基于生物質(zhì)氣化的電-熱-氫三聯(lián)供協(xié)同CO2捕集系統(tǒng)研究*

方鑫，汪家銘，李娟，潘益，姜云龍，李鑫郡

(1. 江蘇省電力試驗研究院有限公司，江蘇南京 211103；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京 211103；3. 南京師范大學(xué)能源與機械工程學(xué)院，江蘇南京 210023)

我國是能源大國，長期以來嚴重依賴化石能源，雖然化石能源燃燒污染物如硫氧化物、氮氧化物及顆粒物的治理已取得長足進步，但化石能源利用過程中伴隨的大量CO2排放問題依然未得到有效解決[1-4]。此外，我國還是農(nóng)業(yè)大國，廣闊的耕地和經(jīng)濟林面積每年會產(chǎn)生大量的農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物；生物質(zhì)能是一種CO2零排放的可再生能源，將其作為能源來源不僅能實現(xiàn)生物質(zhì)廢棄物的有效處置，還有助于降低對化石燃料的依賴[5-8]。

生物質(zhì)資源具有來源多樣、能量密度較低及分布分散等特點，這些特點決定了因地制宜和分布式利用是發(fā)展生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的必然要求[9]。工業(yè)園區(qū)具有能源密度大、用能形式多樣、用能需求相對穩(wěn)定的特點，是開展分布式能源應(yīng)用的最佳應(yīng)用場景之一[10-12]，電和熱是工業(yè)園區(qū)需求最為廣泛的能量形式。此外，2021 年國務(wù)院印發(fā)的《2030 年前碳達峰行動方案》指出，氫能是未來我國重點發(fā)展的一種能量載體，其將在用能終端綠色低碳轉(zhuǎn)型中扮演重要角色。因此，開展以生物質(zhì)為能源來源的含氫多聯(lián)供系統(tǒng)研究具有重要意義。林俊光等[13]基于生物質(zhì)氣化構(gòu)建了包括氣化爐、內(nèi)燃機和溴化鋰制冷機組等裝置的多聯(lián)供系統(tǒng)，并對其發(fā)電量、制冷量及制熱量之間的制約關(guān)系進行了研究。陳程等[14-15]針對垃圾、生物質(zhì)及污泥等廢棄物的處置提出了雙流化床共氣化技術(shù)，并將其與內(nèi)燃機或固體燃料電池進行耦合組成了冷-熱-電三聯(lián)供系統(tǒng)，獲取了高達80%的熱電綜合效率。林顯納等[16]為提高生物質(zhì)氣化的熱電聯(lián)供效率，基于透平和螺桿膨脹機提出了兩種系統(tǒng)方案；通過對比分析發(fā)現(xiàn)，燃氣輪機和蒸汽螺桿膨脹機構(gòu)成的系統(tǒng)具有更高的綜合效率、發(fā)電效率及?效率。趙琳等[17]對Fe2O3為載氧體的生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化系統(tǒng)進行模擬，分析了不同因素對合成氣制備的影響，并將該氣化系統(tǒng)與燃氣輪機聯(lián)用，獲得了高于生物質(zhì)直燃的發(fā)電效率。薛小軍等[18]還將生物質(zhì)氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)與壓縮空氣儲能系統(tǒng)進行耦合，并分析了二者間的協(xié)同效應(yīng)。由上述研究可知，目前針對生物質(zhì)分布式能源的利用研究主要側(cè)重于冷-熱-電聯(lián)供系統(tǒng)，而高純氫氣制備方面的聯(lián)供研究較少,且主要通過質(zhì)子交換膜電解槽電解水獲取[19-21]；有必要對基于熱化學(xué)方法的生物質(zhì)能含氫多聯(lián)供系統(tǒng)進行研究，為該技術(shù)的發(fā)展提供借鑒和理論支撐。此外，隨著全球氣候變暖及巴黎氣候大會上2 ℃溫升目標的確立[22]，CO2的捕集封存也是生物質(zhì)利用過程中需要考慮的重要問題[23]。

基于生物質(zhì)氣化和鐵基載氧體化學(xué)鏈制氫及燃燒技術(shù)構(gòu)建了電-熱-氫三聯(lián)供協(xié)同CO2捕集系統(tǒng)，并借助Aspen Plus 工藝流程模擬軟件對系統(tǒng)進行模擬計算。針對各單元模塊建立熱力學(xué)模型，考察不同運行參數(shù)對系統(tǒng)電-熱-氫制備效率及CO2捕集效率的影響特性，為以生物質(zhì)為能源的含氫多聯(lián)供系統(tǒng)方案設(shè)計提供一定參考。

