生物質(zhì)氣化微型燃?xì)廨啓C集成發(fā)電系統(tǒng)模擬

馬雨晨 朱彤*宗超 朱榮俊

同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院

0 引言

近年來，面對日益嚴(yán)重的全球氣候變化問題，可再生能源的開發(fā)利用受到越來越多國家的重視[1]。生物質(zhì)氣化技術(shù)是一種熱化學(xué)處理技術(shù)，可將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w，用做燃料或生產(chǎn)動力[2]。微型燃?xì)廨啓C是一種新近發(fā)展起來的小型熱力發(fā)電設(shè)備，具有清潔高效，高可靠性和低成本等優(yōu)點，被認(rèn)為是當(dāng)前分布式供能系統(tǒng)中最具發(fā)展前景的原動機之一[3]。

Aspen Plus作為大型流程模擬軟件，近年來已在生物質(zhì)燃燒、氣化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外許多學(xué)者使用Aspen Plus軟件分別對生物質(zhì)氣化過程和燃?xì)廨啓C循環(huán)進行了模擬研究[4-6]，但很少有把兩個系統(tǒng)結(jié)合起來進行整體研究。本文基于Aspen Plus中最小Gibbs自由能法建立了生物質(zhì)氣化與微型燃?xì)廨啓C集成發(fā)電系統(tǒng)模型，對氣化發(fā)電過程進行模擬分析。

1 生物質(zhì)氣化與微型燃?xì)廨啓C集成發(fā)電系統(tǒng)模型

本節(jié)將分兩部分對集成發(fā)電系統(tǒng)模型進行介紹：生物質(zhì)氣化部分和微型燃?xì)廨啓C部分，然后將這兩個系統(tǒng)進行整體設(shè)計研究。

1.1 生物質(zhì)氣化模型及氣化條件

1.1.1 氣化模型

基于Aspen Plus流程模擬軟件，運用最小Gibbs自由能法建立了生物質(zhì)氣化模型，主要的反應(yīng)模塊為RGIBBS和RYIELD[7]，其流程圖如圖1所示。

圖1 生物質(zhì)氣化模型流程圖

流程的基本思路是：生物質(zhì)原料進入裂解反應(yīng)器中被裂解為 H2O、H2、N2、O2、C、S 等純物質(zhì)，裂解產(chǎn)物，裂解熱與氣化劑一同進入氣化反應(yīng)器中進行氣化反應(yīng)。氣固分離器將氣化產(chǎn)物分離成固體和氣體，氣體經(jīng)分離器分離出水蒸氣后得到干燥的可燃?xì)怏w。模擬中考慮了氣化的熱量損失，按生物質(zhì)原料低位熱值的2%計算[8]。

1.1.2 物料組成及氣化條件

模擬中采用的生物質(zhì)為稻殼，其工業(yè)分析和元素分析如表1所示[9]。

表1 稻殼的工業(yè)分析和元素分析

模擬條件為：空氣為氣化劑，空氣溫度25℃。模擬中產(chǎn)生的乙炔(C2H2)、乙烷(C2H6)等可燃?xì)怏w很少，可以忽略，因此氣化產(chǎn)物的熱值計算可簡化[10]為：

式中：QLHV為氣化產(chǎn)物的低位熱值，MJ/Nm3；CO、H2和CH4分別表示氣化產(chǎn)物中CO、H2和CH4的體積分?jǐn)?shù)。

1.2 微型燃?xì)廨啓C模型及設(shè)計參數(shù)

基于Aspen Plus平臺對微型燃?xì)廨啓C系統(tǒng)的模擬，主要通過壓氣機模塊（COMPR）和透平模塊（TURB）分別模擬壓氣機和透平，一個反應(yīng)器模塊（RGIBBS）模擬燃燒室以及一個換熱器模塊（HeatX）模擬回?zé)崞鳌?/p>

1.2.1 微型燃?xì)廨啓C模型

微型燃?xì)廨啓C模塊的流程圖如圖2所示，空氣進入壓氣機按預(yù)設(shè)的壓比和等熵效率進行壓縮，增壓升溫后的空氣在回?zé)崞髦斜粊碜酝钙降母邷嘏艢忸A(yù)熱后進入燃燒室內(nèi)與生物質(zhì)燃?xì)膺M行燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)?，從燃燒室排出后進入透平膨脹做功。

圖2 微型燃?xì)廨啓C模擬流程圖

1.2.2 設(shè)計參數(shù)

