基于化學回熱的沼氣冷熱電聯供系統

馬鳳蘭，陳志強,2,3，王浩明，丁曉映,2,3，蘇博生,2,3

(1.集美大學海洋裝備與機械工程學院，福建 廈門，361021；2.福建省能源利用與開發重點實驗室，福建 廈門，361021；3.福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術研究中心，福建 廈門 361021)

0 引言

為解決能源供給和環境污染的問題，尋求高效無污染的可再生能源，推進經濟健康可持續發展迫在眉睫。沼氣屬于可再生二次能源，具有原料來源廣、燃燒熱值高、燃燒排放物無污染等特點，隨著沼氣發酵技術的成熟，沼氣生產規模日益擴增，人們對沼氣利用方式的研究也逐步深入。為推進沼氣高效利用，減少能量損耗，充分發揮分布式能源的優點，沼氣單一發電轉化為結合冷、熱的聯供系統，熱電聯供系統(CHP)、冷熱電連供系統(CCHP)應運而生[1]。金彪[2]將污泥沼氣燃燒后優先用于發電，然后將發電機產生的余熱用于沼氣池所需熱量，實現熱電聯產。Bruno等[3]對沼氣燃燒保溫和沼氣熱電聯產的性能進行對比，證明應用沼氣熱電聯產，在同時滿足污水處理廠全年的用電負荷和沼氣池保溫需求下，熱電聯產可將沼氣燃燒放出的熱量先轉化成電能，從而滿足部分廠房用電，發電機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微濕式空氣輪機的新型熱電聯產系統的熱力學模型，仿真結果表明：該系統具有良好的電性能，發電效率為46.6%。眾多研究表明熱電聯產的可行性，但由于受環境溫度的影響，沼氣池厭氧消化保溫所需熱量處于波動狀態，不易于調控。Chen[5]提出一種基于沼氣內燃機驅動的冷熱電三聯產系統。研究指出，將現有的沼氣熱電聯供系統改造為冷熱電聯供系統具有很大的潛力，投資回收期最低為2.56年。Paria Movahed等[6]針對以沼氣為燃料的微型汽輪機冷熱電聯合發電系統進行仿真模擬，對氣池水力停留時間、壓氣機壓比、等熵壓氣機效率、回熱器夾緊時間及溫度、渦輪等熵效率、渦輪輸入溫度和微型渦輪數量等產生進行了優化，證明冷熱電聯產的可行性，為污水處理提供了一個相對簡單和廉價的框架及一些可行性的指導。

本文擬對沼氣化學回熱系統進行研究，并重點研究水碳比對系統性能的影響，從理論上給出系統最大收益時的反應參數區間。

1 系統描述

1.1 參比系統

傳統沼氣CCHP系統如圖1所示。凈化后的沼氣經壓縮機增壓后通入燃燒室，與空氣一起燃燒，燃燒產生的高溫煙氣進入燃氣輪機做功，帶動發電機發電，燃氣輪機的排放氣體先進入單效吸收式制冷器用于制冷，再對沼氣池進行保溫。排放氣體中的余熱得到了充分利用，但沼氣在燃燒過程中化學能損失嚴重，未得到充分利用。

1.2 新系統

基于化學回熱的沼氣冷熱電聯供系統流程圖如圖2所示。新系統引入了重整器，在重整器中沼氣水蒸氣重整生成CO、H2等合成氣。在蒸汽發生器中利用燃氣輪機排放氣體的中溫余熱加熱水，產生水蒸氣；水蒸氣與經壓縮機壓縮后的沼氣混合后進入重整器，發生強吸熱重整反應，反應過程吸收燃氣輪機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，燃燒產生的高溫煙氣送入燃氣輪機做功，帶動發電機發電。燃氣輪機排放氣體途經重整器、回熱器、蒸汽發生器進行梯級余熱回收，經蒸汽發生器后的低溫排放氣體驅動單效吸收式制冷器制冷，最后進入沼氣池提供保溫熱量，以獲得穩定的沼氣產量。該系統除了實現能量梯級利用外，還采用沼氣化學回熱工藝，生成具有較高化學能的混合氣，獲得更多的熱量。本系統制冷系采用中溫單效吸收式制冷系統，熱源驅動單效吸收制冷溫度范圍為180～120℃[8]。根據COP與工作負荷關系擬合公式[9]，本系統單效吸收式制冷器COP設為0.86。

新系統與傳統的沼氣燃燒系統相比具有兩個特點：1)系統中注入了水，使得燃氣輪機排放的氣體中水蒸氣占比增加，煙氣在低溫區段冷凝溫度升高，熱量回收潛力增大；2)沼氣與水蒸氣重整過程能夠將煙氣的物理顯熱轉化為合成氣的化學能，提升了能量的品位，能源利用效率增大。

2 沼氣池熱計算

2.1 數學模型計算

甲烷產量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量；B表示甲烷產率，升每克揮發性固體；S0是流體總揮發性固體濃度；tHRT表示沼原料發酵所需的時間；K為動力學參數；B0是最終甲烷產率；Tr為發酵溫度。該模型經實驗驗證，相對標準偏差為±6.9%[10-11]。

根據一天的沼氣產量Vbio計算沼氣池總容積Vr=Vbio/λ，那么沼氣池原料預熱所需的熱能Qh=ms·Cp·(Tr-Ta)。其中：ms是原料的質量流量，進料溫度近似等于環境溫度；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為發酵溫度；Ta為環境溫度；u為總傳熱系數，取25 W/(m2·K)[14]；A是沼氣池的總表面積，系統中使用的沼氣池為圓柱形，推薦徑高比為60%[15]。

