基于双联流化床固体废弃物共气化的固体氧化物燃料电池分布式冷热电三联供系统研究

陈程，肖军，吴斌，郑漪琳，陈时熠，孙衍谦

(1.中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，南京 211102；2.东南大学能源与环境学院，南京 210096；3.中国能源建设集团规划设计有限公司，北京 100120)

随着城镇经济的飞速发展，能源与环境问题日益突出。一方面，大量的能源需求导致化石能源短缺，化石能源的使用也带来了一系列环境问题[1]；另一方面，生产生活过程中产生大量的生活垃圾和污泥等固废，“垃圾围城”现象日益凸显[2]。

我国是农业大国，在小城镇周边地区有丰富的生物质资源[3]。生物质具有低硫、低氮和可再生等优势[4]，可以作为化石燃料的替代能源，能够解决化石能源带来的问题，而气化是一种极具前景的生物质转化利用方法[5]。在固体废弃物处理方面，气化也是重要的研究方向，可以实现固体废弃物的清洁转化利用。固体燃料的气化炉主要形式有固定床和流化床，流化床气化炉以其高气化效率、强原料适应性、少污染物排放和可分布式布置等特点而受到学者的广泛关注[6]。生物质双流化床气化技术能够在常压空气气化条件下获得高品质可燃气体，降低建设和运行成本。在该技术中，生物质在气化反应器中实现挥发分热解、析出、固定碳气化和半焦燃烧的解耦，半焦进入燃烧反应器燃烧释放大量热量，提供气化反应器中挥发分热解析出和固定碳气化所需的热量，这些热量可以通过在两个反应器中循环流动的固体热载体实现传递，并避免燃气和烟气掺混[7]。因此，将生物质、垃圾和污泥等典型城镇和农村废弃物进行双流化床共气化可以有效缓解城镇以及周边农村地区遇到的农林和生活垃圾废弃物处理问题，同时也是一种废弃物资源化利用的有效方式。

分布式的能源处理方式有利于减少输运成本，缓解交通运输压力并且效率高，因此基于能量梯级利用原理的冷热电联供(Combined Cooling Heating and Power，CCHP)系统获得广泛的关注[8-10]。林俊光等[8]对一种生物质燃料气化联产系统进行了研究，包括气化炉装置、内燃机和溴化锂制冷机组，能耗性、环保性和经济性都有明显提高。固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种发电装置，它突破了卡诺循环的限制，相比热机，可以获得更高的能量利用效率[11]，被广泛应用于CCHP系统。肖彪等[12]建立了SOFC冷热电联供系统，研究了溴化锂吸收式制冷循环运行参数对基于燃料电池的冷热电联供系统性能的影响，整体热效率可达88.8%，能量利用率得到大幅提升。王世学等[13]针对SOFC尾气具有大量高温显热的特点，提出了一种以温差发电器为中间循环回收SOFC尾气余热的冷热电三联供系统，该系统包括内部重整SOFC、后燃室、温差发电器和溴化锂吸收式冷热水机组，实现了余热梯次利用，极大地提高了CCHP系统能源利用效率。这些研究结果都表明冷热电联供的分布式能源系统具有明显的效率优势，但这些系统的燃料处理单元都较为简单。

本文以我国南方典型城镇和周边农村为研究区域范围，提出双流化床生物质、生活垃圾、污泥固废共气化协同固体氧化物燃料电池冷热电三联供系统，基于Aspen Plus软件平台建立了系统模型，验证了系统的可行性，并研究了气化参数和SOFC工作参数对系统效率等性能指标的影响规律，对于城镇及农村分布式能源协同生物质以及固废处理具有一定的参考意义和价值。

