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崔志恒，王江江，霍碩杰，姚文岐
（河北省低碳高效發電技術重點實驗室（華北電力大學），河北省保定市071003）
摘要：為提高聯供系統的一次能源利用率和降低CO2排放，大力發展清潔高效能源轉換技術，該文提出一種基于生物質氣化耦合固態燃料電池的冷熱電聯供系統。建立熱力學模型，給出設計工況下系統的運行及結構參數，選取系統關鍵運行參數對系統的熱力學性能、經濟及環境性能進行分析和評價。結果表明，在設計工況下，系統發電效率和?效率分別為55.53%、51.84%；CO2排放率和一次能源節約率分別達到0.4944kg/（kW·h）和42.7%；在研究的參數范圍內，提高生物質流量會增加系統輸出但同時降低了系統性能；降低空氣當量比和增加蒸汽生物質比系統經濟和環境效益會變好；水碳比的變化對燃料電池輸出電壓有負面影響但對聯供系統影響不大，燃料利用率的增加對系統綜合性能有積極影響，聯供系統性能受氣化參數和燃料電池運行參數影響明顯。
0引言
近年來，人類對能源的需求呈現不斷增長趨勢。能源利用效率低下和能源需求不斷增加造成了大量一次能源浪費。為此尋求高效、經濟、環保的能源利用形式迫在眉睫。冷熱電聯供（combined cooling，heating，and power，CCHP）系統可以滿足各種能源需求和能量梯級利用等特點而備受關注[1]。CCHP系統常用的原動機有燃氣輪機和內燃機[2]，由于燃燒反應消耗大量一次能源，發電效率有限，產生的氮氧化物對環境造成了污染。然而，固體氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell，SOFC）在新型高效發電技術中脫穎而出，因為其不受卡諾循環的限制[3]，具有燃料適用性廣、能量轉換效率高、催化劑廉價、污染排放低、無噪音等優點。
SOFC與冷熱電聯供系統集成的研究應用越來越廣泛，并且通常在系統集成時SOFC高溫余熱被回收設備利用產能，如引入燃氣輪機（gas turbine，GT）、卡琳娜循環、超臨界CO2循環、有機朗肯循環、雙效吸收式制冷循環、碳捕集裝置等[4-5]；提升了能量轉換效率和降低碳排放。于澤庭等[6]提出了CO2近零排放的SOFC-CCHP系統并用有機朗肯循環和吸收式制冷系統回收SOFC陰極排氣余熱，系統的凈發電效率達到51.59%，系統在保證效率的同時也實現了碳捕集；為了進一步提高聯供系統的發電效率，趙洪濱等[7]以焦爐煤氣為燃料，對SOFC-CCHP系統進行了模擬，得出系統在對用戶進行制冷和供熱的同時，還能使系統總發電效率在60%~70%之間，并且Meng等[8]提出一種基于SOFC/GT和超臨界CO2循環的聯合發電系統，在設計條件下SOFC、超臨界CO2循環和系統發電效率分別為49.21%、29.14%和69.26%；為了更大程度提升聯供系統的能源轉換效率，王世學等[9]提出一種SOFC-CCHP系統以溫差發電器為中間循環回收尾氣余熱，實現高效水循環，使得供熱模式下一次能源利用率可高達94%，制冷工況下的一次能源利用率達到65.1%。
上述結果表明，SOFC-CCHP系統顯示出高效節能并擁有多種余熱利用形式來滿足用戶需求。盡管固態燃料電池耦合冷熱電聯供系統的研究已有較多研究，但燃料通常是一次能源，例如煤、天然氣，這會加劇能源消耗并容易使系統積碳[10]，而以生物質等可再生能源為燃料與SOFC-CCHP系統耦合被認為是緩解能源壓力的有效方法，生物質氣化合成氣作為下游燃料電池的進氣燃料具有顯著優勢[11]；如氣化溫度與SOFC運行溫度相匹配，不易積碳，環境友好。到目前為止，基于生物質氣化的SOFC-CCHP系統集成研究較少，并且適應生物質發電系統的綜合性能（能量、?、經濟、環境）分析及關鍵參數的研究信息仍不多見。
綜上所述，本文構建基于生物質氣化耦合固態燃料電池的冷熱電聯供系統，其中燃氣輪機、有機朗肯循環、雙效吸收式制冷循環和供暖設備依次回收SOFC高溫煙氣，使系統輸出更多的電量并提高系統的電效率和?效率，滿足用戶的冷熱電需求的同時實現可調節的熱電輸出比，增強系統的靈活性；對系統的熱力學性能、經濟及環境性能進行分析和評價。結果可為生物質能與冷熱電聯供系統的集成提供一種集成方式，為將來系統運行優化提供一定指導。