本文設(shè)計的微型燃?xì)廨啓C是以生物質(zhì)氣為燃料，生物質(zhì)氣熱值低以及氣體成分不同的特點是選擇燃機設(shè)計點參數(shù)時需要考慮的主要因素。由于缺乏壓氣機和透平的特性曲線，在對微型燃?xì)廨啓C進行整機性能設(shè)計時，本文根據(jù)常用的壓氣機和透平的特性選定其設(shè)計參數(shù)[11]，微型燃?xì)廨啓C的主要設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 微型燃?xì)廨啓C的主要設(shè)計參數(shù)

1.3 生物質(zhì)氣化發(fā)電整體建模

本文在Aspen Plus平臺上對整個流程進行模擬，分別建立了如圖3、4所示的生物質(zhì)常壓與加壓氣化微型燃?xì)廨啓C集成發(fā)電模型，其中常壓氣化的凈化系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的常溫濕法凈化系統(tǒng)，使用余熱鍋爐對粗燃?xì)獾娘@熱進行回收利用。由于能量品質(zhì)的降低，其做功能力也大大降低。而加壓氣化的凈化系統(tǒng)采用目前比較先進的高溫干法凈化系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對生物質(zhì)氣的顯熱進行合理利用，提高了整個集成發(fā)電系統(tǒng)的效率，目前采用較多的高溫除塵技術(shù)有離心式除塵技術(shù)，高溫陶瓷除塵技術(shù)和金屬管式除塵技術(shù)等。

圖3 生物質(zhì)常壓氣化微型燃?xì)廨啓C集成發(fā)電系統(tǒng)流程圖

圖4 生物質(zhì)加壓氣化微型燃?xì)廨啓C集成發(fā)電系統(tǒng)流程圖

以上兩種集成發(fā)電系統(tǒng)的流程如下：生物質(zhì)原料經(jīng)氣化爐氣化后產(chǎn)生低熱值的粗燃?xì)猓缓笥蓛艋到y(tǒng)進行凈化，除去粗燃?xì)庵械姆蹓m、焦油等雜質(zhì)后進入微型燃?xì)廨啓C燃燒室內(nèi)進行燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)馔苿油钙阶龉Πl(fā)電。

1.4 模型驗證

采用文獻[9]中流化床氣化爐中稻殼氣化的實驗數(shù)據(jù)對生物質(zhì)氣化模型進行驗證，其氣化原料的成分分析如表1所示。實驗與模擬條件是：常壓，空氣溫度25℃?？諝猱?dāng)量比（ER）0.25。稻殼進料量1400 kg/h，模擬值與實驗值的對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 實驗值與模擬值的比較

從圖中可以看出，模擬值與實驗值相比，兩者CO，CO2和N2的體積分?jǐn)?shù)較為接近，而H2的體積分?jǐn)?shù)明顯偏大，CH4體積分?jǐn)?shù)偏小。因為在模擬中RYIELD反應(yīng)器將生物質(zhì)裂解為C、H2、O2等單質(zhì)，而沒有CH4，在實際的生物質(zhì)裂解揮發(fā)過程中會產(chǎn)生一定量的CH4，因此在模擬過程中會增加H2的含量而降低CH4的含量。另一方面，由于在模擬過程中未考慮CnHm等碳?xì)浠衔?，而實際氣化過程中會產(chǎn)生少量的碳?xì)浠衔?，在模擬中要遵循H元素守恒和化學(xué)平衡，所以H2的含量會高于實驗值。實驗中測得的生物質(zhì)氣化產(chǎn)物的熱值為6.18 MJ/Nm3，模擬得到的熱值為5.83 MJ/Nm3，誤差5.66%。綜上可知，模擬結(jié)果能較好地反映氣化產(chǎn)物的成分分布，說明基于Aspen Plus平臺的生物質(zhì)氣化模型可行。

采用文獻[12]中T100型微型燃?xì)廨啓C輸出功率為80kW時的實驗數(shù)據(jù)對微型燃?xì)廨啓C模型進行驗證，實驗數(shù)據(jù)，模型邊界條件與Aspen中微型燃?xì)廨啓C模型的模擬結(jié)果如表3所示。

在模擬中，假設(shè)燃燒室是絕熱的，從表中結(jié)果可以看出，在初始邊界條件相同的情況下，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。實驗中得到的透平出口溫度為645℃，模擬得到的值為651℃，誤差0.93%，而最終的凈輸出功也只相差2 kW。因此，基于Aspen Plus平臺的微型燃?xì)廨啓C模型是可行的。

