陳程，肖軍，吳斌，鄭漪琳，陳時(shí)熠，孫衍謙

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，南京 211102；2.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096；3.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，北京 100120)

隨著城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源與環(huán)境問(wèn)題日益突出。一方面，大量的能源需求導(dǎo)致化石能源短缺，化石能源的使用也帶來(lái)了一系列環(huán)境問(wèn)題[1]；另一方面，生產(chǎn)生活過(guò)程中產(chǎn)生大量的生活垃圾和污泥等固廢，“垃圾圍城”現(xiàn)象日益凸顯[2]。

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，在小城鎮(zhèn)周邊地區(qū)有豐富的生物質(zhì)資源[3]。生物質(zhì)具有低硫、低氮和可再生等優(yōu)勢(shì)[4]，可以作為化石燃料的替代能源，能夠解決化石能源帶來(lái)的問(wèn)題，而氣化是一種極具前景的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用方法[5]。在固體廢棄物處理方面，氣化也是重要的研究方向，可以實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的清潔轉(zhuǎn)化利用。固體燃料的氣化爐主要形式有固定床和流化床，流化床氣化爐以其高氣化效率、強(qiáng)原料適應(yīng)性、少污染物排放和可分布式布置等特點(diǎn)而受到學(xué)者的廣泛關(guān)注[6]。生物質(zhì)雙流化床氣化技術(shù)能夠在常壓空氣氣化條件下獲得高品質(zhì)可燃?xì)怏w，降低建設(shè)和運(yùn)行成本。在該技術(shù)中，生物質(zhì)在氣化反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)揮發(fā)分熱解、析出、固定碳?xì)饣桶虢谷紵慕怦?，半焦進(jìn)入燃燒反應(yīng)器燃燒釋放大量熱量，提供氣化反應(yīng)器中揮發(fā)分熱解析出和固定碳?xì)饣璧臒崃?，這些熱量可以通過(guò)在兩個(gè)反應(yīng)器中循環(huán)流動(dòng)的固體熱載體實(shí)現(xiàn)傳遞，并避免燃?xì)夂蜔煔鈸交靃7]。因此，將生物質(zhì)、垃圾和污泥等典型城鎮(zhèn)和農(nóng)村廢棄物進(jìn)行雙流化床共氣化可以有效緩解城鎮(zhèn)以及周邊農(nóng)村地區(qū)遇到的農(nóng)林和生活垃圾廢棄物處理問(wèn)題，同時(shí)也是一種廢棄物資源化利用的有效方式。

分布式的能源處理方式有利于減少輸運(yùn)成本，緩解交通運(yùn)輸壓力并且效率高，因此基于能量梯級(jí)利用原理的冷熱電聯(lián)供(Combined Cooling Heating and Power，CCHP)系統(tǒng)獲得廣泛的關(guān)注[8-10]。林俊光等[8]對(duì)一種生物質(zhì)燃料氣化聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，包括氣化爐裝置、內(nèi)燃機(jī)和溴化鋰制冷機(jī)組，能耗性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性都有明顯提高。固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一種發(fā)電裝置，它突破了卡諾循環(huán)的限制，相比熱機(jī)，可以獲得更高的能量利用效率[11]，被廣泛應(yīng)用于CCHP系統(tǒng)。肖彪等[12]建立了SOFC冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，研究了溴化鋰吸收式制冷循環(huán)運(yùn)行參數(shù)對(duì)基于燃料電池的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)性能的影響，整體熱效率可達(dá)88.8%，能量利用率得到大幅提升。王世學(xué)等[13]針對(duì)SOFC尾氣具有大量高溫顯熱的特點(diǎn)，提出了一種以溫差發(fā)電器為中間循環(huán)回收SOFC尾氣余熱的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括內(nèi)部重整SOFC、后燃室、溫差發(fā)電器和溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了余熱梯次利用，極大地提高了CCHP系統(tǒng)能源利用效率。這些研究結(jié)果都表明冷熱電聯(lián)供的分布式能源系統(tǒng)具有明顯的效率優(yōu)勢(shì)，但這些系統(tǒng)的燃料處理單元都較為簡(jiǎn)單。