1系統流程
本文提出的冷熱電聯供系統主要包括頂部過程中的生物質氣化器（biomass gasification，BIOG）和固體氧化物燃料電池–燃氣輪機（SOFC-GT）。余熱回收子系統主要由有機朗肯循環（organic Rankine cycle，ORC）、雙效溴化鋰吸收制冷子系統（absorption refrigeration system，ARS）、供熱子系統（domestic hot water，DHW）。具體工作流程如圖1所示：空氣壓縮機1和水泵分別壓縮空氣（2）和水（4）等氣化劑，然后空氣通過換熱器2預熱后進入氣化器。生物質（1）、蒸汽和空氣進入氣化爐，通過氣化反應過程產生氣化氣體（7）。氣化氣在分離器中被凈化，雜質和飛灰（8）被分離出來，其余的合成氣（9）和陽極回流煙氣（17）混合后（10）進入重整器進行甲烷重整反應（methane steam reforming，MSR）和水煤氣變換反應（water-gas shift reaction，WGSR）來增加氫氣含量，這里陽極回流的目的是提高陽極進口溫度，增加水分含量，防止積碳。空氣（12）經過空壓機2加壓隨后通過換熱器1預熱進入SOFC陰極（14），重整提質后的合成氣作為陽極燃氣（11）進入SOFC陽極。混合氣體在SOFC中發生電化學反應，為系統產生大量直流電（35），直流電通過逆變器轉換為交流電（36）。陽極部分煙氣（18）和陰極煙氣（16）進入燃燒室以充分燃燒未被SOFC充分利用的燃氣。燃燒室的廢熱（19）驅動GT進行額外發電（37）。GT的煙氣余熱（20）依次通過換熱器1和換熱器2預熱陰極空氣和氣化劑-水。ORC發電系統通過蒸發器吸收煙氣熱量（22），使有機介質達到發電設備指定的發電溫度進行發電（38）。ARS制冷系統由高壓發生器驅動來吸收ORC排出的煙氣余熱（23），并在蒸發器中為用戶提供冷凍水（28/29）；因為在冷凝器和吸收器放出熱量，因此通過冷卻塔中的冷卻水（32/33）吸收多余熱量，防止制冷系統過熱。DHW供熱系統通過換熱器3吸收煙氣低溫余熱（24）加熱自來水（30）為用戶產生生活熱水（31）。
2數學建模
2.1模型假設
為了方便計算與模擬，做出以下假設[12-13]：1）空氣的成分由79%N2和21%O2組成；2）熱力學平衡條件下所有氣體都是穩態下進行系統模擬的理想氣體；3）不考慮部件對環境的熱量損失及管路的壓力損失；4）氣化反應不考慮焦油的生成；5）SOFC未利用的燃氣在燃燒室充分氧化利用；6）燃料電池為平板式，并且是內部溫度和壓力均勻的零維模型；7）不考慮CO的電化學反應，CO通過置換反應生成H2參加電化學反應；8）ORC工質為R123。
2.2生物質氣化器
采用稻草為生物質燃料，其元素分析和工業分析如表1所示。使用Aspen Plus軟件對氣化流程進行模擬，建立的下吸式氣化爐模型包括4個物理過程：預干燥、熱解、氣化和合成氣凈化。氣化是預測合成氣成分的關鍵過程，它涉及各種復雜的化學反應過程，如表2所示。
2.3燃料電池–燃氣輪機發電系統
合成氣在重整器中進行預重整，用吉布斯反應器模擬，僅依靠回流尾氣和氣化器高溫出口合成氣提供熱量，主要發生MRS和WGR反應；水碳比是SOFC發電系統重要的參數，定義為陽極回流的煙氣中水蒸汽與合成氣燃料中碳原子的摩爾流量之比。陽極支撐型平板式SOFC是現在主流的SOFC形式，并且已取得商業化進展，因此本文采用文獻[15]建立的電化學模型，SOFC陽極用Aspen Plus中的吉布斯反應器模擬，絕熱運行；陰極用分離器模塊模擬，代表透過電解質發生電化學反應的O2的分離過程，電化學反應表示為
2.4余熱回收系統
2.4.1有機朗肯循環發電
有機朗肯循環發電系統選取R123為有機工質，R123作為高溫工質其臨界溫度為183.68℃，有機工質在系統運行時不易出現熱解問題；同時SOFC-GT出口高溫余熱溫匹配較高，發電性能較好。蒸發器和冷凝器的能量守恒方程為：
2.4.2雙效吸收式制冷