采用上述數學模型，對本系統進行計算，結果如表1所示。表1中輸入參數溫度Ta和沼氣產量Vbio根據實際需求進行人為設定，其他參數按經驗值進行輸入[14]。

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

2.2 環境溫度對沼氣池熱負荷的影響

沼氣池發酵溫度可分常溫發酵(10～26 ℃)、中溫發酵(28～38 ℃)和高溫發酵(46～60 ℃)[16]，本系統沼氣池采用中溫發酵，發酵溫度為35 ℃。由于環境溫度隨季節發生改變，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熱負荷變化關系。其中：7月份月平均氣溫全年最高，散熱損失、沼氣池熱負荷均達到全年最低，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，散熱損失和原料預熱耗熱最大，沼氣池月平均熱負荷最高可達694.2 kW。

3 系統仿真模擬結果及系統性能評價

3.1 系統仿真模擬結果

系統采用Aspen Plus軟件進行模擬。基于吉布斯自由能最小化理論，本文采用RGibbs模塊對沼氣蒸氣重整過程進行模擬，排氣溫度和反應溫度的最小溫差為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%。在模擬過程中忽略管道熱損失及壓降。空氣組成成分氧氣、氮氣含量分別為21%、79%。模擬過程中當水碳比(S/C)為3時，各關鍵點的狀態參數如表2所示。

表2 各關鍵點的狀態參數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。燃氣輪機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%的熱量以化學能形式保存在合成的混合氣中,因此，合成氣在燃燒過程中能夠釋放更多的熱量。燃氣輪機排放的氣體在回熱器中釋放出258.8 kW的熱量，溫度從507.1 ℃降至444.2 ℃，然后釋放出802.1 kW的熱量用于蒸汽發生器內水的蒸發，溫度從444.2 ℃降至242.8 ℃。環境溫度為25 ℃下，排氣溫度為242.8～120 ℃區間，可用于制冷的熱量為469.7 kW。

3.2 系統性能評價

本系統利用沼氣化學回熱，避免了沼氣直接燃燒造成的熱損失，并根據煙氣溫度和冷、熱、電熱源溫度要求，實現了能量梯級利用。根據熱力學第一定律，系統沼氣輸入熱量Qbio=Qc+Qh+Qe+Ql。其中：Qc、Qh、Qe、Ql分別為系統產生的冷負荷、供熱量、發電量和熱損失。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 系統能量平衡和效率參數Tab.3 Parameters of energy balance and exergy efficiency of the system

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

系統System環境溫度Ta/℃發電量Powergenerating/kW制冷量Refrigeratingcapacity/kW沼氣池保溫熱量Heat insulationof biogasdigester/kW沼氣低位熱值Lowcalorific valueof methane/kW熱損Heat waste/kW系統能量利用率System energyutilization/%系統效率System exergyefficiency/%新系統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 水碳比對系統性能的影響

4.1 水碳比對沼氣轉化的影響

在新系統中，重整器里的S/C(水碳比)是一個關鍵參數。低S/C，沼氣轉化率低，容易發生碳沉積、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，但增加了水蒸發的中溫消耗。

較高的S/C使得更多的沼氣轉化成化學能更高的混合氣，提高燃料熱值，因此，可獲得更多的電能。但燃氣輪機用于蒸汽發生器的可用熱量是有限的，可達到的S/C最高為4.8。圖5a所示，S/C從1增加4.8，CH4轉化率增大，CO2轉化率下降，因為S/C增加使得反應物水蒸氣含量增大，從而促進沼氣與水蒸氣重整，抑制沼氣干重整，同時也會促進H2O和CO反應，生產更多的CO2。圖5b所示，S/C提高促進了沼氣轉化，使得更多的煙氣物理顯熱轉化為混合氣的化學能，燃料熱值增大，可以用于發電的熱量增加。S/C為4.8時，燃料熱值可達2 800 kW，發電量為1 038.28 kW。

4.2 水碳比對系統冷、熱、電輸出效率的影響

系統制冷量、發電量與S/C(水碳比)的關系如圖6所示，當環境溫度最小為1.9 ℃時，沼氣池熱負荷為1148.94 kW。隨著S/C增加，蒸汽發生器煙氣出口溫度逐漸減低，當出口溫度小于120 ℃時，煙氣溫度不能驅動制冷器制冷，制冷量為0。當S/C大于3.5時，由于蒸汽發生器的熱負荷增大，煙氣經蒸汽發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，煙氣中水蒸氣含量降低，可回收潛熱下降，煙氣在120～40 ℃區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行，給系統提高足夠的沼氣量，要求制冷量減少，故S/C為0.5～3.5時的制冷量的變化趨勢較小。當環境溫度為37.4 ℃時，環境溫度大于沼氣池發酵溫度，不需向沼氣池供熱，沼氣池熱負荷為0，制冷量達到最大，且隨著S/C增加制冷量降低，因為S/C增大，蒸汽發生器耗熱增加，可用于制冷的熱量減少。當S/C繼續增大時，制冷量下降至0。

5 結論

本文提出一種基于化學回熱的沼氣冷熱電聯供系統，對系統進行數學建模，然后將所提出的新系統與常規系統進行性能對比，并對系統中關鍵參數進行分析，得到如下結論。

1)引入熱化學重整過程后，透平排放氣體可用于沼氣重整反應所需熱量，甲烷轉化率可達到58%。透平前燃料熱值從2 578.32 kW提升到2 804.75 kW，最終使新系統發電量提升了13.37%～55.55%。

2)引入的沼氣重整過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。當新系統煙氣溫度從120 ℃下降到40 ℃時，可用于沼氣池保溫熱量達到了1 486.75 kW。