秸稈氣化外燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)計(jì)方法及計(jì)算

趙子?xùn)|，閻維平，王禹朋

(華北電力大學(xué)能源與動力機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003)

秸稈氣化外燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)計(jì)方法及計(jì)算

趙子?xùn)|，閻維平，王禹朋

(華北電力大學(xué)能源與動力機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003)

為了合理高效地利用秸稈氣化燃?xì)猓赋隽私斩挌饣瘍?nèi)燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)的一些弊端與不足，研究討論了一種采用斯特林機(jī)為原動機(jī)的秸稈氣化熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，可以解決秸稈氣化燃?xì)獾臒嶂档汀⒔褂秃慷嗟膯栴}，同時還應(yīng)用熱力學(xué)第一定律和第二定律對秸稈氣化外燃機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行了熱力性能計(jì)算。結(jié)果顯示：4臺50 kW的外燃機(jī)系統(tǒng)可以為10 000 m2的6層辦公建筑提供足夠的熱量與電量；經(jīng)計(jì)算該系統(tǒng)在滿負(fù)荷運(yùn)行時，一次能源利用率良好，幾乎接近于內(nèi)燃機(jī)方案的能源利用率，表明在能源利用率上外燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)已接近于目前成熟的分布式能源系統(tǒng)。

秸稈氣化；熱電聯(lián)產(chǎn)；外燃機(jī)；熱力性能

0 引言

國內(nèi)生物質(zhì)資源蘊(yùn)含豐富，秸稈占據(jù)很大比例，其年產(chǎn)量達(dá)5億t(干質(zhì)量)，可供青貯的莖葉等鮮料約10億t。隨著生活水平的提高，農(nóng)民已不燃用秸稈，往往在田間就地焚燒處理，產(chǎn)生大量的煙塵，造成了嚴(yán)重的大氣污染。此外，秸稈是生物質(zhì)能的重要載體，具有含水量大，能量密度低，分布不集中的特點(diǎn)。

秸稈發(fā)電是目前提高秸稈中生物質(zhì)能利用率的有效方法，包括秸稈直燃發(fā)電和秸稈氣化發(fā)電兩種技術(shù)。秸稈直燃發(fā)電效率僅為14%～25%，但輸出功率較大，秸稈氣化發(fā)電的發(fā)電效率可達(dá)30%～40%，是一個高效的發(fā)電技術(shù)，而且氣化爐和內(nèi)燃機(jī)的工作溫度較低，可以減少NOx和SO2等氣體污染物的生成，符合節(jié)能減排的要求[1-2]。目前，國內(nèi)生物質(zhì)能發(fā)電整體技術(shù)水平和發(fā)達(dá)國家相比還存在一定差距，生物質(zhì)直燃發(fā)電的鍋爐、燃料輸送系統(tǒng)等技術(shù)和設(shè)備仍靠進(jìn)口，核心技術(shù)的缺乏導(dǎo)致國內(nèi)生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)長期受制于國外[3]。秸稈氣化發(fā)電主要使用內(nèi)燃機(jī)，系統(tǒng)簡單，設(shè)備較少，但也存在著難以克服問題：秸稈氣化產(chǎn)生的燃?xì)饨褂秃枯^多，必須經(jīng)過處理才能在內(nèi)燃機(jī)燃燒做功發(fā)電，生物質(zhì)能不能夠充分利用；秸稈氣化產(chǎn)生的燃?xì)鈱儆诘蜔嶂禋怏w，熱值約為5 MJ/Nm3,遠(yuǎn)低于內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)燃?xì)鉄嶂?20MJ/Nm3～30 MJ/Nm3),而且燃?xì)獾臒嶂惦S秸稈的品質(zhì)波動較大，易使發(fā)電系統(tǒng)效率大幅下降，工作不穩(wěn)定，也易降低內(nèi)燃機(jī)的使用壽命。

