生物质气化耦合固体氧化物燃料电池的冷热电联供系统的性能分析

摘要：为提高联供系统的一次能源利用率和降低CO2排放，大力发展清洁高效能源转换技术，该文提出一种基于生物质气化耦合固态燃料电池的冷热电联供系统。建立热力学模型，给出设计工况下系统的运行及结构参数，选取系统关键运行参数对系统的热力学性能、经济及环境性能进行分析和评价。结果表明，在设计工况下，系统发电效率和㶲效率分别为55.53%、51.84%；CO2排放率和一次能源节约率分别达到0.4944kg/（kW·h）和42.7%；在研究的参数范围内，提高生物质流量会增加系统输出但同时降低了系统性能；降低空气当量比和增加蒸汽生物质比系统经济和环境效益会变好；水碳比的变化对燃料电池输出电压有负面影响但对联供系统影响不大，燃料利用率的增加对系统综合性能有积极影响，联供系统性能受气化参数和燃料电池运行参数影响明显。

0 引言

近年来，人类对能源的需求呈现不断增长趋势。能源利用效率低下和能源需求不断增加造成了大量一次能源浪费。为此寻求高效、经济、环保的能源利用形式迫在眉睫。冷热电联供（combined cooling，heating，and power，CCHP）系统可以满足各种能源需求和能量梯级利用等特点而备受关注[1]。CCHP系统常用的原动机有燃气轮机和内燃机[2]，由于燃烧反应消耗大量一次能源，发电效率有限，产生的氮氧化物对环境造成了污染。然而，固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，SOFC）在新型高效发电技术中脱颖而出，因为其不受卡诺循环的限制[3]，具有燃料适用性广、能量转换效率高、催化剂廉价、污染排放低、无噪音等优点。

SOFC与冷热电联供系统集成的研究应用越来越广泛，并且通常在系统集成时SOFC高温余热被回收设备利用产能，如引入燃气轮机（gas turbine，GT）、卡琳娜循环、超临界CO2循环、有机朗肯循环、双效吸收式制冷循环、碳捕集装置等[4-5]；提升了能量转换效率和降低碳排放。于泽庭等[6]提出了CO2近零排放的SOFC-CCHP系统并用有机朗肯循环和吸收式制冷系统回收SOFC阴极排气余热，系统的净发电效率达到51.59%，系统在保证效率的同时也实现了碳捕集；为了进一步提高联供系统的发电效率，赵洪滨等[7]以焦炉煤气为燃料，对SOFC-CCHP系统进行了模拟，得出系统在对用户进行制冷和供热的同时，还能使系统总发电效率在60%~70%之间，并且Meng等[8]提出一种基于SOFC/GT和超临界CO2循环的联合发电系统，在设计条件下SOFC、超临界CO2循环和系统发电效率分别为49.21%、29.14%和69.26%；为了更大程度提升联供系统的能源转换效率，王世学等[9]提出一种SOFC-CCHP系统以温差发电器为中间循环回收尾气余热，实现高效水循环，使得供热模式下一次能源利用率可高达94%，制冷工况下的一次能源利用率达到65.1%。

上述结果表明，SOFC-CCHP系统显示出高效节能并拥有多种余热利用形式来满足用户需求。尽管固态燃料电池耦合冷热电联供系统的研究已有较多研究，但燃料通常是一次能源，例如煤、天然气，这会加剧能源消耗并容易使系统积碳[10]，而以生物质等可再生能源为燃料与SOFC-CCHP系统耦合被认为是缓解能源压力的有效方法，生物质气化合成气作为下游燃料电池的进气燃料具有显着优势[11]；如气化温度与SOFC运行温度相匹配，不易积碳，环境友好。到目前为止，基于生物质气化的SOFC-CCHP系统集成研究较少，并且适应生物质发电系统的综合性能（能量、㶲、经济、环境）分析及关键参数的研究信息仍不多见。

综上所述，本文构建基于生物质气化耦合固态燃料电池的冷热电联供系统，其中燃气轮机、有机朗肯循环、双效吸收式制冷循环和供暖设备依次回收SOFC高温烟气，使系统输出更多的电量并提高系统的电效率和㶲效率，满足用户的冷热电需求的同时实现可调节的热电输出比，增强系统的灵活性；对系统的热力学性能、经济及环境性能进行分析和评价。结果可为生物质能与冷热电联供系统的集成提供一种集成方式，为将来系统运行优化提供一定指导。

