基于雙聯(lián)流化床的生物質(zhì)、垃圾、污泥共氣化冷熱電分布式供能系統(tǒng)性能研究

陳 程 孫衍謙 鄭漪琳 陳時熠 吳 斌 向文國

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

0 引言

農(nóng)林生物質(zhì)、生活垃圾和污泥是農(nóng)村和小城鎮(zhèn)地區(qū)主要的含能固體廢棄物資源,這些固體廢棄物具有能量密度小、分散度高的特點[1-4]。采用分布式能源系統(tǒng)集中式就地轉(zhuǎn)化可以緩解運輸壓力,同時集中式清潔高效轉(zhuǎn)換是農(nóng)村和小城鎮(zhèn)地區(qū)可持續(xù)綠色發(fā)展的一條路徑。分布式能源是指分布在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng),是以資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)化來確定機(jī)組配置和容量規(guī)模的系統(tǒng),追求終端能源利用效率的最大化,采用需求應(yīng)對式設(shè)計和模塊化組合配置,滿足用戶多種能源需求,并對資源配置進(jìn)行供需優(yōu)化整合[5-7]。分布式能源目前已涵蓋了天然氣、生物質(zhì)能、太陽能、風(fēng)能、海洋能以及其他形式的能源。以我國典型小城鎮(zhèn)和周邊農(nóng)村為單元區(qū)域,將區(qū)域內(nèi)的農(nóng)林廢棄物、生活垃圾和污泥收集,并就地氣化轉(zhuǎn)化為合成氣,再利用合成氣發(fā)電,煙氣驅(qū)動供熱和供冷裝置,可以實現(xiàn)小城鎮(zhèn)及周邊農(nóng)村地區(qū)固體廢棄物資源化高效利用[8-10]。

以往冷熱電聯(lián)供的研究主要以天然氣作為單一燃料,在對冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)運行原理及優(yōu)勢進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上,對其產(chǎn)生的效益進(jìn)行分析[11-17]。本文以燃料適應(yīng)性好的雙聯(lián)循環(huán)流化床氣化為基礎(chǔ),農(nóng)村地區(qū)的生物質(zhì)、小城鎮(zhèn)的生活垃圾和污泥三種廢棄物的混合物作為燃料,建立分布式氣化冷熱電聯(lián)供耦合系統(tǒng),探索系統(tǒng)構(gòu)建,考察關(guān)鍵參數(shù)對發(fā)電、供冷和采暖等理論性能指標(biāo),致力為我國農(nóng)村和小城鎮(zhèn)固體廢棄物資源化集約利用提供一條解決途徑。

1 系統(tǒng)與模型

1.1 生物質(zhì)、垃圾、污泥共氣化多聯(lián)供系統(tǒng)

雙聯(lián)流化床共氣化冷熱電多聯(lián)供系統(tǒng)由雙聯(lián)流化床氣化床、內(nèi)燃機(jī)和溴化鋰機(jī)組組成,原理如圖1所示。

圖1 雙聯(lián)流化床共氣化耦合冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of dual fluidized bed co-gasification coupled cooling,heating and power cogeneration system

在雙聯(lián)流化床氣化反應(yīng)器內(nèi),水蒸氣和生物質(zhì)、垃圾以及污泥的混合物氣化產(chǎn)生合成氣,合成氣被輸送至內(nèi)燃機(jī)燃燒;燃燒反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的煙氣與內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的煙氣合并輸送至溴化鋰機(jī)組,溴化鋰機(jī)組由發(fā)生器、吸收器、蒸發(fā)器和冷凝器等部件組成。該系統(tǒng)不僅能夠產(chǎn)生電力以滿足電力需求,還能夠充分利用高溫?zé)煔庥酂岷透滋谉崴?向用戶供熱供冷和提供生活熱水,充分利用能源。在夏季,內(nèi)燃機(jī)和燃燒反應(yīng)器產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾鳛闊嵩?驅(qū)動溴化鋰機(jī)組來制取冷量。在冬季,關(guān)閉溴化鋰機(jī)組,通過兩個換熱器加熱補(bǔ)充水制取熱水,儲存在熱水箱內(nèi),之后通過供暖循環(huán)系統(tǒng)將熱水送至居民家中的散熱片進(jìn)行供暖。

