基于化学回热的沼气冷热电联供系统

马凤兰，陈志强,2,3，王浩明，丁晓映,2,3，苏博生,2,3

(1.集美大学海洋装备与机械工程学院，福建 厦门，361021；2.福建省能源利用与开发重点实验室，福建 厦门，361021；3.福建省清洁燃烧与能源高效利用工程技术研究中心，福建 厦门 361021)

0 引言

为解决能源供给和环境污染的问题，寻求高效无污染的可再生能源，推进经济健康可持续发展迫在眉睫。沼气属于可再生二次能源，具有原料来源广、燃烧热值高、燃烧排放物无污染等特点，随着沼气发酵技术的成熟，沼气生产规模日益扩增，人们对沼气利用方式的研究也逐步深入。为推进沼气高效利用，减少能量损耗，充分发挥分布式能源的优点，沼气单一发电转化为结合冷、热的联供系统，热电联供系统(CHP)、冷热电连供系统(CCHP)应运而生[1]。金彪[2]将污泥沼气燃烧后优先用于发电，然后将发电机产生的余热用于沼气池所需热量，实现热电联产。Bruno等[3]对沼气燃烧保温和沼气热电联产的性能进行对比，证明应用沼气热电联产，在同时满足污水处理厂全年的用电负荷和沼气池保温需求下，热电联产可将沼气燃烧放出的热量先转化成电能，从而满足部分厂房用电，发电机排烟余热满足保温需求。MosayebNezhad等[4]提出并讨论了基于某污水处理厂500 kW微湿式空气轮机的新型热电联产系统的热力学模型，仿真结果表明：该系统具有良好的电性能，发电效率为46.6%。众多研究表明热电联产的可行性，但由于受环境温度的影响，沼气池厌氧消化保温所需热量处于波动状态，不易于调控。Chen[5]提出一种基于沼气内燃机驱动的冷热电三联产系统。研究指出，将现有的沼气热电联供系统改造为冷热电联供系统具有很大的潜力，投资回收期最低为2.56年。Paria Movahed等[6]针对以沼气为燃料的微型汽轮机冷热电联合发电系统进行仿真模拟，对气池水力停留时间、压气机压比、等熵压气机效率、回热器夹紧时间及温度、涡轮等熵效率、涡轮输入温度和微型涡轮数量等产生进行了优化，证明冷热电联产的可行性，为污水处理提供了一个相对简单和廉价的框架及一些可行性的指导。

本文拟对沼气化学回热系统进行研究，并重点研究水碳比对系统性能的影响，从理论上给出系统最大收益时的反应参数区间。

1 系统描述

1.1 参比系统

传统沼气CCHP系统如图1所示。净化后的沼气经压缩机增压后通入燃烧室，与空气一起燃烧，燃烧产生的高温烟气进入燃气轮机做功，带动发电机发电，燃气轮机的排放气体先进入单效吸收式制冷器用于制冷，再对沼气池进行保温。排放气体中的余热得到了充分利用，但沼气在燃烧过程中化学能损失严重，未得到充分利用。

1.2 新系统

基于化学回热的沼气冷热电联供系统流程图如图2所示。新系统引入了重整器，在重整器中沼气水蒸气重整生成CO、H2等合成气。在蒸汽发生器中利用燃气轮机排放气体的中温余热加热水，产生水蒸气；水蒸气与经压缩机压缩后的沼气混合后进入重整器，发生强吸热重整反应，反应过程吸收燃气轮机排放气体的高温余热，生成含CO、H2和水蒸气等混合气体，最后再将混合气注入燃烧室燃烧，燃烧产生的高温烟气送入燃气轮机做功，带动发电机发电。燃气轮机排放气体途经重整器、回热器、蒸汽发生器进行梯级余热回收，经蒸汽发生器后的低温排放气体驱动单效吸收式制冷器制冷，最后进入沼气池提供保温热量，以获得稳定的沼气产量。该系统除了实现能量梯级利用外，还采用沼气化学回热工艺，生成具有较高化学能的混合气，获得更多的热量。本系统制冷系采用中温单效吸收式制冷系统，热源驱动单效吸收制冷温度范围为180～120℃[8]。根据COP与工作负荷关系拟合公式[9]，本系统单效吸收式制冷器COP设为0.86。