1 系统流程

本文提出的冷热电联供系统主要包括顶部过程中的生物质气化器（biomass gasification，BIOG）和固体氧化物燃料电池–燃气轮机（SOFC-GT）。余热回收子系统主要由有机朗肯循环（organic Rankine cycle，ORC）、双效溴化锂吸收制冷子系统（absorption refrigeration system，ARS）、供热子系统（domestic hot water，DHW）。具体工作流程如图1所示：空气压缩机1和水泵分别压缩空气（2）和水（4）等气化剂，然后空气通过换热器2预热后进入气化器。生物质（1）、蒸汽和空气进入气化炉，通过气化反应过程产生气化气体（7）。气化气在分离器中被净化，杂质和飞灰（8）被分离出来，其余的合成气（9）和阳极回流烟气（17）混合后（10）进入重整器进行甲烷重整反应（methane steam reforming，MSR）和水煤气变换反应（water-gas shift reaction，WGSR）来增加氢气含量，这里阳极回流的目的是提高阳极进口温度，增加水分含量，防止积碳。空气（12）经过空压机2加压随后通过换热器1预热进入SOFC阴极（14），重整提质后的合成气作为阳极燃气（11）进入SOFC阳极。混合气体在SOFC中发生电化学反应，为系统产生大量直流电（35），直流电通过逆变器转换为交流电（36）。阳极部分烟气（18）和阴极烟气（16）进入燃烧室以充分燃烧未被SOFC充分利用的燃气。燃烧室的废热（19）驱动GT进行额外发电（37）。GT的烟气余热（20）依次通过换热器1和换热器2预热阴极空气和气化剂-水。ORC发电系统通过蒸发器吸收烟气热量（22），使有机介质达到发电设备指定的发电温度进行发电（38）。ARS制冷系统由高压发生器驱动来吸收ORC排出的烟气余热（23），并在蒸发器中为用户提供冷冻水（28/29）；因为在冷凝器和吸收器放出热量，因此通过冷却塔中的冷却水（32/33）吸收多余热量，防止制冷系统过热。DHW供热系统通过换热器3吸收烟气低温余热（24）加热自来水（30）为用户产生生活热水（31）。

2 数学建模

2.1 模型假设

为了方便计算与模拟，做出以下假设[12-13]：1）空气的成分由79%N2和21%O2组成；2）热力学平衡条件下所有气体都是稳态下进行系统模拟的理想气体；3）不考虑部件对环境的热量损失及管路的压力损失；4）气化反应不考虑焦油的生成；5）SOFC未利用的燃气在燃烧室充分氧化利用；6）燃料电池为平板式，并且是内部温度和压力均匀的零维模型；7）不考虑CO的电化学反应，CO通过置换反应生成H2参加电化学反应；8）ORC工质为R123。

2.2 生物质气化器

采用稻草为生物质燃料，其元素分析和工业分析如表1所示。使用Aspen Plus软件对气化流程进行模拟，建立的下吸式气化炉模型包括4个物理过程：预干燥、热解、气化和合成气净化。气化是预测合成气成分的关键过程，它涉及各种复杂的化学反应过程，如表2所示。

2.3 燃料电池–燃气轮机发电系统

合成气在重整器中进行预重整，用吉布斯反应器模拟，仅依靠回流尾气和气化器高温出口合成气提供热量，主要发生MRS和WGR反应；水碳比是SOFC发电系统重要的参数，定义为阳极回流的烟气中水蒸汽与合成气燃料中碳原子的摩尔流量之比。阳极支撑型平板式SOFC是现在主流的SOFC形式，并且已取得商业化进展，因此本文采用文献[15]建立的电化学模型，SOFC阳极用Aspen Plus中的吉布斯反应器模拟，绝热运行；阴极用分离器模块模拟，代表透过电解质发生电化学反应的O2的分离过程，电化学反应表示为

2.4 余热回收系统

2.4.1 有机朗肯循环发电

有机朗肯循环发电系统选取R123为有机工质，R123作为高温工质其临界温度为183.68℃，有机工质在系统运行时不易出现热解问题；同时SOFC-GT出口高温余热温匹配较高，发电性能较好。蒸发器和冷凝器的能量守恒方程为：