1.2 雙聯(lián)流化床模型

雙聯(lián)流化床由氣化反應(yīng)器和燃燒反應(yīng)器組成,基于熱平衡和化學(xué)平衡模型,做出以下假設(shè):

1) 忽略生物質(zhì)原料中氮、硫元素的影響。

2) 固體燃料在氣化反應(yīng)器中與水蒸氣發(fā)生氣化反應(yīng),生成合成氣;控制氣化過程中的碳轉(zhuǎn)化率,部分未轉(zhuǎn)化的碳進(jìn)入燃燒反應(yīng)器與空氣發(fā)生燃燒反應(yīng),釋放出熱量,放出的熱量通過固體惰性熱載體比如沙子攜帶至氣化反應(yīng)器用于固體燃料的氣化,從而實現(xiàn)雙床內(nèi)反應(yīng)熱平衡。

3) 送風(fēng)機(jī)引入燃燒反應(yīng)器中的空氣的氧氣全部參與反應(yīng),進(jìn)入氣化反應(yīng)爐的水蒸氣全部參與反應(yīng)。

氣化爐生成的合成氣的低位熱值為:

選用我國典型南方小城鎮(zhèn)附近可收集的農(nóng)林生物質(zhì)、生活垃圾和污泥作為原料,模型中所用原料的成分分析及低位熱值見表1。

表1 生物質(zhì)原料成分分析及低位熱值Table 1 Biomass raw material composition analysis and low calorific value

1.3 內(nèi)燃機(jī)模型

以氣化中產(chǎn)生的合成氣作為燃料,建立內(nèi)燃機(jī)模型。內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電效率ηe為:

式中:Nel為內(nèi)燃機(jī)實際發(fā)電量,k W;為內(nèi)燃機(jī)額定發(fā)電量,k W;QLHV,ng為天然氣熱值,kJ/m3[18]。

內(nèi)燃機(jī)的煙氣溫度為:

式中ts為煙氣溫度,℃[18]。

合成氣的燃燒方程式如式(4)所示。為確保燃料充分燃燒,取氧氣過量系數(shù)為1.6。

煙氣的焓值與CO2、H2O、N2及過量O2等成分的相關(guān)系數(shù)和煙氣溫度有關(guān),其計算公式為:

式中:Ah、ah,i和bh分別為煙氣各成分的相關(guān)系數(shù)[18]。

缸套水的余熱為:

式中:m12為缸套水流量,kg/s;cp,jw為缸套水的比熱容,J/(mol·K);Tjwin和Tjwout分別為缸套水進(jìn)出口溫度,K。

1.4 溴化鋰模型

溴化鋰機(jī)組參考Keith 等人[19]所建立的煙氣雙效溴化鋰模型,參見圖1,各部件的能量平衡方程式分別為:

式中:Qlc、Qlg、Qe、Qhg、Qhc和Qa分別為低壓冷凝器、低壓發(fā)生器、蒸發(fā)器、高壓發(fā)生器、高壓冷凝器、吸收器的傳熱量,k W;cp為水的比熱容;mlc、me、mhc和ma分別為低壓冷凝器、蒸發(fā)器、高壓冷凝器、吸收器的質(zhì)量流量,kg/s;Tlcin、Tlcout、Tein、Teout、Thcin、Thcout、Tain、Taout分別為各部件的進(jìn)出口溫度,K;m1為低壓發(fā)生器流向低壓冷凝器的流量,m/s;m2為高壓發(fā)生器流向高壓冷凝器的流量,m/s;m3為高壓發(fā)生器流向溶液換熱器2 的流量,m/s;m4為低壓發(fā)生器流向溶液換熱器1 的流量,m/s;m5為溶液換熱器2 流向高壓發(fā)生器的流量,m/s;m6為溶液換熱器2 流向低壓發(fā)生器的流量,m/s;m7為低壓發(fā)生器流向溶液換熱器1的流量,m/s;h1、h2、h3、h4、h5、h6和h7分別為各狀態(tài)點對應(yīng)的焓值,kJ/kg。