本文探討了一種秸稈氣化發(fā)電技術(shù)，能夠在一定程度上解決上述問題，充分利用秸稈中的生物質(zhì)能。在該技術(shù)中，用外燃機(jī)(斯特林機(jī))替代內(nèi)燃機(jī)作為原動機(jī)。國外已有現(xiàn)成的外燃機(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，A.Gaun和E.Schmautzer應(yīng)用德爾菲法對生物質(zhì)直燃的熱氣機(jī)微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行分析[4]。2005 年，采用清潔氣體燃料的斯特林熱機(jī)開始用于商業(yè)化，其發(fā)電功率為55 kW[5]。一家德國公司自2004 年開始銷售采用α型斯特林熱機(jī)的微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用的斯特林熱機(jī)設(shè)置兩個氣缸，工質(zhì)壓力為3.5～150 MPa，輸出電功率2～9 kW，熱能8～26 kW，改良部分系統(tǒng)被使其可以利用生物質(zhì)氣[6]。丹麥技術(shù)大學(xué)研發(fā)的微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)，采用β型斯特林熱機(jī)，氮?dú)庾鳛楣べ|(zhì)，生物質(zhì)氣作為熱源。在設(shè)計(jì)工況下，輸出電功率8.1 kW，熱量24.9 kW，目前還未投入市場[7]；而在國內(nèi)外燃機(jī)發(fā)電機(jī)組只是出于研究階段，如孔祥強(qiáng)[8]等人，以天然氣作為能源，以熱氣機(jī)為動力設(shè)備進(jìn)行研究。外燃機(jī)對燃?xì)獾钠焚|(zhì)要求不高，只要燃燒煙氣的溫度大于450 ℃即可工作[9]，此外，燃料在外缸接近大氣壓力下燃燒，不需要壓氣機(jī)，一般風(fēng)機(jī)即可滿足要求。因此，基于外燃機(jī)的秸稈氣化發(fā)電技術(shù)可以克服焦油含量高、燃?xì)鉄嶂挡环€(wěn)定的問題，使能量能夠充分利用，符合“溫度對口，梯級利用”的原則[10]。

1 外燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

該系統(tǒng)的其他主要設(shè)備包括生物質(zhì)氣化爐、燃燒器、發(fā)電機(jī)，還包括換熱器、引風(fēng)機(jī)及管道等，在整個系統(tǒng)中，外燃機(jī)作為原動機(jī)發(fā)電，外燃機(jī)冷卻水經(jīng)過熱交換器加熱，供給熱用戶。采用固定床氣化爐氣化的燃?xì)猓瑲怏w發(fā)生之后沒有使用凈化過濾裝置，這是由外燃機(jī)對燃料適應(yīng)性極強(qiáng)的特點(diǎn)決定的。減少凈化過濾裝置不僅可以降低初投資，還可以提高可靠性，節(jié)省維護(hù)成本；更重要的是可以減少占地面積，使得該系統(tǒng)可以做得緊湊，而且由于外燃發(fā)電機(jī)組的振動小噪聲低，更適合應(yīng)用于大中城市中心區(qū)域的建筑。其工作原理如圖1所示。

圖1 秸稈氣化外燃機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)工作原理

秸稈在氣化爐中氣化，氣化產(chǎn)生的氣化氣被送入燃燒室燃燒，產(chǎn)生的熱煙氣被送入外燃機(jī)做功發(fā)電，滿足用戶的電負(fù)荷需求，而熱煙氣和冷腔冷卻水進(jìn)入換熱器，產(chǎn)生的熱量用來滿足用戶的熱負(fù)荷需求。此外，該系統(tǒng)也與公共電網(wǎng)并網(wǎng)，當(dāng)所需電負(fù)荷較大時，可以從公共電網(wǎng)獲得電能。

2 系統(tǒng)采用斯特林機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

秸稈氣化原動機(jī)采用外燃機(jī)與活塞式內(nèi)燃機(jī)相比，有著諸多優(yōu)點(diǎn)，適用范圍也很廣。其工作特性主要有以下幾個方面。

2.1 多種燃料的適應(yīng)性

內(nèi)燃機(jī)使用的燃料大部分是汽油、柴油或是煤氣、天然氣等液、氣體燃料。而由于外燃機(jī)的閉式循環(huán)部分對外部加熱裝置的熱源形式無特殊要求，凡是在400 ℃以上的任何形式的發(fā)熱裝置都可以成為外燃機(jī)外部加熱系統(tǒng)的熱源，因此外燃機(jī)是名副其實(shí)的多種燃料發(fā)動機(jī)。

2.2 排氣污染低

內(nèi)燃機(jī)燃料燃燒溫度高，會產(chǎn)生CO、NOx和SO2等氣體，所以在排氣中會產(chǎn)生一定的有害成分。和內(nèi)燃機(jī)相比，外燃機(jī)的燃燒是接近于大氣壓的壓力下連續(xù)進(jìn)行的，燃料與空氣的混合良好，而內(nèi)燃機(jī)的間斷燃燒對燃燒反應(yīng)是不利的。由于燃燒室在接近大氣壓條件下，接近于完全燃燒，結(jié)果使排氣中的NOx、CO和碳顆粒很少。

2.3 較高的熱轉(zhuǎn)換效率

外燃機(jī)的效率主要決定于循環(huán)溫度比、工質(zhì)的流阻損失和機(jī)械效率。根據(jù)現(xiàn)有水平，外燃機(jī)的有效效率在32%～38%的范圍內(nèi)，高的可達(dá)40%。