本文以我國(guó)南方典型城鎮(zhèn)和周邊農(nóng)村為研究區(qū)域范圍，提出雙流化床生物質(zhì)、生活垃圾、污泥固廢共氣化協(xié)同固體氧化物燃料電池冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，基于Aspen Plus軟件平臺(tái)建立了系統(tǒng)模型，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，并研究了氣化參數(shù)和SOFC工作參數(shù)對(duì)系統(tǒng)效率等性能指標(biāo)的影響規(guī)律，對(duì)于城鎮(zhèn)及農(nóng)村分布式能源協(xié)同生物質(zhì)以及固廢處理具有一定的參考意義和價(jià)值。

1 雙流化床氣化耦合固體氧化物燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

生物質(zhì)、垃圾和污泥共氣化雙流化床氣化耦合固體氧化物燃料電池冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)如圖1所示，它由雙床氣化單元、燃料電池單元、制冷和供熱單元組成。

圖1 生物質(zhì)、垃圾和污泥燃料雙流化床共氣化固體燃料電池冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)

雙床氣化單元中，生物質(zhì)、垃圾和污泥在氣化反應(yīng)器中經(jīng)過(guò)氣化轉(zhuǎn)變成可以被燃料電池利用的高溫合成氣，高溫合成氣經(jīng)過(guò)冷卻、除塵和脫硫等處理過(guò)程后進(jìn)入燃料電池單元發(fā)電；殘?zhí)窟M(jìn)入燃燒反應(yīng)器與空氣中的氧氣燃燒，惰性灰分?jǐn)y帶熱量重新進(jìn)入氣化反應(yīng)器，產(chǎn)生的煙氣在蒸汽發(fā)生器中釋放部分熱量后進(jìn)入煙氣混合器。燃料電池單元中，合成氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)和預(yù)熱器進(jìn)入燃料電池陽(yáng)極，空氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)和預(yù)熱器進(jìn)入燃料電池陰極，在電化學(xué)反應(yīng)后未完全轉(zhuǎn)化的合成氣與空氣進(jìn)入后燃燒室進(jìn)行完全燃燒放熱，高溫燃?xì)膺M(jìn)入燃?xì)馔钙胶蟪浞址艧徇M(jìn)入煙氣混合器。來(lái)自雙床氣化單元和燃料電池發(fā)電單元的煙氣在混合后進(jìn)入余熱鍋爐，加熱循環(huán)水，最后排出系統(tǒng)。制冷單元由發(fā)生器、溶液換熱器、吸收器、蒸發(fā)器和冷凝器等部件組成，吸收煙氣余熱的循環(huán)水作為熱源，驅(qū)動(dòng)溴化鋰機(jī)組來(lái)制取冷量。供熱單元由循環(huán)水泵、散熱片和換熱器組成，也由吸收煙氣余熱的循環(huán)水驅(qū)動(dòng)。

2 模型建立

本模擬使用我國(guó)南方典型城鎮(zhèn)和周邊農(nóng)村產(chǎn)生的農(nóng)林生物質(zhì)、生活垃圾和污泥作為燃料，生物質(zhì)、垃圾及污泥燃料的性質(zhì)和組成見表1，各模塊使用的基本參數(shù)見表2。在進(jìn)行物性參數(shù)選擇上，選取了Boston-Mathias修正的Peng-Robinson方程，即PR-BM方程。

表1 生物質(zhì)、垃圾及污泥的性質(zhì)和組成

表2 各模塊使用的基本參數(shù)

2.1 主要假設(shè)

(1)系統(tǒng)內(nèi)的流體處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，化學(xué)反應(yīng)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)；

(2)原料中H、O、N和S完全反應(yīng)，C在氣化反應(yīng)器中部分氣化，其余部分在燃燒反應(yīng)器中燃燒，灰分為惰性組分不參與反應(yīng)；