表3 T100微型燃?xì)廨啓C實驗與模擬結(jié)果的對比

2 模擬結(jié)果與討論

生物質(zhì)氣化與微型燃?xì)廨啓C集成發(fā)電系統(tǒng)是由多種設(shè)備和技術(shù)集成的一個復(fù)雜能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)的性能將影響到整個系統(tǒng)。本節(jié)對前文建立的生物質(zhì)氣化與微型燃?xì)廨啓C集成發(fā)電系統(tǒng)進行了整體模擬與分析，研究了生物質(zhì)氣化參數(shù)和氣化方式對整個集成發(fā)電系統(tǒng)性能的影響。

2.1 生物質(zhì)氣化參數(shù)對集成發(fā)電系統(tǒng)的影響

在生物質(zhì)氣化過程中，氣化溫度和空氣當(dāng)量比（ER）是影響氣化過程的兩個重要參數(shù)，其對氣化產(chǎn)物的成分和熱值有顯著影響，進而對微型燃?xì)廨啓C系統(tǒng)運行特性產(chǎn)生影響。

生物質(zhì)進入氣化爐內(nèi)后，經(jīng)過預(yù)熱，熱解，燃燒和氣化過程，其中燃燒為整個氣化過程提供了熱量來源，在無外部加熱設(shè)備的自供熱系統(tǒng)中，氣化溫度與空氣當(dāng)量比是相互影響的兩個因素，氣化溫度的升高通常是通過增加進入氣化爐的空氣量即提高空氣當(dāng)量比來實現(xiàn)的。因此，本節(jié)使用1.3節(jié)中生物質(zhì)常壓氣化微型燃?xì)廨啓C集成發(fā)電系統(tǒng)模擬研究了氣化溫度和空氣當(dāng)量比（ER）同時變化時對集成發(fā)電系統(tǒng)性能的影響，模擬中稻殼的進料量為110 kg/h。

與常規(guī)的天然氣燃料相比，生物質(zhì)氣燃料的流量是其5～6倍，因此對于常壓氣化系統(tǒng)，生物質(zhì)氣燃料的壓縮功是不可忽略的一部分，定義系統(tǒng)凈效率下：

式中：Wnet為系統(tǒng)凈輸出功，WGT為燃?xì)廨啓C的輸出功，WFC為常壓氣化系統(tǒng)中生物質(zhì)氣燃料的壓縮功，單位為kW；qf為生物質(zhì)氣的燃料流量，單位為kg/s；Q為生物質(zhì)氣的熱值，單位為kJ/kg。

2.1.1 氣化溫度與空氣當(dāng)量比共同變化時對集成發(fā)電系統(tǒng)的影響

當(dāng)氣化溫度與氣化壓力同時變化時，空氣當(dāng)量比對集成發(fā)電系統(tǒng)的燃料流量與效率的影響如圖6所示，氣化溫度，產(chǎn)氣成分和熱值隨當(dāng)量比變化曲線如圖7所示。由兩圖可知，空氣當(dāng)量比越高，其氣化產(chǎn)物的熱值越低，需要的燃料流量越大，而燃?xì)廨啓C效率則略有降低。這是由于進入燃燒室的生物質(zhì)氣燃料是未經(jīng)預(yù)熱的，其溫度低于進入燃燒室的壓縮空氣的溫度，熱值越低的生物質(zhì)氣燃料流量越大，所含的惰性氣體越多，燃燒室出口溫度越低，因而其燃?xì)廨啓C效率較低。

圖6 空氣當(dāng)量比對燃料流量與效率的影響

圖7 當(dāng)量比對氣化溫度和氣化產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)的影響

對比圖6中燃?xì)廨啓C效率和凈效率變化曲線可知，空氣當(dāng)量比的變化對燃?xì)廨啓C效率的影響較小，而對系統(tǒng)凈效率的影響較大。一方面，當(dāng)空氣當(dāng)量比從0.4降低到0.2時，燃?xì)廨啓C效率僅提高了0.5%，而系統(tǒng)凈效率則從21.9%提高到了25.5%。另一方面，隨著空氣當(dāng)量比的增加，燃料熱值不斷降低，由燃料壓縮功帶來的系統(tǒng)凈效率的下降會不斷增加，當(dāng)量比為0.4時最多可達6.5%。