2.4.2 双效吸收式制冷

双效吸收式制冷机组的性能系数（coefficient of performance，COP）一般高于单效机组，并且其驱动热源温度较高，与ORC排烟温度相匹配。选取溴化锂溶液作为工作介质，其质量、溶质和能量守恒方程分别表示为：

　　2.4.3供暖系统

　　供暖系统由换热器组成，其原理是利用低温余热为用户提供生活热水，方程表示为

2.5 模型验证

本文数学模型均采用AspenPlus软件进行建立，生物质气化器和燃料电池为系统核心部件，因此对其模型的准确性研究至关重要。根据验证文献中的条件，对运行参数进行调整，其验证结果如下：1）生物质气化器模型与文献[17]的实验数据进行了对比验证。如表3所示，其预测的合成气组成成分的均方根误差为1.66，模拟与实验的偏移程度较小，在可接受的范围内；2）燃料电池的电化学模型与文献[16]进行对比验证，其伏安特性曲线与功率密度曲线的验证如图2所示。可以看出，模拟值和文献值吻合度较高，可以用于系统的发电性能分析；3）表4和5给出了ORC和ARS系统的模型验证结果，可以发现与文献相比，ORC的发电效率和ARS的性能参数的相对误差均在5%以内。

3 评价指标

3.1 热力学分析评价指标

 在进行热力学评价之前，需要对系统进行㶲平衡分析，在能量转换过程每个部件都会有㶲损失，其㶲平衡关系、㶲效率和㶲损率可表示为：

3.2 经济环境分析评价指标

 联供系统的总成本率主要由燃料成本率、碳排放成本率和系统投资成本率组成：

4、结果与讨论

 4.1 设计工况性能分析

 表6为系统部件的主要设计运行参数，其中计算电化学输出电压的SOFC结构参数可参考文献[16]；表7为设计工况下热力性能关键性能指标计算结果，可以得到联供系统在设计工况下能满足用户的电、冷和热负荷分别是1109.78、186、74.1kW，系统发电效率、一次能源利用率、㶲效率分别为55.53%、68.54%、51.84%。采用ORC作为余热回收的发电装置，联供系统与SOFC-GT发电系统相比，其发电效率增加了1.6%；与生物质气化燃料电池一体化发电系统相比，其一次能源利用率增加了14.65%。表8为系统在设计工况下的经济与环境参数和分析结果，可以看出系统总成本率为88.24$/h，其中组件成本占比65.13%；系统单位发电成本、CO2排放率和一次能源节约率分别为0.08$/（kW·h）、0.4944kg/（kW·h）和42.7%，可见系统的经济环境性能较好。

为了对系统进行㶲分析，图3为系统㶲流的桑基图，图4为部件与子系统的㶲效率和㶲损率。由图可知，系统能量转换大部分为电力，因此系统的㶲效率较高为51.6%；气化器和燃料电池–燃气轮机发电系统㶲损失较大，为298.77和311.37kW，其次是换热器1，为138.68kW；主要是由于气化反应、电化学和燃烧反应导致的不可逆损失较大，其次是换热器1的大温差换热；据此通过全面㶲分析，可以优化㶲损失较大的部件参数提高系统潜力。

设计工况下SOFC伏安特性曲线与功率密度曲线如图5所示，SOFC输出电压随着电流密度的增加而降低；活化损失较其他损失增加趋势明显；功率密度的变化与电流密度呈正相关，在1A/c㎡时，功率密度达到最大值，为0.523W/c㎡。

4.2 参数研究

4.2.1 气化参数

图6给出了生物质流量对系统输出和性能的影响，结果表明生物质质量流对能量输出有积极影响但对性能有负面影响。当流量从100kg/h变化到900kg/h时，系统输出能量从307.75kW增加到2459.11kW，而系统一次能源利用率和㶲效率降低了11.85%和14.26%。因为SOFC燃料利用率固定，更多合成气被氧化燃烧，增加了排气温度。底部循环利用更多的废热产生更多的电、冷和热，增加了能量输出，而输出能量没有生物质能量输入增加明显，致使系统效率明显降低。增加生物质流量是提高能量输出的有效方法，但其效率降低，可以通过改变气化器和SOFC的容量来匹配运行参数提高系统效率，可以避免能源消耗。蒸汽生物质比对系统热力性能影响如图7所示。随着蒸汽生物质比从0.1增加到0.9，系统制冷量和制热量不断增加；系统电能输出略微升高，到达0.6时开始降低，其影响不大，SOFC电量增加了4.62%，但ORC输出电能明显减少了87.73%，这是因为随着水流量的增加，提高了换热器2的换热量，导致烟气进入ORC系统的温度降低，ORC输出电能减少。系统的电效率和㶲效率在蒸汽生物质比在0.4~0.6之间时达到高峰，最高分别为55.47%和51.79%。