雙效吸收式制冷機組的性能系數（coefficient of performance，COP）一般高于單效機組，并且其驅動熱源溫度較高，與ORC排煙溫度相匹配。選取溴化鋰溶液作為工作介質，其質量、溶質和能量守恒方程分別表示為：
2.4.3供暖系統
供暖系統由換熱器組成，其原理是利用低溫余熱為用戶提供生活熱水，方程表示為
2.5模型驗證
本文數學模型均采用AspenPlus軟件進行建立，生物質氣化器和燃料電池為系統核心部件，因此對其模型的準確性研究至關重要。根據驗證文獻中的條件，對運行參數進行調整，其驗證結果如下：1）生物質氣化器模型與文獻[17]的實驗數據進行了對比驗證。如表3所示，其預測的合成氣組成成分的均方根誤差為1.66，模擬與實驗的偏移程度較小，在可接受的范圍內；2）燃料電池的電化學模型與文獻[16]進行對比驗證，其伏安特性曲線與功率密度曲線的驗證如圖2所示。可以看出，模擬值和文獻值吻合度較高，可以用于系統的發電性能分析；3）表4和5給出了ORC和ARS系統的模型驗證結果，可以發現與文獻相比，ORC的發電效率和ARS的性能參數的相對誤差均在5%以內。
3評價指標
3.1熱力學分析評價指標
在進行熱力學評價之前，需要對系統進行?平衡分析，在能量轉換過程每個部件都會有?損失，其?平衡關系、?效率和?損率可表示為：
3.2經濟環境分析評價指標
聯供系統的總成本率主要由燃料成本率、碳排放成本率和系統投資成本率組成：
4結果與討論
4.1設計工況性能分析
表6為系統部件的主要設計運行參數，其中計算電化學輸出電壓的SOFC結構參數可參考文獻[16]；表7為設計工況下熱力性能關鍵性能指標計算結果，可以得到聯供系統在設計工況下能滿足用戶的電、冷和熱負荷分別是1109.78、186、74.1kW，系統發電效率、一次能源利用率、?效率分別為55.53%、68.54%、51.84%。采用ORC作為余熱回收的發電裝置，聯供系統與SOFC-GT發電系統相比，其發電效率增加了1.6%；與生物質氣化燃料電池一體化發電系統相比，其一次能源利用率增加了14.65%。表8為系統在設計工況下的經濟與環境參數和分析結果，可以看出系統總成本率為88.24$/h，其中組件成本占比65.13%；系統單位發電成本、CO2排放率和一次能源節約率分別為0.08$/（kW·h）、0.4944kg/（kW·h）和42.7%，可見系統的經濟環境性能較好。
為了對系統進行?分析，圖3為系統?流的桑基圖，圖4為部件與子系統的?效率和?損率。由圖可知，系統能量轉換大部分為電力，因此系統的?效率較高為51.6%；氣化器和燃料電池–燃氣輪機發電系統?損失較大，為298.77和311.37kW，其次是換熱器1，為138.68kW；主要是由于氣化反應、電化學和燃燒反應導致的不可逆損失較大，其次是換熱器1的大溫差換熱；據此通過全面?分析，可以優化?損失較大的部件參數提高系統潛力。
設計工況下SOFC伏安特性曲線與功率密度曲線如圖5所示，SOFC輸出電壓隨著電流密度的增加而降低；活化損失較其他損失增加趨勢明顯；功率密度的變化與電流密度呈正相關，在1A/c㎡時，功率密度達到最大值，為0.523W/c㎡。
4.2參數研究
4.2.1氣化參數
圖6給出了生物質流量對系統輸出和性能的影響，結果表明生物質質量流對能量輸出有積極影響但對性能有負面影響。當流量從100kg/h變化到900kg/h時，系統輸出能量從307.75kW增加到2459.11kW，而系統一次能源利用率和?效率降低了11.85%和14.26%。因為SOFC燃料利用率固定，更多合成氣被氧化燃燒，增加了排氣溫度。底部循環利用更多的廢熱產生更多的電、冷和熱，增加了能量輸出，而輸出能量沒有生物質能量輸入增加明顯，致使系統效率明顯降低。增加生物質流量是提高能量輸出的有效方法，但其效率降低，可以通過改變氣化器和SOFC的容量來匹配運行參數提高系統效率，可以避免能源消耗。蒸汽生物質比對系統熱力性能影響如圖7所示。隨著蒸汽生物質比從0.1增加到0.9，系統制冷量和制熱量不斷增加；系統電能輸出略微升高，到達0.6時開始降低，其影響不大，SOFC電量增加了4.62%，但ORC輸出電能明顯減少了87.73%，這是因為隨著水流量的增加，提高了換熱器2的換熱量，導致煙氣進入ORC系統的溫度降低，ORC輸出電能減少。系統的電效率和?效率在蒸汽生物質比在0.4~0.6之間時達到高峰，最高分別為55.47%和51.79%。