3 系統(tǒng)的熱力性能計(jì)算

3.1 研究對象

本文的研究對象是華北地區(qū)的10 000 m2的6層辦公建筑，磚混結(jié)構(gòu)，建筑物檐高19.8 m，層高3.6 m，坐北朝南，綜合窗墻比為0.21，體形系數(shù)為0.17。[11]

根據(jù)建筑的冷熱電負(fù)荷，由聯(lián)供系統(tǒng)各設(shè)備的性能參數(shù)計(jì)算外燃機(jī)應(yīng)提供的電量和余熱量，得到辦公樓的熱需求和電需求的全年延時曲線如圖2所示。

根據(jù)全年延時曲線，使聯(lián)供系統(tǒng)的驅(qū)動設(shè)備全年中最大化地運(yùn)行在滿負(fù)荷狀態(tài)下，經(jīng)過對負(fù)荷與時間積的最大值的求解，計(jì)算得到點(diǎn)A(1 173，301)和點(diǎn)B(2 088，296)分別為熱電負(fù)荷曲線下的最大面積，因此，在以基荷定容量的設(shè)計(jì)方案中，驅(qū)動裝置在以熱定電模式下的最大回收熱量為301 kW，在以電定熱模式下的最大發(fā)電量為296 kW。本文按照熱需求來配置外燃機(jī)容量。

圖2 辦公樓熱電需要量的全年延時曲線

根據(jù)全年負(fù)荷延時曲線得到A點(diǎn)，此時，熱電聯(lián)供的最大回收熱量為301 kW，由此根據(jù)能量平衡關(guān)系可計(jì)算求得外燃發(fā)電機(jī)容量，如式(1)。

(1)

式中：ηe為外燃機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率，%；ηre為外燃機(jī)發(fā)電機(jī)組熱回收效率，%；ηb為熱交換器換熱效率，%。

由于建筑的最大熱負(fù)荷為1 342kW，因此，外燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的最大余熱量不足以滿足用戶所需的熱負(fù)荷。經(jīng)計(jì)算可知，為滿足熱電聯(lián)供的最大回收熱量，所需外燃發(fā)電機(jī)組的容量為182.4kW，外燃發(fā)電機(jī)組的主要參數(shù)如表1所示，為方便分析，本文假設(shè)設(shè)備在運(yùn)行期間效率不變。根據(jù)計(jì)算，若滿足最大回收熱量則需4臺4R90GZ型燃?xì)馔馊及l(fā)電機(jī)組。

3.2 燃料分析

該系統(tǒng)所采用的秸稈的元素分析及工業(yè)分析如表1和表2所示。

表1 秸稈元素分析

表2 秸稈工業(yè)分析

該系統(tǒng)中，秸稈氣化采用固定床氣化爐，氣化劑為空氣。空氣作為氣化劑所需的設(shè)備少，系統(tǒng)簡單，投資較小，但氣化燃?xì)庵泻獨(dú)獾炔豢扇細(xì)怏w較多，因此熱值較低，秸稈氣化燃?xì)獾某煞旨盁嶂等绫?所示[12]。

表3 秸稈氣化燃?xì)獬煞?/p>

3.3 燃料消耗量及發(fā)電量

計(jì)算模型為本系統(tǒng)為滿足熱用戶及電用戶需求，外燃機(jī)所需的熱量。按照“以熱定電”原則，氣化爐氣化效率為72%[13]，單位時間(1 h)所消耗麥秸的質(zhì)量的計(jì)算公式如下：

Pe=mQarηgηe

(2)

式中：m為秸稈單位時間的消耗量，t；Qar為麥秸的發(fā)熱量，MJ/kg；ηg為氣化爐氣化效率，%；ηe為外燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率，%；Pe為輸出電功率，kW。

由上可得，若滿負(fù)荷發(fā)電1h，秸稈氣化外燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)每小時消耗265.36kg的小麥秸稈，此時的發(fā)電量為200kW·h。

3.4 一次能源利用率

目前，一次能源利用率(PER)是最常用熱力性能評價指標(biāo)，也叫做系統(tǒng)熱效率或總能利用效率[14]。一次能源利用率依據(jù)熱力學(xué)第一定律，根據(jù)熱平衡和熱效率的原則，評價系統(tǒng)的能源有效利用情況。通常來說，一次能源利用率并不區(qū)分電量、熱量和冷量的品質(zhì)。

一般來說，在熱電聯(lián)供系統(tǒng)中一次能源利用率ηPER表示為：

(3)

