基于生物質氣化的內燃機–吸收式制冷聯合冷熱電系統分析

賈俊曦，唐銳鋒

哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

聯合冷熱電(combined cooling heating and power，CCHP)系統是一種減少能源消耗及降低碳排放的有效能量利用方式[1]。這種系統已經被廣泛應用于居民區、大學、機場、醫院等場所。其能量來源的靈活性使其可以將可再生能源與能源轉化和儲存技術聯合起來。

基于可再生能源中生物質能轉化與利用的發電、制冷及余熱利用的CCHP 系統已經被廣泛提出和研究[2]。這些研究關注于不同生物質轉化方式下的CCHP 系統。目前生物質轉化方式主要有燃燒、氣化、熱解、生物化學和化工過程轉化，其中氣化的方式可以處理低品位的生物質，與直接燃燒方式相比，生物質氣化技術在發電方面擴大了燃料的使用范圍。實現生物質氣化的設備包括固定床氣化爐（上吸式和下吸式）及流化床氣化爐。與上吸式和流化床氣化爐相比，下吸式氣化爐可以產生更高品質的燃氣，而且維護費用更低[3]。生物質氣化發電可以采用蒸汽輪機、有機朗肯循環、內燃機、微型燃氣輪機和燃料電池等裝置[4]。盡管微型燃氣輪機、燃料電池的發電方式電效率更高，但是內燃機發電方式由于其投資少、技術成熟，在30~1 000 kW 的小型生物質氣化發電系統中得到了廣泛應用[5]。發電效率的高低對于內燃機當然重要，但是對于CCHP 系統而言，有效的余熱利用也很重要，因為這可以提高燃料的整體利用水平[6?7]。本文以生物質氣化氣為燃料，以四沖程內燃機為發電裝置，余熱回收采用吸收式冷制和熱水換熱器來收集能量，設計了內燃機–吸收式CCHP 系統，并對其進行了熱力學和經濟性分析。

1 內燃機–吸收式制冷CCHP 系統

本文研究的CCHP 系統如圖1 所示，圖1 中數字代表工質流動節點及節點。該系統由生物質氣化爐及凈化單元、內燃機、吸收式制冷單元及熱水桶組成。生物質在氣化爐中進行空氣氣化，生成的氣體經凈化單元處理進入儲氣桶供內燃機使用。氣體進入內燃機燃燒做功后，其尾氣仍具有較高溫度，此余熱可將環境溫度下的給水加熱，熱水進入水桶，一部分對外提供熱水，另一部分作為吸收式制冷單元的高溫熱源，為制冷系統提供熱量，由制冷單元的蒸發器對外提供所需要的制冷量。

2 各部件數學模型

為了研究CCHP 系統的整體性能，分別建立了下吸式氣化爐、四沖程內燃機、吸收式制冷的數學模型。

2.1 下吸式氣化爐

沿著燃料流動的方向將氣化爐分為熱解–氧化區和還原區。根據質量守恒、能量守恒和化學反應原理可建立守恒方程[8]。

在熱解–氧化區，生物質經過干燥和空氣氣化后生成合成氣：

此區域考慮的化學反應為碳反應C+2H2?CH4和置換反應CO+H2O ?CO2+H2。

還原區的化學反應為碳的還原反應C+CO2?2CO、C+H2O ?CO+H2、C+2H2?CH4及已生成的甲烷的重整反應CH4+H2O ?3H2+CO。

由化學反應引起的控制體內6 種氣體成分的質量平衡為

控制體內的能量守恒方程為

式中：hi為氣體成分i的焓值，J/mol；Cp,C為焦炭的比定壓熱容，J/(kg·K)；Cp,ash為灰分的比定壓熱容，J/(kg·K)；mash為灰的質量；T為第k個控制體的溫度；T0為環境溫度。

由質量守恒和能量守恒方程可以得出氣化爐內氣體溫度和氣體成分[10]。

2.2 四沖程內燃機

為建立內燃機轉角與氣缸內壓力溫度的關系，根據曲軸半徑R、連桿長度L、氣缸孔徑B及與氣缸體積V的關系得出[11?12]：

根據理想氣體狀態方程和質量守恒方程可得缸內壓力P與轉角θ的關系：

生物質氣化后生成的合成氣噴入氣缸內燃燒，生成高溫高壓氣體推動活塞做功，同時部分熱量通過氣缸壁以對流換熱的方式散失到環境中：

聯立求解式(1)~(3)可得出內燃機缸內參數隨轉角變化的數值。

內燃機整體的能量守恒方程為

式中：Qcomb為燃料放熱量，Qexhaust為內燃機排氣熱量，PICE為內燃機做功，Qloss為不可回收熱損失。

2.3 單效溴化鋰–水吸收式制冷

本文采用單效溴化鋰–水吸收式制冷來回收余熱。其主要部件包括發生器、蒸發器、冷凝器、吸收器及溶液換熱器，如圖1 所示。吸收劑是溴化鋰，制冷劑是水。根據能量守恒和質量守恒，可以列出各個部件的方程[13]。