1 系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 化學(xué)鏈燃燒和化學(xué)鏈制氫

化學(xué)鏈燃燒(CLC)是一種高效清潔的燃燒技術(shù)，其借助載氧體的載氧作用將燃燒分為兩步進行，以避免燃料和空氣的直接接觸，從而實現(xiàn)CO2的內(nèi)在分離富集[24]，原理見圖1(a)。主要化學(xué)反應(yīng)見式(1)和式(2)。

燃料反應(yīng)器(FR)：

空氣反應(yīng)器(AR)：

基于鐵基載氧體的化學(xué)鏈制氫(CLHG)技術(shù)原理與CLC 類似，其借助鐵-水反應(yīng)制取高純氫氣，純度高達99%以上，可滿足燃料電池要求，因此獲得了人們的廣泛關(guān)注[25]，原理見圖1(b)。主要化學(xué)反應(yīng)見式(3)～(6)。

燃料反應(yīng)器(FR)：

水蒸氣反應(yīng)器(SR)：

值得注意的是，在CLHG 的FR 中，F(xiàn)e3O4與合成氣間的反應(yīng)為可逆反應(yīng)，即存在熱力學(xué)限制，使得Fe3O4不能將氣體燃料完全氧化。為此，可將未完全轉(zhuǎn)化的燃料通入CLC 的FR 中，利用Fe2O3將其完全氧化，完全氧化產(chǎn)生的CO2和H2O 混合物經(jīng)冷凝除去水分后即可獲得高純氫氣。筆者擬結(jié)合鐵基載氧體CLHG 和CLC 2 個反應(yīng)單元，將生物質(zhì)氣化獲取的合成氣轉(zhuǎn)化為高純氫氣的同時實現(xiàn)CO2的分離富集。

1.2 基于生物質(zhì)氣化的電-熱-氫聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

基于生物質(zhì)氣化的電-熱-氫三聯(lián)供系統(tǒng)包括生物質(zhì)氣化、CLHG、CLC 及燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)等4 個單元模塊，系統(tǒng)工藝流程見圖2。

圖2 基于生物質(zhì)氣化的電-熱-氫三聯(lián)供系統(tǒng)工藝流程示意

在氣化單元中，生物質(zhì)在氧氣的作用下氣化生成合成氣，并隨即進入余熱鍋爐中產(chǎn)生再熱蒸汽。合成氣經(jīng)除塵、脫硫等凈化處理后進入CLHG-FR中，而CLHG-SR 中的水蒸氣則來源于汽輪機的高壓缸抽汽。為了與燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)結(jié)合，CLHGFR、CLHG-SR、CLC-FR 和CLC-AR 等4 個反應(yīng)器均在加壓條件下運行。CLC-FR 出口富集的CO2氣體進入CO2透平做功，做功后的氣體經(jīng)余熱鍋爐中的過熱器、蒸發(fā)器及省煤器等產(chǎn)生過熱蒸汽，以回收CO2氣體余熱。同理，來自CLHG-SR 的氫氣進入H2透平做功，并進入余熱鍋爐釋放熱量產(chǎn)生過熱蒸汽。因為CLHG-FR 中的還原反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，需要外界額外提供熱量。由于CLC-AR 中發(fā)生的反應(yīng)(2)為強放熱反應(yīng)，該熱量可通過CLHGFR 與CLC-AR 之間的換熱提供，換熱后的CLCAR 排氣即欠氧空氣經(jīng)補燃后進入透平發(fā)電；繼而進入余熱鍋爐釋放熱量并產(chǎn)生過熱蒸汽。過熱蒸汽進入汽輪機高壓缸做功后，部分進入CLHG-SR 分解產(chǎn)生高純氫氣，部分進入再熱器回?zé)幔筮M入中壓缸繼續(xù)做功，中壓缸做功后的水蒸氣可被用于供熱，也可再進入低壓缸做功。

2 模型的建立

模擬用農(nóng)林生物質(zhì)的性質(zhì)和組成見表1。物性參數(shù)計算方法選擇帶Boston-Mathiasα函數(shù)的Peng-Robinson 方程，即PR-BM 方程。