(3)只有H2、CO和CH4進(jìn)入燃料電池單元，尾氣在后燃室中完全燃燒；

(4)制冷單元中，蒸發(fā)器和發(fā)生器出口蒸汽處于飽和狀態(tài)，吸收器壓力等于蒸發(fā)器壓力，發(fā)生器壓力等于冷凝器壓力；

(5)系統(tǒng)設(shè)備到環(huán)境的熱損失可以忽略不計(jì)；

(6)除了供熱單元中熱水，其它流體在系統(tǒng)中的流動(dòng)阻力和壓降損失忽略不計(jì)；

(7)系統(tǒng)部件為零維模型，內(nèi)部熱力學(xué)參數(shù)分布是均勻的。

2.2 雙聯(lián)流化床氣化模型

固體燃料氣化是一個(gè)比較復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，因此對(duì)該過(guò)程采用了RYield模塊和RGibbs模塊進(jìn)行了模擬。首先RYield模塊將固體燃料除灰分外的所有元素轉(zhuǎn)化為基本單質(zhì)，具體過(guò)程可由式(1)描述。其次這些基本單質(zhì)進(jìn)入RGibbs模塊，該模塊基于吉布斯自由能最小原理，當(dāng)吉布斯自由能最小時(shí)，認(rèn)為氣化氣的組成處于平衡狀態(tài)。

氣化過(guò)程中，空氣和水蒸氣是反應(yīng)物，必須考慮空氣當(dāng)量比ER和蒸汽生物質(zhì)比S/B。空氣當(dāng)量比是氣化爐內(nèi)實(shí)際供給的空氣量與物料理論上達(dá)到完全燃燒所需要的空氣量之比，表達(dá)式如式(2)所示。式(2)中，AR是實(shí)際通入的空氣量與燃料量之比，稱為空燃比；SR是物料理論上達(dá)到完全燃燒所需要的空氣量與燃料量之比，被稱為化學(xué)當(dāng)量比。化學(xué)當(dāng)量比SR的計(jì)算公式如式(3)所示。

CHxOyNzSw→C+x/2H2+y/2O2+z/2N2+wS

(1)

ER=AR/SR

(2)

(3)

2.3 SOFC模型

燃料電池中發(fā)生的反應(yīng)如式(4)～(7)所示，采用RStioc模塊對(duì)燃料電池和后燃燒模塊進(jìn)行了模擬。

陽(yáng)極反應(yīng)：

H2+O2-→H2O+2e-

(4)

CO+O2-→CO2+2e-

(5)

CH4+4O2-→2H2O+CO2+8e-

(6)

陰極反應(yīng)：

O2+4e-→2O2-

(7)

燃料利用率Ut代表燃料電池內(nèi)部燃料轉(zhuǎn)化的程度，定義為：

Ut=ni,reacted/ni,input

(8)

式(8)中，ni,input是進(jìn)入電池的燃料量，ni,reacted是電池中反應(yīng)的燃料量，i代表H2、CO和CH4。SOFC的反應(yīng)溫度通常在700～900 ℃范圍內(nèi)，電池電壓通常是多種電池參數(shù)的函數(shù)，例如溫度、壓力、氣體成分和電流密度。但在本研究中，簡(jiǎn)化了一些參數(shù)的影響，假設(shè)電池電壓在實(shí)際范圍內(nèi)，而不考慮由于極化引起的電池壓降。所以電池電壓可以假定為電池溫度和壓力的函數(shù)。

VSOFC=Vref+ΔV=Vref+(RT/4F)ln(P/Pref)

(9)

式(9)中，VSOFC為燃料電池電壓；R為通用氣體常數(shù)，8.31 J/(mol·K)；T為燃料電池溫度；F為法拉第常數(shù)，96 486 C/mol；P為燃料電池的工作壓力；Pref為參考電池工作壓力，0.35 MPa；Vref為參考電池電壓，0.7 V。

SOFC直流(DC)功率WSOFC,DC計(jì)算如下：

WSOFC,DC=VSOFCI

(10)

I為工作電流，假設(shè)與反應(yīng)的燃料得失電子數(shù)相關(guān)。直流電必須轉(zhuǎn)換為交流電(AC)才能傳輸，DC-AC轉(zhuǎn)換效率ηconvert假設(shè)為95%：

WSOFC,AC=WSOFC,ACηconvert

(11)

2.4 溴化鋰制冷模型

本文采用單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)，該循環(huán)是最基本的吸收式制冷形式，其以溴化鋰為吸收劑、水為制冷劑，對(duì)熱源溫度要求不高[12]，本模擬中主要是通過(guò)換熱器模塊實(shí)現(xiàn)。衡量冷循環(huán)主要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為循環(huán)熱力系數(shù)(COP)，為在蒸發(fā)器中產(chǎn)生的冷量Qeva與發(fā)生器發(fā)生需要的熱量Qgen的比值，其表達(dá)式為：

