生物質(zhì)氣化微型燃氣輪機集成發(fā)電系統(tǒng)模擬

馬雨晨 朱彤*宗超 朱榮俊

同濟大學機械與能源工程學院

0 引言

近年來，面對日益嚴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)是一種熱化學處理技術(shù)，可將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為可燃氣體，用做燃料或生產(chǎn)動力[2]。微型燃氣輪機是一種新近發(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，被認為是當前分布式供能系統(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)外許多學者使用Aspen Plus軟件分別對生物質(zhì)氣化過程和燃氣輪機循環(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)氣化與微型燃氣輪機集成發(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)氣化與微型燃氣輪機集成發(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)氣化部分和微型燃氣輪機部分，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氣體。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)等可燃氣體很少，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的體積分數(shù)。

1.2 微型燃氣輪機模型及設(shè)計參數(shù)

基于Aspen Plus平臺對微型燃氣輪機系統(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）模擬回熱器。

1.2.1 微型燃氣輪機模型

微型燃氣輪機模塊的流程圖如圖2所示，空氣進入壓氣機按預設(shè)的壓比和等熵效率進行壓縮，增壓升溫后的空氣在回熱器中被來自透平的高溫排氣預熱后進入燃燒室內(nèi)與生物質(zhì)燃氣進行燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生高溫高壓的燃氣，從燃燒室排出后進入透平膨脹做功。

圖2 微型燃氣輪機模擬流程圖

1.2.2 設(shè)計參數(shù)

本文設(shè)計的微型燃氣輪機是以生物質(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，在對微型燃氣輪機進行整機性能設(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]，微型燃氣輪機的主要設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 微型燃氣輪機的主要設(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氣輪機集成發(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氣的顯熱進行回收利用。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)常壓氣化微型燃氣輪機集成發(fā)電系統(tǒng)流程圖

圖4 生物質(zhì)加壓氣化微型燃氣輪機集成發(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)生低熱值的粗燃氣，然后由凈化系統(tǒng)進行凈化，除去粗燃氣中的粉塵、焦油等雜質(zhì)后進入微型燃氣輪機燃燒室內(nèi)進行燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的燃氣推動透平做功發(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℃。空氣當量比（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的體積分數(shù)較為接近，而H2的體積分數(shù)明顯偏大，CH4體積分數(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等碳氫化合物，而實際氣化過程中會產(chǎn)生少量的碳氫化合物，在模擬中要遵循H元素守恒和化學平衡，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型微型燃氣輪機輸出功率為80kW時的實驗數(shù)據(jù)對微型燃氣輪機模型進行驗證，實驗數(shù)據(jù)，模型邊界條件與Aspen中微型燃氣輪機模型的模擬結(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平臺的微型燃氣輪機模型是可行的。

表3 T100微型燃氣輪機實驗與模擬結(jié)果的對比

2 模擬結(jié)果與討論

生物質(zhì)氣化與微型燃氣輪機集成發(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)氣化與微型燃氣輪機集成發(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，進而對微型燃氣輪機系統(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)常壓氣化微型燃氣輪機集成發(fā)電系統(tǒng)模擬研究了氣化溫度和空氣當量比（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為燃氣輪機的輸出功，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 氣化溫度與空氣當量比共同變化時對集成發(fā)電系統(tǒng)的影響

當氣化溫度與氣化壓力同時變化時，空氣當量比對集成發(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)氣成分和熱值隨當量比變化曲線如圖7所示。由兩圖可知，空氣當量比越高，其氣化產(chǎn)物的熱值越低，需要的燃料流量越大，而燃氣輪機效率則略有降低。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，因而其燃氣輪機效率較低。

圖6 空氣當量比對燃料流量與效率的影響

圖7 當量比對氣化溫度和氣化產(chǎn)物體積分數(shù)的影響

對比圖6中燃氣輪機效率和凈效率變化曲線可知，空氣當量比的變化對燃氣輪機效率的影響較小，而對系統(tǒng)凈效率的影響較大。一方面，當空氣當量比從0.4降低到0.2時，燃氣輪機效率僅提高了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，當量比為0.4時最多可達6.5%。

2.1.2 氣化溫度與空氣當量比的關(guān)系

由圖7可知，隨著空氣當量比的增加，氣化溫度不斷升高。因為空氣當量比越高，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。隨著空氣當量比的增加，可燃氣中H2、CO的體積分數(shù)出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，CH4的體積分數(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)氣中可燃氣成分的體積分數(shù)。空氣當量比的增加也使大量的惰性氣體N2進入氣化爐內(nèi)稀釋了可燃氣的濃度。因此，空氣當量比的增加對氣化反應(yīng)既有利又有弊。由圖7可以看出，空氣當量比在0.25～0.3之間比較合理。

隨著空氣當量比的增加，CO和H2的體積分數(shù)都有所增加，由于CH4的體積分數(shù)減少更快，并且N2含量的增加稀釋了可燃氣的熱值，導致生物質(zhì)氣的熱值反而下降。

由圖8可知，干氣體產(chǎn)率隨著空氣當量比的升高而升高，因為當生物質(zhì)量一定時，空氣當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，從而導致了氣化效率的降低。

圖8 當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。

當空氣當量比為0.3時，氣化壓力對各主要氣體體積分數(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的體積分數(shù)變化不大。N2的體積分數(shù)由0.1 MPa時的45.6%升高到0.4 MPa的47.2%，因為在空氣當量比不變的情況下，N2的量也不變，而干氣體產(chǎn)率有所減少，所以N2的體積分數(shù)相對增加。H2的體積分數(shù)從0.1 MPa到0.4 MPa下降了17%，而CH4的體積分數(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)物體積分數(shù)和熱值的影響

在微型燃氣輪機輸出功為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、回熱度、溫比對集成發(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

壓比是微型燃氣輪機系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，在回熱度為0.9，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氣輪機的出力，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，目前微型燃氣輪機回熱循環(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)氣化微型燃氣輪機集成發(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)氣化與微型燃氣輪機集成發(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，而燃氣輪機效率則越低，當量比從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相關(guān)，因此在選擇微型燃氣輪機設(shè)計參數(shù)時應(yīng)該綜合考慮這幾個參數(shù)的影響。