表1 農(nóng)林生物質(zhì)的工業(yè)和元素分析

2.1 氣化爐

氣化是一個復(fù)雜的多相多組分熱化學(xué)過程，即高溫下將生物質(zhì)中的可燃物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料的過程。生物質(zhì)氣化涉及的反應(yīng)主要有碳的氣化反應(yīng)、水氣變換反應(yīng)以及甲烷重整反應(yīng)等。Aspen Plus 軟件中氣化爐模型采用RYield 和RGibbs 反應(yīng)器模塊。其中，RYield 模塊用于生物質(zhì)熱解過程模擬，RGibbs 模塊通過計算吉布斯自由能最小化模擬生物質(zhì)氣化的最終化學(xué)平衡狀態(tài)，并獲取合成氣組分。選取氧氣作為氣化介質(zhì)，單位制氧能耗計0.370 kWh/kg，其中制氧能耗為0.246 kWh/kg，壓縮能耗為0.124 kWh/kg。

2.2 化學(xué)鏈系統(tǒng)

化學(xué)鏈系統(tǒng)包含CLHG 和CLC 2 個雙反應(yīng)器子系統(tǒng)，其中主要涉及到不同價態(tài)的鐵氧化物與合成氣、水蒸氣以及空氣的氧化還原反應(yīng)，采用RGibbs 反應(yīng)器模塊模擬不同反應(yīng)器中的最終化學(xué)平衡狀態(tài)。

2.3 汽水系統(tǒng)

汽水系統(tǒng)包含各余熱鍋爐中的換熱器，主要采用Heater 或HeatX 模塊對系統(tǒng)進行模擬，其中Heater 是熱量與物流換熱器；HeatX 是冷熱物流換熱器。

2.4 壓縮機和透平

壓縮機主要包括空氣壓縮、給水增壓和CO2壓縮和H2壓縮。壓縮機采用Compr 模塊，子模塊設(shè)定為Compressor。根據(jù)實際壓縮類型確定壓比。采用多級壓縮機壓縮CO2和H2，在每級壓縮后進行水冷，壓縮過程中的凝結(jié)水通過閃蒸去除。透平裝置包括燃氣輪機和蒸汽輪機，其模擬均采用Compr模塊，子模塊設(shè)定為Turbine。

基于生物質(zhì)氣化的電-熱-氫三聯(lián)供系統(tǒng)運行基準工況見表2。

表2 系統(tǒng)運行基準工況

3 系統(tǒng)性能評價指標

電-熱-氫三聯(lián)供系統(tǒng)性能評價指標主要包括發(fā)電效率、供熱效率、制氫效率以及CO2捕集效率。此外，生物質(zhì)氣化參數(shù)對于合成氣品質(zhì)及系統(tǒng)各個效率具有重要影響，選取合成氣各組分產(chǎn)量、碳轉(zhuǎn)化率、有效氣體產(chǎn)率、合成氣熱值、冷煤氣效率等作為生物質(zhì)氣化特性指標。

發(fā)電效率計算公式見式(7)。

式中：ηe為系統(tǒng)發(fā)電效率，%；We為系統(tǒng)凈發(fā)電功率，kW；mbio為進入系統(tǒng)的生物質(zhì)量，kg/s；LHVbio為生物質(zhì)的低位熱值，kJ/kg。

系統(tǒng)凈發(fā)電功率計算公式見式(8)。

式中： WGT和WST分別為燃氣輪機和蒸汽輪機功率，kW；WCO2,T和WH2,T分別為CO2透平和H2透平功率，kW；WO2為空分耗電功率，kW；WCO2和WH2分別為CO2和H2壓縮功率，kW；WAU為各類輔機如水泵等的功率，kW。

供熱效率計算公式見式(9)。

式中：ηq為系統(tǒng)供熱效率，%；Hh為供熱蒸汽焓值，kW；Hc為供熱后回水焓值，kW。

制氫效率計算公式見式(10)。

式中：ηH2為系統(tǒng)制氫效率，%；mH2為系統(tǒng)氫氣產(chǎn)量，kg/s；LHVH2為氫氣低位熱值，kJ/kg。

碳轉(zhuǎn)化率計算公式見式(11)。

式中：ηc為碳轉(zhuǎn)化率，%；mash為離開氣化爐的灰量，kg/s；Wc為生物質(zhì)中碳的質(zhì)量百分比，%；W＇c為離開氣化爐的灰中碳的質(zhì)量百分比，%。