COP=Qeva/Qgen

(12)

2.5 換熱器模型

換熱器中的能量平衡式為：

ΔHcold=ηheaterΔHhot

(13)

式(13)中，ΔHcold和ΔHhot分別為冷端和熱端的焓值變化；ηheater為換熱器換熱效率。焓值變化是進(jìn)入流股流量m和比焓值h變化的乘積，具體公式為：

ΔH=m|hin-hout|

(14)

2.6 系統(tǒng)性能指標(biāo)

系統(tǒng)的能量效率是評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵，本模擬計(jì)算了熱電綜合效率η，具體的計(jì)算方式為：

η=(Wnet+Qi)/(mbioQLHV,bio+mwasteQLHV,waste+mmudQLHV,mud)

(15)

式(15)中，Wnet為系統(tǒng)的凈發(fā)電量，計(jì)算方法如式(16)所示，WGT為燃?xì)馔钙桨l(fā)電量，WAUX為系統(tǒng)中泵、壓氣機(jī)等輔助設(shè)備的耗電量；Qi為冬季供熱單元的散熱量或夏季制冷單元的制冷量；mbio、mwaste和mmud分別為生物質(zhì)、垃圾和污泥原料的消耗量；QLHV,bio、QLHV,waste和QLHV,mud分別為生物質(zhì)、垃圾和污泥原料的低位熱值。

Wnet=WSOFC,AC+WGT-WAUX

(16)

火用分析可以確定在不可逆過(guò)程中火用損失的位置，然后可以考慮改進(jìn)。本模擬分別計(jì)算了燃料電池、制冷單元和供熱單元的火用效率ηex,SOFC、ηex,cooling、ηex,heating。

ηex,SOFC=ExW/Exfuel

(17)

ηex,cooling=Excooling/Exfuel

(18)

ηex,heating=Exheating/Exfuel

(19)

(20)

式(17)～(18)中，ExW、Excooling、Exheating和Exfuel分別為燃料電池發(fā)電火用、制冷單元冷量火用、供熱單元熱量火用以及燃料火用，生物質(zhì)等固體燃料攜帶的燃料火用可依據(jù)式(20)計(jì)算[14]。

3 結(jié)果分析

當(dāng)系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)確定后，進(jìn)行模擬可以獲得系統(tǒng)中各物流的參數(shù)，并得到系統(tǒng)的能量效率和各單元的火用效率。本文主要研究了氣化爐溫度、蒸汽/燃料質(zhì)量比、燃料電池燃料利用率、燃料電池工作溫度以及燃料電池工作壓力對(duì)系統(tǒng)熱電綜合效率以及燃料電池、制冷和供熱等單元火用效率的影響。

3.1 氣化溫度的影響

氣化溫度對(duì)系統(tǒng)效率和各子單元火用效率的影響如圖2所示，氣化溫度從650 ℃變化到900 ℃，其它參數(shù)基本保持不變。氣化溫度過(guò)低可能導(dǎo)致氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)無(wú)法滿足運(yùn)行要求，氣化溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致通過(guò)惰性灰分從燃料反應(yīng)器傳遞出的熱量無(wú)法滿足氣化反應(yīng)器自熱要求，所以選擇650～900 ℃。從圖2可以看出，隨著氣化溫度提高，冬季熱電綜合效率從78.5%降到77.0%，夏季熱電綜合效率從73.4%降到71.6%，燃料電池火用效率從53.2%降到50.3%，制冷火用效率從46.7%降到44.1%，供熱火用效率從48.3%降到45.8%。主要原因是為了滿足氣化溫度的提高，更多的碳元素進(jìn)入燃燒反應(yīng)器，氣化反應(yīng)器出口合成氣流量降低。