圖8給出了空氣當量比對系統熱力性能影響。在空氣當量比在0.1增加到0.2時，系統輸出能量和效率性能提升明顯，其中輸出電量和凈電量增加了7.43%和7.1%，一次能源利用率和?效率增加了7.6%和7.13%。這是因為氧氣與生物質熱解氣反應完全，促進氣化反應的正向進行。當空氣當量比大于0.2時，過量的氧化劑降低了合成氣有效氣體的體積分數，使得SOFC輸出電能降低，但是燃氣輪機發電量一直增加，系統總輸出電能和系統效率逐漸下降。同時可以發現，系統制冷量和制熱量對空氣當量比的變化不靈敏。
氣化參數對系統經濟環境性能影響如圖9所示。空氣當量比從0.1增加到0.4時，系統的一次能源節約率減少了33.87%，CO2排放率增加了29.95%，可見增加的空氣當量比可以使系統熱力性能提高，但經濟和環境效益變差。增加蒸汽生物質比能增加系統的一次能源節約率，同時在一定程度上降低CO2排放，其中在蒸汽生物質比為0.6時，一次能源節約率達到最高值為42.7%，同時其CO2排放率較低，為0.493kg/（kW·h）。
4.2.2燃料電池參數
圖10顯示了水碳比對SOFC電壓和系統性能的影響。水碳比從0.5增加到2.5，SOFC輸出電壓從0.83V降低到0.793V，SOFC輸出電量和電壓趨勢相同，從916.84kW降低到874.9kW；水碳比增加使系統的電效率、一次能源利用率和?效率均降低，但其變化趨勢較小，變化范圍小于4%。這是由于增加水碳比，雖然可以增加陽極入口溫度，但是降低了進入SOFC的合成氣的氫氣分壓力及體相摩爾分率，增加了水的分壓力，使得電池電壓降低，系統發電量減少，效率小幅降低，因此認為水碳比對系統效率影響性能較小。
燃料利用率對系統能量輸出的影響如圖11所示。圖12給出了燃料利用率對SOFC電壓和系統性能的影響。可以看出，燃料利用率從0.65增加到0.9，SOFC輸出電壓降低了7.08%，但是電流密度升高了38.46%，SOFC輸出電能增加，導致未完全利用的燃氣減少，燃氣輪機排氣溫度降低，增加SOFC燃料利用率的同時提高了陰極空氣的流量，增加了換熱器1的換熱，因此ORC產電量減少了84.54%，但系統輸出電能增加了10.01%；由于煙氣流量的增加，提供給ARS和DHW的余熱增加，因此系統制冷量和產熱量分別增加了24%和24.3%。因此，可以得到燃料利用率的增加對系統的電效率和?效率有積極影響。
圖13表示燃料電池參數對系統經濟環境性能影響。隨著水碳比增加從1到2.25，系統的一次能源節約率降低了2.89%，同時CO2排放率增加1.85%，可見增加水碳比對經濟和環境效益有負面影響，但影響程度不大。SOFC燃料利用率從0.65增加到0.9，系統的一次能源節約率增加15.75%，同時CO2排放率降低了11.1%，因此提高燃料利用率不僅促進系統熱力性能，還會使系統經濟和環境性能變好。
5結論
本文對生物質氣化耦合固態燃料電池的冷熱電聯供系統進行了集成設計，系統部件進行了建模及驗證，提出了熱力學、經濟環境評價指標對系統進行分析，探究了氣化參數以及燃料電池參數對系統綜合性能的影響。結合以上研究內容，主要結論如下：
1）在設計工況下，引入ORC發電系統的聯供系統與SOFC-GT發電系統相比，其發電效率增加了1.6%。聯供系統具有較高的發電效率和?效率，分別為55.53%、51.84%，同時有較低的發電成本與CO2排放。
2）由于氣化反應與電化學反應造成的不可逆損失，氣化器和燃料電池–燃氣輪機發電系統?損率占比較大，分別占比28.6%和29.9%。
3）研究系統運行參數對系統綜合性能影響可知，蒸汽生物質比在0.4~0.6之間和空氣當量比在0.2的運行參數下熱力性能較好，水碳比的變化對燃料電池輸出電壓有負面影響但對聯供系統影響較小。
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