CO2捕集效率計算公式見式(12)。

式中：ηCO2為CO2捕集效率，%；mCO2為CO2富集流量，kg/s。

有效氣體產(chǎn)率計算公式見式(13)。

式中：Ye為合成氣中的有效氣體產(chǎn)率，m3/kg；qv為合成氣中的H2、CO、CH4在標準狀態(tài)下的總體積流量，m3/s。

生物質(zhì)氣化制得的合成氣低位熱值計算公式見式(14)。

式中：LHVsyn為合成氣低位熱值，MJ/m3；φH2、φCO和φCH4分別為合成氣中H2、CO和CH4在合成氣中的體積分數(shù)，%。

系統(tǒng)的冷煤氣效率(ηenergy)是合成氣所含能量與生物質(zhì)輸入能量之比，是衡量氣化效果的一個重要指標，計算公式見式(15)。

式中：Yv為包含CO2和H2O在內(nèi)的合成氣總產(chǎn)率，m3/kg。

4 結(jié)果分析與討論

4.1 生物質(zhì)氣化溫度

氣化溫度對生物質(zhì)氣化過程中的碳轉(zhuǎn)化率、合成氣各組分流量、熱值及冷煤氣效率等氣化參數(shù)具有重要影響。

4.1.1 氣化溫度對合成氣各組分流量及碳轉(zhuǎn)化率的影響

氣化溫度對合成氣各組分流量及碳轉(zhuǎn)化率的影響見圖3。

圖3 氣化溫度對合成氣各組分流量及碳轉(zhuǎn)化率的影響

由圖3 可見：當溫度從750 ℃升高到900 ℃，H2和CO 摩爾流量大幅上升，CO2、H2O 和CH4的摩爾流量逐步下降，而碳轉(zhuǎn)化率從73.1%大幅增加至100%。這是因為高溫會促進CO2和H2O 對碳的氣化作用，且有利于CH4與CO2和H2O 三者間的重整反應(yīng)。因此，高溫有利于碳轉(zhuǎn)化率以及H2和CO 生成量的增加。但當溫度超過900 ℃以后，H2和CO 摩爾流量增幅大大降低，而CO2和CH4均小幅降低，H2O 摩爾流量反而呈現(xiàn)上升趨勢，碳轉(zhuǎn)化率維持100%不變。這是因為高溫會繼續(xù)促進甲烷重整反應(yīng)，導(dǎo)致CO2和CH4摩爾流量降低，以及H2和CO 摩爾流量上升；而水氣變換反應(yīng)作為放熱反應(yīng)，高溫下化學(xué)平衡會向CO 和H2O 增加的方向移動，導(dǎo)致二者流量增加，從而引發(fā)CO2和H2O相反的變化趨勢。

4.1.2 氣化溫度對合成氣特性的影響

氣化溫度對合成氣有效氣體產(chǎn)率、熱值及冷煤氣效率的影響見圖4。

圖4 氣化溫度對合成氣特性的影響

由圖4 可見：溫度從750 ℃升高到900 ℃過程中，三者均呈現(xiàn)出大幅增加的趨勢。由圖3 結(jié)果可知該過程中除CH4摩爾流量有小幅下降之外，H2和CO 兩種氣體摩爾流量均大幅上升，因此，有效氣體產(chǎn)率、合成氣熱值和冷煤氣效率均隨之增大。但當溫度超過900 ℃以后，由于H2和CO摩爾流量增幅大大降低且伴隨有CH4流量的下降，導(dǎo)致有效氣體產(chǎn)率和冷煤氣效率緩慢增加。值得注意的是，合成氣熱值在高溫區(qū)出現(xiàn)了小幅降低。這是因為溫度超過900 ℃以后，碳的氣化率已達到100%，不能進一步通過碳的氣化增加合成氣熱值，此時主要發(fā)生的是甲烷重整反應(yīng)和水煤氣變換反應(yīng)；前者會導(dǎo)致分子數(shù)加倍，雖然有效氣體產(chǎn)率會進一步上升，但由于H2和CO的熱值(分別為10.78 MJ/m3和12.64 MJ/m3)遠低于CH4的熱值(35.83 MJ/m3)，因此，合成氣熱值反而會呈現(xiàn)下降趨勢。當氣化溫度900 ℃時合成氣熱值為最高，即9.17 MJ/m3，此時有效氣體產(chǎn)率和冷煤氣效率分別為0.938 m3/kg和85.0%。