發生器的質量守恒方程為

能量守恒方程為

蒸發器的質量守恒方程為

能量守恒方程為

吸收式制冷效能系數(coefficient of performance，COP)COP為制冷量Qe與吸熱量Qg的比值：

2.4 系統性能模型

系統的冷負荷Qcooling為蒸發器傳熱量Qe：

系統的熱負荷Qheating為提供的熱水的熱量，給水的入口溫度為25 ℃，出口水溫為60 ℃：

CCHP 系統的電效率 ηel為

式中：PICE為內燃機功率；m˙biomass為生物質燃料流量，kg/s；Hlow,bio為生物質低位發熱量，J/kg。

整體效率ηCCHP為

對系統進行經濟性分析時，凈現值（net present value，NPV）VNP為

式中：C0為初投資，r為利率，Ck為年收入，n為服務年限。

當凈現值為零時，對應的時間為投資回收期。

3 計算結果及分析

3.1 數學模型驗證

為驗證模型的準確性，將本文各部件的計算結果和其他實驗數據對比，如表1 所示，模型計算和對比文獻吻合良好，可以用來進行系統分析。

表1 數學模型的驗證

3.2 熱力學結果及分析

表2給出了計算時的工作參數和設計參數。

表2 計算設定參數

圖2給出了轉速對內燃機功率、冷卻水系統、尾氣及不可回收部分比例的影響。增加轉速減少了完成熱力循環需要的時間，使燃氣向氣缸壁傳熱的時間減少，因此內燃機冷卻系統的比例下降；同時增加轉速使輸出功率份額和尾氣份額增加。在高轉速區域，由于活塞與氣缸壁的摩擦增加，燃料中轉化為輸出功的份額減少，不可回收損失增加。總體而言，內燃機熱效率可達到37%。

圖2 轉速對內燃機能量分配的影響

圖3給出了轉速對系統冷熱電輸出的影響，圖4 給出了轉速對系統電效率和整體效率的影響。提高轉速相當于增加了燃料流量，冷熱電輸出都得到提高，在轉速為4 000 r/min 時，整體電效率最高，為21%。由于采用了余熱利用系統，盡管內燃機的冷卻系統和尾氣排放份額變化趨勢不同，但總體的冷熱電效率為47%~48%。

圖3 轉速對CCHP 輸出的影響

壓縮比的提高可以增大內燃機熱效率。本文對轉速為4 000 r/min，壓縮比在8~12 變動時的內燃機性能進行了計算。圖5 給出了壓縮比對內燃機內能量分配的影響，圖6 給出了壓縮比對系統效率的影響。壓縮比從8 提高到12 后，內燃機熱效率從35.97%提高到37.51%，CCHP 系統電效率提高1%，達到22%，整體的冷熱電效率幾乎不變。

圖6 壓縮比對CCHP 效率的影響

表3給出了制冷單元中的吸收器(a)，冷凝器(c)，蒸發器(e)，發生器(g)，溶液換熱器(she)的傳熱率數值，N=4 000 r/min，壓縮比為10。計算結果表明，當Tg=85 ℃并且Ta=35 ℃時，單效吸收式制冷的COP 為77.17%。

表3 制冷單元計算結果

圖7給出了發生器和吸收器工作溫度溫度對COP 的影響。當Tg=90 ℃ 并且Ta=30 ℃時，最大制冷量可達251 kW，COP 可達81.13%，CCHP 效率從47.77%提高到48.36%。當Tg降低到80 ℃并且Ta升高到40 ℃，COP 急劇降低到51%。同時，當發生器溫度較低時，COP 隨著吸收器工作溫度升高而降低的程度更劇烈。Ta同樣從30 ℃升高到40 ℃，COP 在Tg=90 ℃時僅降低6%，而在Tg=80 ℃降低了28%。

圖7 發生器和吸收器工作溫度對制冷量的影響

3.3 經濟性分析

在熱力學分析基礎之上，采用NPV 方法對CCHP 系統進行經濟性分析，每千瓦參數設定如表4[5]。

表4 經濟性分析參數設定

圖8給出了經濟性分析的關鍵指標投資回收期與轉速的關系。轉速增加或者負荷增大后，系統輸出功率增大，整體收入增加，轉速大于3 000 r/min后，投資回收期小于5 a；轉速大于4 000 r/min后，投資回收期的減小程度較小，介于2~3 a。

圖8 轉速對CCHP 投資回收期的影響

4 結論

本文對一個基于生物質氣化的內燃機-吸收式制冷CCHP 系統進行了熱力學和經濟性研究，分析了一些參數對整體性能的影響。主要結論如下：

1)內燃機轉速增大提高了其輸出功率和熱效率，冷卻系統所占燃料份額下降，尾氣所占份額提高，最終導致CCHP 系統電效率提升2%，整體冷熱電效率為47%左右。

2)增大內燃機的壓縮比使其熱效率提高1%左右，CCHP 系統電效率增大1%，整體冷熱電效率幾乎不變。

3)提高吸收式制冷發生器工作溫度或降低蒸發器溫度可以提高制冷量和COP，本文中，當其溫度高于85 ℃時，COP 大于0.77。

4)整體而言，本文的內燃機熱效率可達37%，CCHP 電效率為22%，冷熱電效率可達48%，投資回收期為3~4 a。

影響整體電效率的原因可能在于生物質氣化后的高溫燃氣在清潔和冷卻過程中損失能量較多，限于篇幅本文沒有討論。下一步研究可在此環節加裝換熱器或其他熱機來獲取熱量或做功，提高整體系統的電效率、總效率及經濟性。