图8给出了空气当量比对系统热力性能影响。在空气当量比在0.1增加到0.2时，系统输出能量和效率性能提升明显，其中输出电量和净电量增加了7.43%和7.1%，一次能源利用率和㶲效率增加了7.6%和7.13%。这是因为氧气与生物质热解气反应完全，促进气化反应的正向进行。当空气当量比大于0.2时，过量的氧化剂降低了合成气有效气体的体积分数，使得SOFC输出电能降低，但是燃气轮机发电量一直增加，系统总输出电能和系统效率逐渐下降。同时可以发现，系统制冷量和制热量对空气当量比的变化不灵敏。

气化参数对系统经济环境性能影响如图9所示。空气当量比从0.1增加到0.4时，系统的一次能源节约率减少了33.87%，CO2排放率增加了29.95%，可见增加的空气当量比可以使系统热力性能提高，但经济和环境效益变差。增加蒸汽生物质比能增加系统的一次能源节约率，同时在一定程度上降低CO2排放，其中在蒸汽生物质比为0.6时，一次能源节约率达到最高值为42.7%，同时其CO2排放率较低，为0.493kg/（kW·h）。

4.2.2 燃料电池参数

图10显示了水碳比对SOFC电压和系统性能的影响。水碳比从0.5增加到2.5，SOFC输出电压从0.83V降低到0.793V，SOFC输出电量和电压趋势相同，从916.84kW降低到874.9kW；水碳比增加使系统的电效率、一次能源利用率和㶲效率均降低，但其变化趋势较小，变化范围小于4%。这是由于增加水碳比，虽然可以增加阳极入口温度，但是降低了进入SOFC的合成气的氢气分压力及体相摩尔分率，增加了水的分压力，使得电池电压降低，系统发电量减少，效率小幅降低，因此认为水碳比对系统效率影响性能较小。

燃料利用率对系统能量输出的影响如图11所示。图12给出了燃料利用率对SOFC电压和系统性能的影响。可以看出，燃料利用率从0.65增加到0.9，SOFC输出电压降低了7.08%，但是电流密度升高了38.46%，SOFC输出电能增加，导致未完全利用的燃气减少，燃气轮机排气温度降低，增加SOFC燃料利用率的同时提高了阴极空气的流量，增加了换热器1的换热，因此ORC产电量减少了84.54%，但系统输出电能增加了10.01%；由于烟气流量的增加，提供给ARS和DHW的余热增加，因此系统制冷量和产热量分别增加了24%和24.3%。因此，可以得到燃料利用率的增加对系统的电效率和㶲效率有积极影响。

图13表示燃料电池参数对系统经济环境性能影响。随着水碳比增加从1到2.25，系统的一次能源节约率降低了2.89%，同时CO2排放率增加1.85%，可见增加水碳比对经济和环境效益有负面影响，但影响程度不大。SOFC燃料利用率从0.65增加到0.9，系统的一次能源节约率增加15.75%，同时CO2排放率降低了11.1%，因此提高燃料利用率不仅促进系统热力性能，还会使系统经济和环境性能变好。

5 结论

本文对生物质气化耦合固态燃料电池的冷热电联供系统进行了集成设计，系统部件进行了建模及验证，提出了热力学、经济环境评价指标对系统进行分析，探究了气化参数以及燃料电池参数对系统综合性能的影响。结合以上研究内容，主要结论如下：

1） 在设计工况下，引入ORC发电系统的联供系统与SOFC-GT发电系统相比，其发电效率增加了1.6%。联供系统具有较高的发电效率和㶲效率，分别为55.53%、51.84%，同时有较低的发电成本与CO2排放。

2） 由于气化反应与电化学反应造成的不可逆损失，气化器和燃料电池–燃气轮机发电系统㶲损率占比较大，分别占比28.6%和29.9%。

3） 研究系统运行参数对系统综合性能影响可知，蒸汽生物质比在0.4~0.6之间和空气当量比在0.2的运行参数下热力性能较好，水碳比的变化对燃料电池输出电压有负面影响但对联供系统影响较小。