4.1.3 氣化溫度對系統(tǒng)效率的影響

氣化溫度對電-熱-氫三聯(lián)供系統(tǒng)各效率的影響見圖5。

圖5 氣化溫度對系統(tǒng)效率的影響

由圖5 可見：當溫度從750 ℃升高至900 ℃，發(fā)電效率、供熱效率、制氫效率和CO2捕集效率均會隨溫度的升高呈現(xiàn)大幅增加趨勢；當溫度超過900 ℃后，各系統(tǒng)效率隨溫度的升高僅有小幅上升。這主要是因為發(fā)電效率、供熱效率和制氫效率三者與冷煤氣效率緊密相關(guān)，冷煤氣效率的升高說明生物質(zhì)流量一定條件下，氣化爐提供給整個系統(tǒng)的化學(xué)能提高了，因此三者變化趨勢與圖4 中冷煤氣效率是一致的。而對于CO2捕集效率，其與燃氣輪機補燃溫度緊密相關(guān)，補燃溫度一定時，冷煤氣效率升高，補燃所需的合成氣量降低，從而排空的CO2流量降低，CO2捕集效率升高。

綜合圖3～5 結(jié)果可知，氣化溫度為900 ℃時，生物質(zhì)具有較好的氣化特性，且各系統(tǒng)效率較高，發(fā)電效率、供熱效率和制氫效率分別為16.4%、36.2%和23.4%，而CO2捕集效率達65.3%。

4.2 燃氣輪機補燃溫度

補燃溫度決定了合成氣被送往化學(xué)鏈系統(tǒng)和燃氣輪機的比例，對于系統(tǒng)的發(fā)電、供熱、制氫和CO2捕集均具有較大影響。補燃溫度對系統(tǒng)效率的影響見圖6。

圖6 燃氣輪機進口補燃溫度對系統(tǒng)效率的影響

由圖6 可見：隨著補燃溫度由1150 ℃上升至1400 ℃，發(fā)電效率和供熱效率均有大幅提升，二者分別由13.4%和29.5%升至16.4%和36.2%。而制氫效率和CO2捕集效率大幅降低，分別由28.1%和80.3%降至23.4%和65.3%。隨著補燃溫度的升高，更多的燃料直接進入補燃室，增加了燃氣輪機功率，且燃氣輪機的排氣溫度也會上升，使得余熱鍋爐的蒸汽產(chǎn)量提高；此外，由于進入CLHG-FR合成氣量降低，導(dǎo)致還原態(tài)鐵氧化物量減少，進入CLHG-SR 的水蒸氣量也隨之減少。上述因素疊加導(dǎo)致汽輪機的輸出功率和供熱功率隨著補燃溫度的升高而升高。因此，補燃溫度的升高雖然帶來發(fā)電效率和供熱效率的提升，但是制氫效率和CO2捕集效率會大幅降低。

4.3 化學(xué)鏈制氫運行參數(shù)

4.3.1 CLHG 模塊中Fe3O4循環(huán)流率對系統(tǒng)效率的影響

CLHG 模塊中Fe3O4循環(huán)流率對系統(tǒng)效率的影響見圖7。假設(shè)CLHG-FR 進口合成氣與Fe3O4的反應(yīng)剛好達到平衡時，F(xiàn)e3O4的循環(huán)流率為100%。

圖7 CLHG中Fe3O4循環(huán)流率對系統(tǒng)效率的影響

由圖7 可見：隨著Fe3O4循環(huán)流率的增加，系統(tǒng)發(fā)電效率和供熱效率隨之下降，制氫效率則隨之升高，而CO2捕集效率呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。這是因為當Fe3O4循環(huán)流率下降時，未轉(zhuǎn)化的合成氣量會增加并進入化學(xué)鏈燃燒單元增大燃燒放熱量，從而提高發(fā)電效率和供熱效率，但制氫效率卻因此而下降。值得注意的是，由于CLHG-FR 為強吸熱反應(yīng)，其需要的熱量來自從CLHG-SR 中的攜帶以及與CLC-AR 間的對流換熱，F(xiàn)e3O4循環(huán)流率需控制在75%以內(nèi)，過高的Fe3O4循環(huán)流率會導(dǎo)致CLHG-FR 所需熱量不足，破壞系統(tǒng)熱平衡。對于CO2捕集效率，當Fe3O4循環(huán)流率從30%增加至40%時，CLHG-FR 需要的熱量增加，造成CLC-AR 出口的欠氧空氣溫度下降，合成氣補燃量隨之增加，導(dǎo)致CO2排放增加。當Fe3O4循環(huán)流率進一步增加時，會導(dǎo)致合成氣在CLHG 模塊中的轉(zhuǎn)化率上升，進入CLC 模塊的合成氣量下降，從而CLC-AR 所需空氣量減少，用于補燃的合成氣相應(yīng)減少，最終使CO2捕集效率轉(zhuǎn)而上升。