式中：Pel為聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電量，kW·h；Qheat為聯(lián)供系統(tǒng)供熱量，kW·h；Qin為聯(lián)供系統(tǒng)輸入熱量，kW·h。

(4)

式中：ηex為效率，%；Ew為系統(tǒng)總供電量，kW·h；Eh為系統(tǒng)輸出熱量，kW·h；Qge為燃料總值，kJ。

(5)

式中：T0為低溫?zé)嵩礈囟?環(huán)境溫度)，K；T為高溫?zé)嵩礈囟?，K；Q1為供熱量，kW·h。

(6)

秸稈氣化外燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能效參數(shù)見表4。

表4 熱電聯(lián)供能效參數(shù)

4 內(nèi)燃機(jī)和分供系統(tǒng)計(jì)算

對該10 000 m2建筑進(jìn)行供電與供熱，同樣可用內(nèi)燃機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)和分供系統(tǒng)。內(nèi)燃機(jī)、余熱鍋爐等的參數(shù)如表5所示，內(nèi)燃機(jī)方案的設(shè)備參數(shù)根據(jù)圖2熱、電負(fù)荷全年延時曲線設(shè)計(jì)；熱電分供方案根據(jù)傳統(tǒng)供能形式，設(shè)備容量選擇應(yīng)滿足用戶全部的冷熱電負(fù)荷需求。

表5 設(shè)備系統(tǒng)主要參數(shù)

根據(jù)熱力學(xué)第一定律計(jì)算得到內(nèi)燃機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)和分供系統(tǒng)的一次能源利用率，表6為外燃機(jī)方案、內(nèi)燃機(jī)方案和熱電分供方案的一次能源利用率。

表6 一次能源利用率對比

5 結(jié)論

(1)秸稈氣化外燃機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)的思路新穎，可以解決當(dāng)前生物質(zhì)能利用不充分等問題，該系統(tǒng)是一個節(jié)能高效的供能系統(tǒng)，符合“溫度對口，梯級利用”的原則。

(2)外燃機(jī)因其對燃?xì)獾某煞旨盁嶂颠m應(yīng)性極強(qiáng)，使得低熱值、多焦油的生物質(zhì)氣可以被利用，能夠形成穩(wěn)定的能源供應(yīng)，成功地解決了內(nèi)燃機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)在生物質(zhì)能利用上所出現(xiàn)的問題。

(3)在滿負(fù)荷運(yùn)行時，該系統(tǒng)的熱力性能評價指標(biāo)：一次能源消耗量為3 333.19 MW·h，為 1 762.11 MW·h，一次能源利用率為61.2%，效率為52.9%，表明了秸稈氣化外燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)合理性與可行性。

(4)分析比較三種系統(tǒng)方案，得出分供系統(tǒng)方案的一次能源利用率最低，能源的利用最不充分；內(nèi)燃機(jī)方案的一次能源利用率最高，一次能源被利用的最充分；外燃機(jī)方案的一次能源利用率居中，接近于內(nèi)燃機(jī)方案，表明外燃機(jī)方案的一次能源利用情況比較良好，接近于以內(nèi)燃機(jī)作為原動機(jī)的系統(tǒng)，在能源利用率上接近于目前成熟的分布式能源系統(tǒng)，同時克服了內(nèi)燃機(jī)熱電聯(lián)供的一些不足。

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Design Method and Calculation of External Combustion Engine Cogeneration Based on Straw Gasification

ZHAO Zidong，YAN Weiping，WANG Yupeng

(School of Energy and Power Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In order to use straw gasification gas reasonably and efficiently, some drawbacks and shortcomings of straw gasification internal combustion engine cogeneration are pointed out in this paper. A straw gasification cogeneration system using stirling machine as a prime mover is discussed, which could solve some problems of the low calorific value and high tar of straw gasification gas. At the same time, the calculation for thermodynamic performance of the straw gasification combined heat and power cogeneration system was carried out by using the first and second laws of thermodynamics. The results show that those four sets of 50 kW external combustion engine systems can provide enough heat and electricity for the 10000m26-storey office buildings. When the system is running at full capacity, the primary energy efficiency is better, and is almost close to the internal combustion engine program energy efficiency, which indicates that the external combustion engine cogeneration system is close to the current mature distributed energy systems in energy efficiency.

straw gasification；cogeneration；external combustion engine；thermal performance

馬立新(1960-)，男，教授，從事電能質(zhì)量監(jiān)控與能效測評、電辦系統(tǒng)分析與優(yōu)化運(yùn)行等方向的研究。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.05.010

2016-10-28。

TK6

A

1672-0792(2017)05-0050-05