1.5 換熱器模型

高溫?zé)煔夂透滋姿謩e通過換熱器1和換熱器2與補(bǔ)充水進(jìn)行換熱。

換熱器1的能量平衡式為:

式中:hexin和hexout分別為煙氣進(jìn)出換熱器1 的焓值,kJ/kg;ηx1為換熱效率,根據(jù)計算輸入?yún)?shù)取0.85;m11為進(jìn)入換熱器1的煙氣流量,m/s。

換熱器2的能量平衡式為:

式中:hjwin和hjwout分別為缸套水進(jìn)出換熱器2的焓值,kJ/kg,可通過式(13)進(jìn)行計算;ηhx2為換熱效率,取0.85;m12為進(jìn)入換熱器2 的缸套水流量,m/s。

1.6 系統(tǒng)性能指標(biāo)

本文從能耗性對系統(tǒng)進(jìn)行運行性能評估,分別以發(fā)電效率、系統(tǒng)總效率效率三個性能指標(biāo)進(jìn)行具體分析。

系統(tǒng)總效率定義為:

式中:E、Qhe和Qlc分別為發(fā)電量、換熱器供熱量和溴化鋰機(jī)組制冷量;mbio和QLHV,bio分別為生物質(zhì)原料的消耗量和低熱值。

式中:EP為系統(tǒng)獲得的,k W;EF為進(jìn)入系統(tǒng)的燃料輸入,k W;ED為系統(tǒng)的損,k W。

式中:Eoutput為組件的輸出,k W;Einput是元件的輸入功率,k W。

式中:qNCV0為固體燃料低位發(fā)熱量,kJ/kg;w為固體燃料的含水率;s為固體燃料中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù);φdry的表達(dá)式如下:

式中:c、h、o、n分別為固體燃料中C、H、O、N 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。該公式適用于O/C質(zhì)量比小于0.667的固體燃料。分析是非常有必要的,可以確定在不可逆過程中損失的位置,然后可以考慮改進(jìn)[20]。

2 結(jié)果與討論

對系統(tǒng)進(jìn)行模擬計算,首先對雙聯(lián)流化床氣化系統(tǒng)進(jìn)行模擬,得到合成氣組分和熱值等參數(shù);然后在供暖與溴化鋰模型中,討論氣化和及動力參數(shù)對發(fā)電量、制熱量和制冷量的影響關(guān)系,以及發(fā)電效率、系統(tǒng)總效率與效率等系統(tǒng)性能指標(biāo)。

2.1 氣化參數(shù)的影響

2.1.1 蒸汽/燃料質(zhì)量比的影響

本文采用生物質(zhì)、垃圾、和污泥的混合燃料進(jìn)行氣化,其中燃料生物質(zhì)、垃圾和污泥質(zhì)量比為3∶5∶2,同時通入蒸汽參與氣化。蒸汽與燃料的質(zhì)量比值對發(fā)電效率、發(fā)電-供暖效率以及發(fā)電-供冷效率的影響如圖2所示,蒸汽/燃料質(zhì)量比對供暖及供冷過程的效率的影響,如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)效率與蒸汽/燃料質(zhì)量比的關(guān)系Fig.3 Relationship between system exergy efficiency and steam/fuel mass ratio