新系统与传统的沼气燃烧系统相比具有两个特点：1)系统中注入了水，使得燃气轮机排放的气体中水蒸气占比增加，烟气在低温区段冷凝温度升高，热量回收潜力增大；2)沼气与水蒸气重整过程能够将烟气的物理显热转化为合成气的化学能，提升了能量的品位，能源利用效率增大。

2 沼气池热计算

2.1 数学模型计算

甲烷产量λ=B·S0/tHRT，B=B0(1-K/(μmtHRT-1+K)),μm=0.0123Tr-0.129。其中：λ是每天每立方米沼气池的甲烷产量；B表示甲烷产率，升每克挥发性固体；S0是流体总挥发性固体浓度；tHRT表示沼原料发酵所需的时间；K为动力学参数；B0是最终甲烷产率；Tr为发酵温度。该模型经实验验证，相对标准偏差为±6.9%[10-11]。

根据一天的沼气产量Vbio计算沼气池总容积Vr=Vbio/λ，那么沼气池原料预热所需的热能Qh=ms·Cp·(Tr-Ta)。其中：ms是原料的质量流量，进料温度近似等于环境温度；Cp是粪便比热容；由于稀粪肥中固体含量低(低于20%，取水的密度和比热容等于水的比热容)[12]。

不考虑反应器的位置和遮光条件，沼气池散热Qloss=u·A·(Tr-Ta)[13]。其中：Tr为发酵温度；Ta为环境温度；u为总传热系数，取25 W/(m2·K)[14]；A是沼气池的总表面积，系统中使用的沼气池为圆柱形，推荐径高比为60%[15]。

采用上述数学模型，对本系统进行计算，结果如表1所示。表1中输入参数温度Ta和沼气产量Vbio根据实际需求进行人为设定，其他参数按经验值进行输入[14]。

表1 沼气池输入输出状态参数Tab.1 Input and output state parameters of biogas digester

2.2 环境温度对沼气池热负荷的影响

沼气池发酵温度可分常温发酵(10～26 ℃)、中温发酵(28～38 ℃)和高温发酵(46～60 ℃)[16]，本系统沼气池采用中温发酵，发酵温度为35 ℃。由于环境温度随季节发生改变，不同月份沼气池散热损失不同，平均气温越低，散热损失越大，所需供给热量越大。

图3为厦门市2018年和2019年月平均温度和沼气池热负荷变化关系。其中：7月份月平均气温全年最高，散热损失、沼气池热负荷均达到全年最低，分别为39.1 kW、182.2 kW；1月份则相反，由于1月份平均温度全年最低，散热损失和原料预热耗热最大，沼气池月平均热负荷最高可达694.2 kW。

3 系统仿真模拟结果及系统性能评价

3.1 系统仿真模拟结果

系统采用Aspen Plus软件进行模拟。基于吉布斯自由能最小化理论，本文采用RGibbs模块对沼气蒸气重整过程进行模拟，排气温度和反应温度的最小温差为20 ℃。通常沼气中甲烷含量为55%-70%，本文模拟中沼气成分CO2和CH4含量分别为40%、60%。在模拟过程中忽略管道热损失及压降。空气组成成分氧气、氮气含量分别为21%、79%。模拟过程中当水碳比(S/C)为3时，各关键点的状态参数如表2所示。

表2 各关键点的状态参数Tab.2 State parameters of key points about ASPEN model

模拟后各模块热量分布如图4所示。燃气轮机排放的气体在重整器中释放出333.8 kW的热量，温度从586.7 ℃降至507.1 ℃，其中69%的热量以化学能形式保存在合成的混合气中,因此，合成气在燃烧过程中能够释放更多的热量。燃气轮机排放的气体在回热器中释放出258.8 kW的热量，温度从507.1 ℃降至444.2 ℃，然后释放出802.1 kW的热量用于蒸汽发生器内水的蒸发，温度从444.2 ℃降至242.8 ℃。环境温度为25 ℃下，排气温度为242.8～120 ℃区间，可用于制冷的热量为469.7 kW。