1 双流化床气化耦合固体氧化物燃料电池冷热电联供系统

生物质、垃圾和污泥共气化双流化床气化耦合固体氧化物燃料电池冷热电三联供系统如图1所示，它由双床气化单元、燃料电池单元、制冷和供热单元组成。

图1 生物质、垃圾和污泥燃料双流化床共气化固体燃料电池冷热电三联供系统

双床气化单元中，生物质、垃圾和污泥在气化反应器中经过气化转变成可以被燃料电池利用的高温合成气，高温合成气经过冷却、除尘和脱硫等处理过程后进入燃料电池单元发电；残炭进入燃烧反应器与空气中的氧气燃烧，惰性灰分携带热量重新进入气化反应器，产生的烟气在蒸汽发生器中释放部分热量后进入烟气混合器。燃料电池单元中，合成气经过压缩机和预热器进入燃料电池阳极，空气经过压缩机和预热器进入燃料电池阴极，在电化学反应后未完全转化的合成气与空气进入后燃烧室进行完全燃烧放热，高温燃气进入燃气透平后充分放热进入烟气混合器。来自双床气化单元和燃料电池发电单元的烟气在混合后进入余热锅炉，加热循环水，最后排出系统。制冷单元由发生器、溶液换热器、吸收器、蒸发器和冷凝器等部件组成，吸收烟气余热的循环水作为热源，驱动溴化锂机组来制取冷量。供热单元由循环水泵、散热片和换热器组成，也由吸收烟气余热的循环水驱动。

2 模型建立

本模拟使用我国南方典型城镇和周边农村产生的农林生物质、生活垃圾和污泥作为燃料，生物质、垃圾及污泥燃料的性质和组成见表1，各模块使用的基本参数见表2。在进行物性参数选择上，选取了Boston-Mathias修正的Peng-Robinson方程，即PR-BM方程。

表1 生物质、垃圾及污泥的性质和组成

表2 各模块使用的基本参数

2.1 主要假设

(1)系统内的流体处于稳定流动状态，化学反应处于热力学平衡状态；

(2)原料中H、O、N和S完全反应，C在气化反应器中部分气化，其余部分在燃烧反应器中燃烧，灰分为惰性组分不参与反应；

(3)只有H2、CO和CH4进入燃料电池单元，尾气在后燃室中完全燃烧；

(4)制冷单元中，蒸发器和发生器出口蒸汽处于饱和状态，吸收器压力等于蒸发器压力，发生器压力等于冷凝器压力；

(5)系统设备到环境的热损失可以忽略不计；

(6)除了供热单元中热水，其它流体在系统中的流动阻力和压降损失忽略不计；

(7)系统部件为零维模型，内部热力学参数分布是均匀的。

2.2 双联流化床气化模型

固体燃料气化是一个比较复杂的化学反应过程，因此对该过程采用了RYield模块和RGibbs模块进行了模拟。首先RYield模块将固体燃料除灰分外的所有元素转化为基本单质，具体过程可由式(1)描述。其次这些基本单质进入RGibbs模块，该模块基于吉布斯自由能最小原理，当吉布斯自由能最小时，认为气化气的组成处于平衡状态。

气化过程中，空气和水蒸气是反应物，必须考虑空气当量比ER和蒸汽生物质比S/B。空气当量比是气化炉内实际供给的空气量与物料理论上达到完全燃烧所需要的空气量之比，表达式如式(2)所示。式(2)中，AR是实际通入的空气量与燃料量之比，称为空燃比；SR是物料理论上达到完全燃烧所需要的空气量与燃料量之比，被称为化学当量比。化学当量比SR的计算公式如式(3)所示。

CHxOyNzSw→C+x/2H2+y/2O2+z/2N2+wS

(1)

ER=AR/SR

(2)

(3)

2.3 SOFC模型

燃料电池中发生的反应如式(4)～(7)所示，采用RStioc模块对燃料电池和后燃烧模块进行了模拟。

阳极反应：

H2+O2-→H2O+2e-

(4)

CO+O2-→CO2+2e-

(5)

CH4+4O2-→2H2O+CO2+8e-

(6)

阴极反应：

O2+4e-→2O2-

(7)

燃料利用率Ut代表燃料电池内部燃料转化的程度，定义为：

Ut=ni,reacted/ni,input

(8)

式(8)中，ni,input是进入电池的燃料量，ni,reacted是电池中反应的燃料量，i代表H2、CO和CH4。SOFC的反应温度通常在700～900 ℃范围内，电池电压通常是多种电池参数的函数，例如温度、压力、气体成分和电流密度。但在本研究中，简化了一些参数的影响，假设电池电压在实际范围内，而不考虑由于极化引起的电池压降。所以电池电压可以假定为电池温度和压力的函数。