由圖2、3可知,隨著水蒸氣的比例增加,發(fā)電效率以及供暖與供冷的效率均是先增大后減小,在蒸汽/燃料質(zhì)量比為1.0時達(dá)到最大值,最大的發(fā)電效率為30.7%,最大供暖效率為29.4%,最大供冷效率為27.1%。這是由于適量的蒸汽可以與生物質(zhì)中未分解的固態(tài)組分發(fā)生一系列反應(yīng),如水煤氣反應(yīng)等,可以產(chǎn)生大量的合成氣,有利于后續(xù)的能量轉(zhuǎn)換;當(dāng)通入過量蒸汽時,過量蒸汽影響爐內(nèi)的熱平衡,不利于合成氣的產(chǎn)生,合成氣量下降使得內(nèi)燃機(jī)的工作效率下降。供暖與供冷的總能量利用效率均隨蒸汽的比例增加而呈下降趨勢。

圖2 系統(tǒng)發(fā)電效率及發(fā)電 供暖總效率、發(fā)電-供冷總效率與蒸汽/燃料質(zhì)量比的關(guān)系Fig.2 Relationship between system power generation efficiency and power generation-heating total efficiency,power generation-cooling total efficiency and gasification reactor steam/fuel mass ratio

2.1.2 氣化溫度的影響

氣化溫度對發(fā)電效率、發(fā)電-供暖總效率和發(fā)電-供冷總效率的影響如圖4所示,氣化溫度對供暖及供冷過程的效率的影響,如圖5所示。

由圖4可知:發(fā)電效率隨溫度的升高逐漸降低,主要因為氣化溫度升高,不利于氣化反應(yīng)器內(nèi)的產(chǎn)氣,達(dá)到900℃時,產(chǎn)氣量達(dá)到最低,而且溫度接近900℃產(chǎn)氣量的下降也趨于平緩,從而降低內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電量。從圖4還可以看出:氣化溫度對供冷和供暖效率的影響與發(fā)電效率不同,隨著溫度的升高,供暖以及供冷的效率逐漸升高,最高效率分別為68.4%和60.7%。而從圖5可知:供暖與供冷的效率隨著氣化溫度的升高而下降。供暖的能量利用率及效率均高于供冷的效率,可能原因為大部分缸套水熱量被吸收至熱水箱中,只有少部分熱量返回到內(nèi)燃機(jī)中,這部分煙氣熱量可以被溴化鋰機(jī)組利用以制取冷量。

圖4 系統(tǒng)發(fā)電效率及發(fā)電 供暖總效率和發(fā)電-供冷總效率與氣化溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between system power generation efficiency and power generation-heating total efficiency and power generation-cooling total efficiency and gasification temperature

圖5 系統(tǒng)效率與氣化溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship between system exergy efficiency and vaporization temperature

2.2 動力參數(shù)的影響

2.2.1 氣化反應(yīng)器/燃燒反應(yīng)器壓比及溫度的影響

不同壓比及溫度對發(fā)電效率的影響如圖6 所示,不同溫度及壓比對系統(tǒng)發(fā)電-供暖總效率的影響如圖7所示。

圖7 發(fā)電 供暖總效率與氣化溫度及壓比的關(guān)系Fig.7 Relationship between the total efficiency of power generation and heating and the gasification temperature and pressure ratio

由圖6、7可知:發(fā)電效率隨壓比的增加先增加后降低,壓比為3.0時,發(fā)電效率在各溫度下均為最高,而且在每個壓比下,發(fā)電效率均隨溫度的升高而升高,由此可知在1 000℃,壓比為3.0,發(fā)電效率為最佳,值為32.9%。

圖6 發(fā)電效率與氣化溫度及壓比的關(guān)系Fig.6 Relationship between power generation efficiency and gasification temperature and pressure ratio

不同溫度及壓比對系統(tǒng)發(fā)電-供冷總效率的影響如圖8所示,不同氣化溫度及壓比對系統(tǒng)供冷效率的影響如圖9所示。不同溫度及壓比對系統(tǒng)供暖效率的影響如圖10所示。