2.1.2 氣化溫度與空氣當(dāng)量比的關(guān)系

由圖7可知，隨著空氣當(dāng)量比的增加，氣化溫度不斷升高。因為空氣當(dāng)量比越高，稻殼在氣化爐內(nèi)的反應(yīng)越接近完全燃燒，釋放熱量越多，有利于氣化反應(yīng)的進行。隨著空氣當(dāng)量比的增加，可燃?xì)庵蠬2、CO的體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，CH4的體積分?jǐn)?shù)不斷減小，而CO2則是先減小后增大的趨勢。因為隨著氣化溫度的升高，焦油中的多碳鏈結(jié)構(gòu)在高溫下被熱解，增加了產(chǎn)氣中可燃?xì)獬煞值捏w積分?jǐn)?shù)。空氣當(dāng)量比的增加也使大量的惰性氣體N2進入氣化爐內(nèi)稀釋了可燃?xì)獾臐舛?。因此，空氣?dāng)量比的增加對氣化反應(yīng)既有利又有弊。由圖7可以看出，空氣當(dāng)量比在0.25～0.3之間比較合理。

隨著空氣當(dāng)量比的增加，CO和H2的體積分?jǐn)?shù)都有所增加，由于CH4的體積分?jǐn)?shù)減少更快，并且N2含量的增加稀釋了可燃?xì)獾臒嶂担瑢?dǎo)致生物質(zhì)氣的熱值反而下降。

由圖8可知，干氣體產(chǎn)率隨著空氣當(dāng)量比的升高而升高，因為當(dāng)生物質(zhì)量一定時，空氣當(dāng)量比的增加使氣化反應(yīng)更加充分，產(chǎn)氣也就越多。此外，空氣量的增加本身也增加了氣體量。氣化效率隨著空氣當(dāng)量比的升高而降低，雖然干氣體產(chǎn)率有所增加，但是氣體熱值下降較快，從而導(dǎo)致了氣化效率的降低。

圖8 當(dāng)量比對氣化效率和氣體產(chǎn)率的影響

2.2 氣化壓力對集成發(fā)電系統(tǒng)的影響

氣化壓力對氣化過程也有著較大的影響，根據(jù)氣化壓力可將氣化分為常壓氣化和加壓氣化。本節(jié)通過對1.3節(jié)中的兩種集成發(fā)電系統(tǒng)進行整體模擬研究，探討了生物質(zhì)氣化方式與凈化方式對整個集成發(fā)電系統(tǒng)效率的影響。

常壓氣化的集成發(fā)電系統(tǒng)中氣化模塊產(chǎn)生的是常壓生物質(zhì)氣，需要在進入燃燒室之前對其進行加壓，由此會帶來額外的壓縮功耗。而對于加壓氣化來說，在進行氣化之前需要對氣化原料和氣化劑進行加壓，也會產(chǎn)生額外的功耗（主要是氣化劑的功耗）。

兩種集成發(fā)電系統(tǒng)的凈輸出功和凈效率可分別由式（3）、（4）、（5）、（6）進行計算：

式中：WAp-net、WHp-net分別為常壓氣化系統(tǒng)和加壓氣化系統(tǒng)的凈輸出功；ηAp-net、ηHp-net分別為常壓氣化系統(tǒng)和加壓氣化系統(tǒng)的凈效率；WBC為加壓氣化系統(tǒng)中氣化原料和氣化劑的壓縮功。

當(dāng)空氣當(dāng)量比為0.3時，氣化壓力對各主要氣體體積分?jǐn)?shù)和熱值的影響如圖9所示。由圖9可知，隨著氣化壓力的升高，CO和CO2的體積分?jǐn)?shù)變化不大。N2的體積分?jǐn)?shù)由0.1 MPa時的45.6%升高到0.4 MPa的47.2%，因為在空氣當(dāng)量比不變的情況下，N2的量也不變，而干氣體產(chǎn)率有所減少，所以N2的體積分?jǐn)?shù)相對增加。H2的體積分?jǐn)?shù)從0.1 MPa到0.4 MPa下降了17%，而CH4的體積分?jǐn)?shù)從0.1 MPa時的2.9%升高到0.4 MPa的4.1%，因為壓力的升高有利于甲烷化反應(yīng)（C+2H2→CH4）向著正方向進行，從而能夠提高氣體的熱值。

圖9 氣化壓力對氣化產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)和熱值的影響

在微型燃?xì)廨啓C輸出功為100 kW的設(shè)計工況下，對常壓氣化和加壓氣化所產(chǎn)生的不同熱值生物質(zhì)氣的集成發(fā)電系統(tǒng)進行了設(shè)計計算，下面將就壓比、回?zé)岫取乇葘砂l(fā)電系統(tǒng)凈效率的影響進行分析。

