統(tǒng)引入了重整器，在重整器中沼氣水蒸氣重整生成CO、H2等合成氣。在蒸汽發(fā)生器中利用燃?xì)廨啓C(jī)排放氣體的中溫余熱加熱水，產(chǎn)生水蒸氣；水蒸氣與經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后的沼氣混合后進(jìn)入重整器，發(fā)生強(qiáng)吸熱重整反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程吸收燃?xì)廨啓C(jī)排放氣體的高溫余熱，生成含CO、H2和水蒸氣等混合氣體，最后再將混合氣注入燃燒室燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馑腿肴細(xì)廨啓C(jī)做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。燃?xì)廨啓C(jī)排放氣體途經(jīng)重整器、回?zé)崞?、蒸汽發(fā)生器進(jìn)行梯級(jí)余熱回收，經(jīng)蒸汽發(fā)生器后的低溫排放氣體驅(qū)動(dòng)單效吸收式制冷器制冷，最后進(jìn)入沼氣池提供保溫?zé)崃?，以獲得穩(wěn)定的沼氣產(chǎn)量。該系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)能量梯級(jí)利用外，還采用沼氣化學(xué)回?zé)峁に?，生成具有較高化學(xué)能的混合氣，獲得更多的熱量。本系統(tǒng)制冷系采用中溫單效吸收式制冷系統(tǒng)，熱源驅(qū)動(dòng)單效吸收制冷溫度范圍為180～120℃[8]。根據(jù)COP與工作負(fù)荷關(guān)系擬合公式[9]，本系統(tǒng)單效吸收式制冷器COP設(shè)為0.86。

新系統(tǒng)與傳統(tǒng)的沼氣燃燒系統(tǒng)相比具有兩個(gè)特點(diǎn)：1)系統(tǒng)中注入了水，使得燃?xì)廨啓C(jī)排放的氣體中水蒸氣占比增加，煙氣在低溫區(qū)段冷凝溫度升高，熱量回收潛力增大；2)沼氣與水蒸氣重整過(guò)程能夠?qū)煔獾奈锢盹@熱轉(zhuǎn)化為合成氣的化學(xué)能，提升了能量的品位，能源利用效率增大。

2 沼氣池?zé)嵊?jì)算

2.1 數(shù)學(xué)模型計(jì)算

甲烷產(chǎn)量λ=B·S0/tHRT，B=B0(1-K/(μmtHRT-1+K)),μm=0.0123Tr-0.129。其中：λ是每天每立方米沼氣池的甲烷產(chǎn)量；B表示甲烷產(chǎn)率，升每克揮發(fā)性固體；S0是流體總揮發(fā)性固體濃度；tHRT表示沼原料發(fā)酵所需的時(shí)間；K為動(dòng)力學(xué)參數(shù)；B0是最終甲烷產(chǎn)率；Tr為發(fā)酵溫度。該模型經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為±6.9%[10-11]。

根據(jù)一天的沼氣產(chǎn)量Vbio計(jì)算沼氣池總?cè)莘eVr=Vbio/λ，那么沼氣池原料預(yù)熱所需的熱能Qh=ms·Cp·(Tr-Ta)。其中：ms是原料的質(zhì)量流量，進(jìn)料溫度近似等于環(huán)境溫度；Cp是糞便比熱容；由于稀糞肥中固體含量低(低于20%，取水的密度和比熱容等于水的比熱容)[12]。

不考慮反應(yīng)器的位置和遮光條件，沼氣池散熱Qloss=u·A·(Tr-Ta)[13]。其中：Tr為發(fā)酵溫度；Ta為環(huán)境溫度；u為總傳熱系數(shù)，取25 W/(m2·K)[14]；A是沼氣池的總表面積，系統(tǒng)中使用的沼氣池為圓柱形，推薦徑高比為60%[15]。

采用上述數(shù)學(xué)模型，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。表1中輸入?yún)?shù)溫度Ta和沼氣產(chǎn)量Vbio根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行人為設(shè)定，其他參數(shù)按經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行輸入[14]。

表1 沼氣池輸入輸出狀態(tài)參數(shù)Tab.1 Input and output state parameters of biogas digester