圖8 發(fā)電-供冷總效率與氣化溫度及壓比的關(guān)系Fig.8 Relationship between power generation-cooling efficiency and gasification temperature and pressure ratio

圖9 供冷效率與氣化溫度及壓比的關(guān)系Fig.9 Relationship between cooling efficiency and gasification temperature and pressure ratio

圖10 供暖效率與溫度及壓比的關(guān)系Fig.10 Relationship between heating exergy efficiency and temperature and pressure ratio

由圖8—10可知:供暖及供冷總效率隨壓比和溫度的升高逐漸達(dá)到最高,發(fā)電-供暖的最高總效率為70.7%,發(fā)電-供冷的最高總效率為62.7%。而供暖及供冷的效率的變化趨勢與發(fā)電效率相似,在壓比為3.0,溫度1 000℃時,最高供暖效率為31.2%,最高供冷效率為28.9%。所以,后期可考慮通過提高合成氣低位熱值以提高內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率,同時提高雙效溴化鋰機(jī)組CCOP和換熱器換熱效率均有助于提升系統(tǒng)的一次能源利用率。

2.2.2 回?zé)崞鳠徇M(jìn)口-冷出口溫差的影響

回?zé)崞鳠徇M(jìn)口-冷出口溫差對發(fā)電效率以及發(fā)電-供暖供冷總效率的影響如圖11所示,回?zé)崞鳠徇M(jìn)口-冷出口溫差對系統(tǒng)的效率的影響如圖12所示。

圖11 發(fā)電效率及供冷 供暖總效率與回?zé)崞鳠徇M(jìn)口-冷出口溫差的關(guān)系Fig.11 Relationship between the power generation efficiency and the temperature difference between the hot inlet and the cold outlet of the regenerator

圖12 效率與回?zé)崞鳠徇M(jìn)口 冷出口溫差的關(guān)系Fig.12 Relationship between exergy efficiency and the temperature difference between the hot inlet and the cold outlet of the regenerator

由圖11、12可知:隨著回?zé)崞鳠徇M(jìn)口-冷出口溫差的增加,發(fā)電效率逐漸下降,同時供暖與供冷的效率均下降;而供暖與供冷的總效率逐漸增加。所以,可以選定適當(dāng)?shù)幕責(zé)崞鳠徇M(jìn)口-冷出口溫差來得到合適的發(fā)電量及能量轉(zhuǎn)化效率。

3 結(jié)論

本文以城鎮(zhèn)和周邊農(nóng)村為單位,將農(nóng)林生物質(zhì)、生活垃圾和污泥廢棄物通過雙聯(lián)流化床共氣化的方式制備合成氣,合成氣發(fā)電,余熱供熱和供冷,實現(xiàn)冷熱電三聯(lián)產(chǎn)的分布式,形成分布式能源,為城鎮(zhèn)及周邊農(nóng)村地區(qū)的固體廢棄物資源化高效利用提供一條途徑。主要結(jié)論如下:

(1) 本文基于熱平衡和化學(xué)平衡的原理建立了雙聯(lián)循環(huán)流化床氣化-內(nèi)燃機(jī)-溴化鋰?yán)錈犭娙?lián)供系統(tǒng),在氣化過程的蒸汽/燃料的比值為1.0時各效率達(dá)到最大值,最大的發(fā)電效率為30.7%,最大供暖效率為29.4%,最大供冷效率為27.1%。

(2) 氣化溫度對供冷和供暖效率的影響與發(fā)電效率不同,隨著氣化溫度升高,供暖以及供冷的總能量利用效率逐漸升高,最高效率分別為68.4%和60.7%。而供暖與供冷的效率隨著氣化溫度的升高而下降。

(3) 發(fā)電效率隨氣化反應(yīng)器/燃燒反應(yīng)器壓比的增加先增加后降低,壓比為3.0 時,而且溫度在1 000℃時,發(fā)電效率為最佳,值為32.9%,而且此條件下,最高供暖效率為31.2%,最高供冷效率為28.9%。