圖10 壓比對集成發(fā)電系統(tǒng)凈效率的影響

壓比是微型燃?xì)廨啓C系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，在回?zé)岫葹?.9，透平入口溫度為900℃時，壓比對集成發(fā)電系統(tǒng)凈效率的影響如圖10所示。無論是常壓氣化還是加壓氣化系統(tǒng)，系統(tǒng)凈效率都是先增大后減小，因為壓比增大的同時也增加了微型燃?xì)廨啓C的出力，同時壓氣機的耗功也隨之增大，所以存在一個使系統(tǒng)凈效率達到最大的壓比值。由凈效率增長百分比曲線可知，壓比越大，加壓氣化相比于常壓氣化系統(tǒng)凈效率增長越大，加壓氣化效果越好。

溫比為T4與T1的比值，因為大氣常溫T1為298.15 K，故溫比為T4的單值函數(shù)，溫比對集成發(fā)電系統(tǒng)凈效率的影響如圖11所示。從圖中可以看出，隨著溫比的增加，兩種集成發(fā)電系統(tǒng)的凈效率也隨之增大，但凈效率增長百分比卻逐漸降低。因此，提高溫比可以很好地提高整個集成發(fā)電系統(tǒng)的效率。但是溫比的提高受透平材料的限制，目前微型燃?xì)廨啓C回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)透平進口溫度一般在850～1000℃。

圖11 溫比對集成發(fā)電系統(tǒng)凈效率的影響

由圖10、11中常壓氣化和加壓氣化凈效率曲線可知，采用高溫干式凈化技術(shù)的加壓氣化集成發(fā)電系統(tǒng)的凈效率更高。主要是由于加壓氣化增強了氣化過程中的裂解反應(yīng)，從而降低了氣化產(chǎn)物中焦油和焦炭的量，減少了系統(tǒng)除塵功耗。而高溫干法凈化可以有效地利用生物質(zhì)氣的顯熱，減少了生物質(zhì)氣中水分的含量，使燃機效率和燃燒穩(wěn)定性得到了提高，因此采用高溫干式凈化技術(shù)的加壓氣化系統(tǒng)的凈效率更高。此外，加壓氣化的氣化效率更高，能夠減小氣化設(shè)備的尺寸，提高系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。因此，采用高溫干式凈化技術(shù)的加壓氣化集成發(fā)電系統(tǒng)是一種效率更高的發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)展生物質(zhì)氣化微型燃?xì)廨啓C集成發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是開發(fā)高效率的加壓流化床氣化爐與高溫干式凈化技術(shù)。

3 結(jié)論

本文通過使用Aspen Plus流程模擬軟件，對生物質(zhì)氣化與微型燃?xì)廨啓C集成發(fā)電系統(tǒng)進行了模擬研究。主要研究了氣化參數(shù)，氣化方式與凈化方式對集成發(fā)電系統(tǒng)性能的影響，模擬分析了生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)的性能，主要結(jié)論如下：

1）將模擬值與文獻中的實驗值進行對比驗證，結(jié)果表明本文所建立的集成發(fā)電系統(tǒng)模型是可行的。

2）在常壓氣化集成發(fā)電系統(tǒng)中，氣化溫度和空氣當(dāng)量比主要通過影響氣化產(chǎn)物的熱值從而對整個集成發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生影響，空氣當(dāng)量比越高，氣化溫度越低，產(chǎn)生的生物質(zhì)氣的熱值越低，所需的燃料流量就越大，而燃?xì)廨啓C效率則越低，當(dāng)量比從0.2增大到0.4時，氣體熱值降低了43%，系統(tǒng)凈效率降低了3.5%。

3）采用高溫干式凈化技術(shù)的加壓氣化集成發(fā)電系統(tǒng)的凈效率比常壓氣化系統(tǒng)高10%以上。

4）在加壓氣化集成發(fā)電系統(tǒng)中，壓比越大，加壓氣化相比于常壓氣化系統(tǒng)凈效率增長越大，加壓氣化效果越好，當(dāng)壓比取4.5時，凈效率增長最多能達到14%以上，而溫比與加壓氣化效果呈負(fù)相關(guān)，因此在選擇微型燃?xì)廨啓C設(shè)計參數(shù)時應(yīng)該綜合考慮這幾個參數(shù)的影響。