3.2 系统性能评价

本系统利用沼气化学回热，避免了沼气直接燃烧造成的热损失，并根据烟气温度和冷、热、电热源温度要求，实现了能量梯级利用。根据热力学第一定律，系统沼气输入热量Qbio=Qc+Qh+Qe+Ql。其中：Qc、Qh、Qe、Ql分别为系统产生的冷负荷、供热量、发电量和热损失。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

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表3 系统能量平衡和效率参数Tab.3 Parameters of energy balance and exergy efficiency of the system

表3 系统能量平衡和效率参数Tab.3 Parameters of energy balance and exergy efficiency of the system

系统System环境温度Ta/℃发电量Powergenerating/kW制冷量Refrigeratingcapacity/kW沼气池保温热量Heat insulationof biogasdigester/kW沼气低位热值Lowcalorific valueof methane/kW热损Heat waste/kW系统能量利用率System energyutilization/%系统效率System exergyefficiency/%新系统New system最低值Minimum1.9923.8299.11148.92476104.295.842.2最高值Maximum37.4923.8405.4024761146.853.739.2参比系统Referencesystem最低值Minimum1.9667.5468.61148.9247619192.331.7最高值Maximum37.4667.51138.902476669.673.032.3

4 水碳比对系统性能的影响

4.1 水碳比对沼气转化的影响

在新系统中，重整器里的S/C(水碳比)是一个关键参数。低S/C，沼气转化率低，容易发生碳沉积、烟气中水分含量少，不利于低温潜热回收。较高的S/C有利于沼气转化，减轻了碳沉积，可以回收更多低温潜热，用于沼气池保温，但增加了水蒸发的中温消耗。

较高的S/C使得更多的沼气转化成化学能更高的混合气，提高燃料热值，因此，可获得更多的电能。但燃气轮机用于蒸汽发生器的可用热量是有限的，可达到的S/C最高为4.8。图5a所示，S/C从1增加4.8，CH4转化率增大，CO2转化率下降，因为S/C增加使得反应物水蒸气含量增大，从而促进沼气与水蒸气重整，抑制沼气干重整，同时也会促进H2O和CO反应，生产更多的CO2。图5b所示，S/C提高促进了沼气转化，使得更多的烟气物理显热转化为混合气的化学能，燃料热值增大，可以用于发电的热量增加。S/C为4.8时，燃料热值可达2 800 kW，发电量为1 038.28 kW。

4.2 水碳比对系统冷、热、电输出效率的影响

系统制冷量、发电量与S/C(水碳比)的关系如图6所示，当环境温度最小为1.9 ℃时，沼气池热负荷为1148.94 kW。随着S/C增加，蒸汽发生器烟气出口温度逐渐减低，当出口温度小于120 ℃时，烟气温度不能驱动制冷器制冷，制冷量为0。当S/C大于3.5时，由于蒸汽发生器的热负荷增大，烟气经蒸汽发生器排出后虽然温度降低，但烟气中水蒸气含量增加，回收潜热能够满足沼气池保温需求。S/C小于3.5时，烟气中水蒸气含量降低，可回收潜热下降，烟气在120～40 ℃区段的热量不能满足沼气池保温需求，为满足沼气池正常的运行，给系统提高足够的沼气量，要求制冷量减少，故S/C为0.5～3.5时的制冷量的变化趋势较小。当环境温度为37.4 ℃时，环境温度大于沼气池发酵温度，不需向沼气池供热，沼气池热负荷为0，制冷量达到最大，且随着S/C增加制冷量降低，因为S/C增大，蒸汽发生器耗热增加，可用于制冷的热量减少。当S/C继续增大时，制冷量下降至0。

5 结论

本文提出一种基于化学回热的沼气冷热电联供系统，对系统进行数学建模，然后将所提出的新系统与常规系统进行性能对比，并对系统中关键参数进行分析，得到如下结论。

1)引入热化学重整过程后，透平排放气体可用于沼气重整反应所需热量，甲烷转化率可达到58%。透平前燃料热值从2 578.32 kW提升到2 804.75 kW，最终使新系统发电量提升了13.37%～55.55%。

2)引入的沼气重整过程使得透平排放气体含湿量大幅增加，烟气潜热在低温段得以大量回收。当新系统烟气温度从120 ℃下降到40 ℃时，可用于沼气池保温热量达到了1 486.75 kW。