VSOFC=Vref+ΔV=Vref+(RT/4F)ln(P/Pref)

(9)

式(9)中，VSOFC为燃料电池电压；R为通用气体常数，8.31 J/(mol·K)；T为燃料电池温度；F为法拉第常数，96 486 C/mol；P为燃料电池的工作压力；Pref为参考电池工作压力，0.35 MPa；Vref为参考电池电压，0.7 V。

SOFC直流(DC)功率WSOFC,DC计算如下：

WSOFC,DC=VSOFCI

(10)

I为工作电流，假设与反应的燃料得失电子数相关。直流电必须转换为交流电(AC)才能传输，DC-AC转换效率ηconvert假设为95%：

WSOFC,AC=WSOFC,ACηconvert

(11)

2.4 溴化锂制冷模型

本文采用单效溴化锂吸收式制冷循环，该循环是最基本的吸收式制冷形式，其以溴化锂为吸收剂、水为制冷剂，对热源温度要求不高[12]，本模拟中主要是通过换热器模块实现。衡量冷循环主要的经济指标为循环热力系数(COP)，为在蒸发器中产生的冷量Qeva与发生器发生需要的热量Qgen的比值，其表达式为：

COP=Qeva/Qgen

(12)

2.5 换热器模型

换热器中的能量平衡式为：

ΔHcold=ηheaterΔHhot

(13)

式(13)中，ΔHcold和ΔHhot分别为冷端和热端的焓值变化；ηheater为换热器换热效率。焓值变化是进入流股流量m和比焓值h变化的乘积，具体公式为：

ΔH=m|hin-hout|

(14)

2.6 系统性能指标

系统的能量效率是评价系统优劣的关键，本模拟计算了热电综合效率η，具体的计算方式为：

η=(Wnet+Qi)/(mbioQLHV,bio+mwasteQLHV,waste+mmudQLHV,mud)

(15)

式(15)中，Wnet为系统的净发电量，计算方法如式(16)所示，WGT为燃气透平发电量，WAUX为系统中泵、压气机等辅助设备的耗电量；Qi为冬季供热单元的散热量或夏季制冷单元的制冷量；mbio、mwaste和mmud分别为生物质、垃圾和污泥原料的消耗量；QLHV,bio、QLHV,waste和QLHV,mud分别为生物质、垃圾和污泥原料的低位热值。

Wnet=WSOFC,AC+WGT-WAUX

(16)

火用分析可以确定在不可逆过程中火用损失的位置，然后可以考虑改进。本模拟分别计算了燃料电池、制冷单元和供热单元的火用效率ηex,SOFC、ηex,cooling、ηex,heating。

ηex,SOFC=ExW/Exfuel

(17)

ηex,cooling=Excooling/Exfuel

(18)

ηex,heating=Exheating/Exfuel

(19)

(20)

式(17)～(18)中，ExW、Excooling、Exheating和Exfuel分别为燃料电池发电火用、制冷单元冷量火用、供热单元热量火用以及燃料火用，生物质等固体燃料携带的燃料火用可依据式(20)计算[14]。

3 结果分析

当系统的输入参数确定后，进行模拟可以获得系统中各物流的参数，并得到系统的能量效率和各单元的火用效率。本文主要研究了气化炉温度、蒸汽/燃料质量比、燃料电池燃料利用率、燃料电池工作温度以及燃料电池工作压力对系统热电综合效率以及燃料电池、制冷和供热等单元火用效率的影响。

3.1 气化温度的影响

气化温度对系统效率和各子单元火用效率的影响如图2所示，气化温度从650 ℃变化到900 ℃，其它参数基本保持不变。气化温度过低可能导致气化反应动力学无法满足运行要求，气化温度过高会导致通过惰性灰分从燃料反应器传递出的热量无法满足气化反应器自热要求，所以选择650～900 ℃。从图2可以看出，随着气化温度提高，冬季热电综合效率从78.5%降到77.0%，夏季热电综合效率从73.4%降到71.6%，燃料电池火用效率从53.2%降到50.3%，制冷火用效率从46.7%降到44.1%，供热火用效率从48.3%降到45.8%。主要原因是为了满足气化温度的提高，更多的碳元素进入燃烧反应器，气化反应器出口合成气流量降低。