4.3.2 CLHG-SR 模塊中水蒸氣流率對系統(tǒng)效率的影響

CLHG-SR 模塊中水蒸氣流率對系統(tǒng)效率的影響見圖8。假設(shè)還原態(tài)鐵氧化物剛好被氧化為Fe3O4時，對應(yīng)的水蒸氣流率為100%。

圖8 CLHG-SR中水蒸氣流率對系統(tǒng)效率的影響

由圖8 可見：當水蒸氣流率由50%上升至100%過程中，制氫效率大幅增加，CO2捕集效率維持恒定，而發(fā)電和供熱效率呈下降趨勢；進一步增加水蒸氣流率時發(fā)現(xiàn)，其他效率保持原有變化趨勢，而制氫效率保持不變。當水蒸氣流率在100%以下時，水蒸氣流率的增加會導(dǎo)致更多還原態(tài)鐵氧化物被氧化，引起H2產(chǎn)量增加，制氫效率提高。CLHG-SR 中的水蒸氣來源于蒸汽輪機抽汽，因此水蒸氣流率的增加會導(dǎo)致發(fā)電和供熱效率的下降，而對CO2捕集效率沒有影響；當水蒸氣流率超過100%以后，此時制氫量由還原態(tài)鐵氧化物的量決定，由于后者循環(huán)量維持恒定，因此制氫效率保持不變，只會導(dǎo)致發(fā)電和供熱效率的進一步下降。

4.3.3 溫度對系統(tǒng)效率的影響

CLHG-SR 溫度對系統(tǒng)效率的影響見圖9。

圖9 CLHG-SR溫度對系統(tǒng)效率的影響

由圖9 可見：發(fā)電效率和供熱效率隨著CLHG-SR 溫度的升高而下降，而制氫效率和CO2捕集效率則隨之升高。這是因為隨著CLHG-SR 溫度的升高，向CLHG-FR 傳遞的熱量增加，因而可減少來自CLC-AR 的熱量，并導(dǎo)致所需的合成氣補燃量下降，更高比例的合成氣進入了化學(xué)鏈系統(tǒng)。此外，CLHG-SR 中的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，過高的溫度會使化學(xué)平衡向不利于產(chǎn)生氫氣的方向移動，引起反應(yīng)放熱量降低，且H2余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽量下降。另外，化學(xué)平衡的移動會使進入CLHG-SR的蒸汽量增加，汽輪機抽汽量增加。上述因素共同導(dǎo)致發(fā)電和供熱效率下降。由于補燃量下降，進入化學(xué)鏈系統(tǒng)的合成氣量增加，故CO2捕集效率隨CLHG-SR 溫度的升高而增加。

CLHG-FR 溫度對系統(tǒng)效率的影響見圖10。

圖10 CLHG-FR溫度對系統(tǒng)效率的影響

由圖10 可見：發(fā)電效率、供熱效率及制氫效率均隨CLHG-FR 溫度的升高而增加，而CO2捕集效率隨之下降。該變化趨勢與其他因素對應(yīng)的變化趨勢有所區(qū)別，其他因素發(fā)生變化時，系統(tǒng)發(fā)電效率、供熱效率和制氫效率的變化趨勢往往是相反的，而此處是相同的。原因分析如下：首先，當CLHG-FR溫度升高時，合成氣在其中的轉(zhuǎn)化率升高，引發(fā)鐵基載氧體循環(huán)流率增加，制氫量增加，H2透平做功量提高；其次，為了維持CLHGSR的溫度不隨之升高，H2余熱鍋爐的蒸汽產(chǎn)量會增加。CLHG-FR溫度升高需要的合成氣補燃量提高，從而使燃氣透平做功量增加；再次，CLHGFR溫度升高會使進入CLC-FR的溫度升高，從而使得CO2余熱鍋爐的蒸汽產(chǎn)量增加；此外，對于蒸汽輪機，雖然進入CLHG-SR蒸汽量增加，其抽汽量增加，但由于蒸汽產(chǎn)量的上升，發(fā)電量依然會提高。上述因素共同引發(fā)了發(fā)電、供熱及制氫效率的增加。由于合成氣補燃量隨著CLHG-FR溫度的升高而增加，因此，CO2捕集效率隨之下降。