2.2 環(huán)境溫度對(duì)沼氣池?zé)嶝?fù)荷的影響

沼氣池發(fā)酵溫度可分常溫發(fā)酵(10～26 ℃)、中溫發(fā)酵(28～38 ℃)和高溫發(fā)酵(46～60 ℃)[16]，本系統(tǒng)沼氣池采用中溫發(fā)酵，發(fā)酵溫度為35 ℃。由于環(huán)境溫度隨季節(jié)發(fā)生改變，不同月份沼氣池散熱損失不同，平均氣溫越低，散熱損失越大，所需供給熱量越大。

圖3為廈門市2018年和2019年月平均溫度和沼氣池?zé)嶝?fù)荷變化關(guān)系。其中：7月份月平均氣溫全年最高，散熱損失、沼氣池?zé)嶝?fù)荷均達(dá)到全年最低，分別為39.1 kW、182.2 kW；1月份則相反，由于1月份平均溫度全年最低，散熱損失和原料預(yù)熱耗熱最大，沼氣池月平均熱負(fù)荷最高可達(dá)694.2 kW。

3 系統(tǒng)仿真模擬結(jié)果及系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)

3.1 系統(tǒng)仿真模擬結(jié)果

系統(tǒng)采用Aspen Plus軟件進(jìn)行模擬。基于吉布斯自由能最小化理論，本文采用RGibbs模塊對(duì)沼氣蒸氣重整過(guò)程進(jìn)行模擬，排氣溫度和反應(yīng)溫度的最小溫差為20 ℃。通常沼氣中甲烷含量為55%-70%，本文模擬中沼氣成分CO2和CH4含量分別為40%、60%。在模擬過(guò)程中忽略管道熱損失及壓降。空氣組成成分氧氣、氮?dú)夂糠謩e為21%、79%。模擬過(guò)程中當(dāng)水碳比(S/C)為3時(shí)，各關(guān)鍵點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)如表2所示。

表2 各關(guān)鍵點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)Tab.2 State parameters of key points about ASPEN model

模擬后各模塊熱量分布如圖4所示。燃?xì)廨啓C(jī)排放的氣體在重整器中釋放出333.8 kW的熱量，溫度從586.7 ℃降至507.1 ℃，其中69%的熱量以化學(xué)能形式保存在合成的混合氣中,因此，合成氣在燃燒過(guò)程中能夠釋放更多的熱量。燃?xì)廨啓C(jī)排放的氣體在回?zé)崞髦嗅尫懦?58.8 kW的熱量，溫度從507.1 ℃降至444.2 ℃，然后釋放出802.1 kW的熱量用于蒸汽發(fā)生器內(nèi)水的蒸發(fā)，溫度從444.2 ℃降至242.8 ℃。環(huán)境溫度為25 ℃下，排氣溫度為242.8～120 ℃區(qū)間，可用于制冷的熱量為469.7 kW。

3.2 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)

本系統(tǒng)利用沼氣化學(xué)回?zé)?，避免了沼氣直接燃燒造成的熱損失，并根據(jù)煙氣溫度和冷、熱、電熱源溫度要求，實(shí)現(xiàn)了能量梯級(jí)利用。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，系統(tǒng)沼氣輸入熱量Qbio=Qc+Qh+Qe+Ql。其中：Qc、Qh、Qe、Ql分別為系統(tǒng)產(chǎn)生的冷負(fù)荷、供熱量、發(fā)電量和熱損失。能量利用率η=(Qc+Qh+Qe)/Qbio。

ηex=(Ec+Eh+Ee)/Qbio=[Qc(Ta/Tc-1)+Qh(1-Ta/Th)+Qe/ms]×LHV

(7)

表3 系統(tǒng)能量平衡和效率參數(shù)Tab.3 Parameters of energy balance and exergy efficiency of the system

表3 系統(tǒng)能量平衡和效率參數(shù)Tab.3 Parameters of energy balance and exergy efficiency of the system

系統(tǒng)System環(huán)境溫度Ta/℃發(fā)電量Powergenerating/kW制冷量Refrigeratingcapacity/kW沼氣池保溫?zé)崃縃eat insulationof biogasdigester/kW沼氣低位熱值Lowcalorific valueof methane/kW熱損Heat waste/kW系統(tǒng)能量利用率System energyutilization/%系統(tǒng)效率System exergyefficiency/%新系統(tǒng)New system最低值Minimum1.9923.8299.11148.92476104.295.842.2最高值Maximum37.4923.8405.4024761146.853.739.2參比系統(tǒng)Referencesystem最低值Minimum1.9667.5468.61148.9247619192.331.7最高值Maximum37.4667.51138.902476669.673.032.3