图2 气化温度对系统效率和各单元火用效率的影响

3.2 蒸汽/燃料比影响

蒸汽/燃料比对系统效率和各子单元火用效率的影响如图3所示，蒸汽/燃料比的增加对系统能量效率有不利影响，蒸汽/燃料比从0.4增加到1.4，冬季热电综合效率下降了13.0%，而夏季热电综合效率下降了10.3%，主要原因是进入系统的常温水流量增加了。随着蒸汽/燃料比的增加，各子单元火用效率先增加后减小，在反应当量比为1时，燃料电池、制冷和供热火用效率达到最大，分别为51.2%、44.8%和46.3%，主要和燃料中的碳元素选择性有关，低于1时碳元素主要转化为C和CO，高于1时碳元素主要转化为CO2和CO。

图3 蒸汽/燃料比对系统效率和各单元火用效率的影响

3.3 燃料利用率的影响

燃料利用率对系统效率和各子单元火用效率的影响如图4所示，燃料电池燃料利用率的增加对系统能量效率同样有不利影响。燃料电池燃料利用率越高，后燃烧室温度越低，导致进入余热锅炉的排烟温度降低，因此制冷和供热的循环水热能品质降低，对供暖单元影响显著，冬季热电综合效率从84.6%下降到77.1%，而夏季热电综合效率仅从74.8%下降到72.3%。燃料电池燃料利用率的增加有利于各子单元火用效率，各部分都有明显增加的趋势。

图4 燃料利用率对系统效率和各子单元火用效率的影响

3.4 燃料电池工作温度的影响

如图5所示，燃料电池工作温度的提高可以增加系统效率，燃料电池温度从700 ℃增加到900 ℃，冬季热电综合效率上升了15.6%，而夏季热电综合效率上升了12.5%，主要是与进入余热锅炉的排烟温度有关。而燃料电池工作温度对各子单元火用效率影响可以忽略不计。

图5 燃料电池温度对系统效率和各单元火用效率的影响

3.5 燃料电池工作压力的影响

燃料电池压力对系统效率和各子单元火用效率的影响如图6所示，燃料电池压力的增加会导致冬季热电综合效率略微下降，而夏季热电综合效率却有上升。燃料电池压力从0.1 MPa增加到0.30 MPa，各子单元火用效率都有较大的提升，燃料电池系统最显著，从50.4%提升到58.9%。

图6 燃料电池压力对系统效率和各子单元火用效率的影响

总体而言，该系统冬季热电综合效率最高可达85%，夏季热电综合效率最高可达80%，具有明显的优越性。冬季热电综合效率总是高于夏季热电综合效率，燃料电池单元的火用效率最高，而制冷单元的火用效率最低，系统优化改性可以从制冷单元开始。

4 结语

本文提出了生物质、垃圾和污泥固废双流化床共气化固体燃料电池冷热电联供系统，建立了系统模型进行模拟计算，验证了系统的可行性，并研究了气化参数和燃料电池工作参数对系统性能指标的影响。

(1)该系统冬季热电综合效率最高可达85%，夏季热电综合效率最高可达80%，具有明显的优越性。

(2)随着气化温度提高，冬季热电综合效率、夏季热电综合效率和各子单元火用效率都有所降低；蒸气/燃料比的增加同样对系统能量效率有不利影响，蒸气/燃料比为1时各子单元火用效率达到最大。

(3)燃料电池燃料利用率的增加对系统能量效率也有不利影响，但是明显有利于各子单元火用效率；燃料电池工作温度的提高可以增加系统效率，对各子单元火用效率影响微弱；燃料电池压力的增加会导致冬季热电综合效率略微下降，而夏季热电综合效率却有上升，各子单元火用效率都有较大的提升。