圖2 氣化溫度對(duì)系統(tǒng)效率和各單元火用效率的影響

3.2 蒸汽/燃料比影響

蒸汽/燃料比對(duì)系統(tǒng)效率和各子單元火用效率的影響如圖3所示，蒸汽/燃料比的增加對(duì)系統(tǒng)能量效率有不利影響，蒸汽/燃料比從0.4增加到1.4，冬季熱電綜合效率下降了13.0%，而夏季熱電綜合效率下降了10.3%，主要原因是進(jìn)入系統(tǒng)的常溫水流量增加了。隨著蒸汽/燃料比的增加，各子單元火用效率先增加后減小，在反應(yīng)當(dāng)量比為1時(shí)，燃料電池、制冷和供熱火用效率達(dá)到最大，分別為51.2%、44.8%和46.3%，主要和燃料中的碳元素選擇性有關(guān)，低于1時(shí)碳元素主要轉(zhuǎn)化為C和CO，高于1時(shí)碳元素主要轉(zhuǎn)化為CO2和CO。

圖3 蒸汽/燃料比對(duì)系統(tǒng)效率和各單元火用效率的影響

3.3 燃料利用率的影響

燃料利用率對(duì)系統(tǒng)效率和各子單元火用效率的影響如圖4所示，燃料電池燃料利用率的增加對(duì)系統(tǒng)能量效率同樣有不利影響。燃料電池燃料利用率越高，后燃燒室溫度越低，導(dǎo)致進(jìn)入余熱鍋爐的排煙溫度降低，因此制冷和供熱的循環(huán)水熱能品質(zhì)降低，對(duì)供暖單元影響顯著，冬季熱電綜合效率從84.6%下降到77.1%，而夏季熱電綜合效率僅從74.8%下降到72.3%。燃料電池燃料利用率的增加有利于各子單元火用效率，各部分都有明顯增加的趨勢(shì)。

圖4 燃料利用率對(duì)系統(tǒng)效率和各子單元火用效率的影響

3.4 燃料電池工作溫度的影響

如圖5所示，燃料電池工作溫度的提高可以增加系統(tǒng)效率，燃料電池溫度從700 ℃增加到900 ℃，冬季熱電綜合效率上升了15.6%，而夏季熱電綜合效率上升了12.5%，主要是與進(jìn)入余熱鍋爐的排煙溫度有關(guān)。而燃料電池工作溫度對(duì)各子單元火用效率影響可以忽略不計(jì)。

圖5 燃料電池溫度對(duì)系統(tǒng)效率和各單元火用效率的影響

3.5 燃料電池工作壓力的影響

燃料電池壓力對(duì)系統(tǒng)效率和各子單元火用效率的影響如圖6所示，燃料電池壓力的增加會(huì)導(dǎo)致冬季熱電綜合效率略微下降，而夏季熱電綜合效率卻有上升。燃料電池壓力從0.1 MPa增加到0.30 MPa，各子單元火用效率都有較大的提升，燃料電池系統(tǒng)最顯著，從50.4%提升到58.9%。

圖6 燃料電池壓力對(duì)系統(tǒng)效率和各子單元火用效率的影響

總體而言，該系統(tǒng)冬季熱電綜合效率最高可達(dá)85%，夏季熱電綜合效率最高可達(dá)80%，具有明顯的優(yōu)越性。冬季熱電綜合效率總是高于夏季熱電綜合效率，燃料電池單元的火用效率最高，而制冷單元的火用效率最低，系統(tǒng)優(yōu)化改性可以從制冷單元開始。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了生物質(zhì)、垃圾和污泥固廢雙流化床共氣化固體燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，建立了系統(tǒng)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，并研究了氣化參數(shù)和燃料電池工作參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響。

(1)該系統(tǒng)冬季熱電綜合效率最高可達(dá)85%，夏季熱電綜合效率最高可達(dá)80%，具有明顯的優(yōu)越性。

(2)隨著氣化溫度提高，冬季熱電綜合效率、夏季熱電綜合效率和各子單元火用效率都有所降低；蒸氣/燃料比的增加同樣對(duì)系統(tǒng)能量效率有不利影響，蒸氣/燃料比為1時(shí)各子單元火用效率達(dá)到最大。

(3)燃料電池燃料利用率的增加對(duì)系統(tǒng)能量效率也有不利影響，但是明顯有利于各子單元火用效率；燃料電池工作溫度的提高可以增加系統(tǒng)效率，對(duì)各子單元火用效率影響微弱；燃料電池壓力的增加會(huì)導(dǎo)致冬季熱電綜合效率略微下降，而夏季熱電綜合效率卻有上升，各子單元火用效率都有較大的提升。