4 水碳比對(duì)系統(tǒng)性能的影響

4.1 水碳比對(duì)沼氣轉(zhuǎn)化的影響

在新系統(tǒng)中，重整器里的S/C(水碳比)是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。低S/C，沼氣轉(zhuǎn)化率低，容易發(fā)生碳沉積、煙氣中水分含量少，不利于低溫潛熱回收。較高的S/C有利于沼氣轉(zhuǎn)化，減輕了碳沉積，可以回收更多低溫潛熱，用于沼氣池保溫，但增加了水蒸發(fā)的中溫消耗。

較高的S/C使得更多的沼氣轉(zhuǎn)化成化學(xué)能更高的混合氣，提高燃料熱值，因此，可獲得更多的電能。但燃?xì)廨啓C(jī)用于蒸汽發(fā)生器的可用熱量是有限的，可達(dá)到的S/C最高為4.8。圖5a所示，S/C從1增加4.8，CH4轉(zhuǎn)化率增大，CO2轉(zhuǎn)化率下降，因?yàn)镾/C增加使得反應(yīng)物水蒸氣含量增大，從而促進(jìn)沼氣與水蒸氣重整，抑制沼氣干重整，同時(shí)也會(huì)促進(jìn)H2O和CO反應(yīng)，生產(chǎn)更多的CO2。圖5b所示，S/C提高促進(jìn)了沼氣轉(zhuǎn)化，使得更多的煙氣物理顯熱轉(zhuǎn)化為混合氣的化學(xué)能，燃料熱值增大，可以用于發(fā)電的熱量增加。S/C為4.8時(shí)，燃料熱值可達(dá)2 800 kW，發(fā)電量為1 038.28 kW。

4.2 水碳比對(duì)系統(tǒng)冷、熱、電輸出效率的影響

系統(tǒng)制冷量、發(fā)電量與S/C(水碳比)的關(guān)系如圖6所示，當(dāng)環(huán)境溫度最小為1.9 ℃時(shí)，沼氣池?zé)嶝?fù)荷為1148.94 kW。隨著S/C增加，蒸汽發(fā)生器煙氣出口溫度逐漸減低，當(dāng)出口溫度小于120 ℃時(shí)，煙氣溫度不能驅(qū)動(dòng)制冷器制冷，制冷量為0。當(dāng)S/C大于3.5時(shí)，由于蒸汽發(fā)生器的熱負(fù)荷增大，煙氣經(jīng)蒸汽發(fā)生器排出后雖然溫度降低，但煙氣中水蒸氣含量增加，回收潛熱能夠滿足沼氣池保溫需求。S/C小于3.5時(shí)，煙氣中水蒸氣含量降低，可回收潛熱下降，煙氣在120～40 ℃區(qū)段的熱量不能滿足沼氣池保溫需求，為滿足沼氣池正常的運(yùn)行，給系統(tǒng)提高足夠的沼氣量，要求制冷量減少，故S/C為0.5～3.5時(shí)的制冷量的變化趨勢(shì)較小。當(dāng)環(huán)境溫度為37.4 ℃時(shí)，環(huán)境溫度大于沼氣池發(fā)酵溫度，不需向沼氣池供熱，沼氣池?zé)嶝?fù)荷為0，制冷量達(dá)到最大，且隨著S/C增加制冷量降低，因?yàn)镾/C增大，蒸汽發(fā)生器耗熱增加，可用于制冷的熱量減少。當(dāng)S/C繼續(xù)增大時(shí)，制冷量下降至0。

5 結(jié)論

本文提出一種基于化學(xué)回?zé)岬恼託饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，然后將所提出的新系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)進(jìn)行性能對(duì)比，并對(duì)系統(tǒng)中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論。

1)引入熱化學(xué)重整過(guò)程后，透平排放氣體可用于沼氣重整反應(yīng)所需熱量，甲烷轉(zhuǎn)化率可達(dá)到58%。透平前燃料熱值從2 578.32 kW提升到2 804.75 kW，最終使新系統(tǒng)發(fā)電量提升了13.37%～55.55%。

2)引入的沼氣重整過(guò)程使得透平排放氣體含濕量大幅增加，煙氣潛熱在低溫段得以大量回收。當(dāng)新系統(tǒng)煙氣溫度從120 ℃下降到40 ℃時(shí)，可用于沼氣池保溫?zé)崃窟_(dá)到了1 486.75 kW。