4.4 化學(xué)鏈燃燒運行參數(shù)

CLC-AR 溫度對系統(tǒng)效率的影響見圖11。

圖11 CLC-AR溫度對系統(tǒng)效率的影響

由圖11 可見：隨著CLC-AR 溫度的升高，發(fā)電效率和供熱效率逐漸下降，而制氫效率和CO2捕集效率增加。這是因為CLC-AR 溫度的升高會使進入其中的空氣量減少，進一步導(dǎo)致補燃的合成氣量下降，燃氣輪機發(fā)電量降低；此外，燃氣輪機排氣量減少，余熱鍋爐中的蒸汽產(chǎn)量下降，引發(fā)蒸汽輪機做功減少?？傊珻LC-AR 溫度的升高會使更高比例的合成氣進入化學(xué)鏈系統(tǒng)，導(dǎo)致制氫效率和CO2捕集效率增加。

CLC-FR 溫度對系統(tǒng)效率的影響見圖12。

圖12 CLC-FR溫度對系統(tǒng)效率的影響

由圖12 可見：發(fā)電效率和供熱效率隨著CLCFR 溫度的升高而上升，而制氫效率和CO2捕集效率隨之下降。CLC-FR 為放熱反應(yīng)器，CLC-FR 溫度升高會引起進入CLC-AR 的熱量增加，為了保持后者溫度不升高，增加進入其中的空氣量。而為了達到燃氣輪機既定補燃溫度，合成氣補燃量隨之增加，從而提高了燃氣輪機的發(fā)電量以及相應(yīng)余熱鍋爐的蒸汽發(fā)生量。此外，由于進入化學(xué)鏈系統(tǒng)的合成氣量降低，CO2余熱鍋爐蒸汽產(chǎn)量降低。綜合來看，蒸汽輪機發(fā)電量變化較小，發(fā)電量的增加主要來自燃氣輪機做功量的增加。隨著CLC-FR 溫度的升高，合成氣補燃量提高，從而導(dǎo)致制氫效率和CO2捕集效率的下降。

5 總結(jié)

基于生物質(zhì)氣化構(gòu)建了電-熱-氫三聯(lián)供協(xié)同CO2捕集系統(tǒng)，建立系統(tǒng)模型并進行了模擬計算。研究了多種運行參數(shù)對系統(tǒng)發(fā)電效率、供熱效率、制氫效率及CO2捕集效率的影響，結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的電-熱-氫三聯(lián)供調(diào)節(jié)靈活性。

1)生物質(zhì)氣化溫度升高，合成氣有效氣體產(chǎn)率、熱值及冷煤氣效率增加，且系統(tǒng)各效率均隨之增加，但當溫度超過900 ℃以后，上述指標基本不變。

2)燃氣輪機補燃溫度增加，發(fā)電效率和供熱效率大幅增加，而制氫效率和CO2捕集效率隨之降低。

3)對于CLHG 模塊，制氫效率隨Fe3O4循環(huán)流率的增加而增加，發(fā)電效率和供熱效率隨之降低。當CLHG-SR 水蒸氣流率低于100%時，制氫效率隨水蒸氣流率的增加而增加；當其超過100%以后，制氫效率保持不變，而發(fā)電效率和供熱效率下降。提高CLHG-SR 溫度可增加制氫效率和CO2捕集效率，但發(fā)電效率和供熱效率下降；而提高CLHGFR 溫度可引發(fā)發(fā)電效率、供熱效率和制氫效率同步上升，而CO2捕集效率下降。

4)對于CLC 模塊，提高CLC-AR 溫度時，制氫效率和CO2捕集效率增加，而發(fā)電效率和供熱效率下降；提高CLC-FR 溫度時，發(fā)電效率和供熱效率增加，而制氫效率和CO2捕集效率下降。

5)從各變量因素對系統(tǒng)電-熱-氫三聯(lián)供調(diào)節(jié)的敏感性來看，氣化溫度、補燃溫度及CLHG 鐵氧化物循環(huán)流率對電-熱-氫三者均有顯著影響，而CLHG-SR 水蒸氣流率只對制氫效率具有顯著影響。