基于生物质气化的内燃机-吸收式制冷联合冷热电系统分析.pdf

DOI:10.11991/yykj.202210001网络出版地址：https:/ 37%。增大内燃机转速使系统电效率提高 2%，整体冷热电效率为 47%；压缩比的增大使系统电效率提高 1%，冷热电效率几乎不变。降低吸收器工作温度和提高发生器工作温度可增大制冷量并提高制冷性能，效能系数可以达到 77%。整个联合冷热电系统的电效率为 22%，冷热电联合效率可以达到 48%，投资回收期为 34a。关键词：生物质；气化；内燃机；吸收式制冷；联合冷热电系统；经济性；净现值；回收期中图分类号：TK6文献标志码：A文章编号：1009671X(2023)04010306Performance analysis of a combined cooling heating and power system withICE and absorption chiller based on biomass gasificationJIAJunxi,TANGRuifengCollegeofPowerandEnergyEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,ChinaAbstract:Powergenerationtechnologybyrenewableenergyisoneoftheeffectivewaystosolvetheproblemsofenergyshortageandenvironmentalpollution.Thispaperproposesacombinedcooling,heatingandpower(CCHP)systembasedonbiomassgasification.Thesyngasisusedasfuelandthepowerisgeneratedbyinternalcombustionengine(ICE).Inordertoimprovetheleveloffuelutilization,thelowtemperaturewasteheatofICEisrecoveredbyabsorptionrefrigerationandheatrecoveryunittosupplydomestichotwater.Thegasificationfurnacemodelhastakenaccountofpyrolysis,reductionandoxidationreactions,andtheinternalcombustionenginemodelhastakenaccountofthepressureandtemperatureinthecylinderchangingwiththerotationangle.Forthesingle-effectlithiumbromide-waterabsorptionrefrigerationunit,theinfluenceoftheworkingtemperatureofthegeneratorandabsorberontherefrigerationcapacityisstudied.Theresultsshowthatthethermalefficiencyof37%couldbeachievedbyusingsyngasasfuelinICE.Theelectricalefficiencyisincreasedby2%andtotalefficiencyis47%astheenginerotationspeedincreases.ThehighercompressionratioofengineimprovestheproductionofpoweroftheCCHPsystemby1%,whilethe efficiency of cold,heat and electricity is almost constant.Reducing the working temperature of absorber andincreasingtheworkingtemperatureofgeneratorcanincreasetherefrigerationcapacityandimprovetherefrigerationperformance,andtheefficiencycoefficientcanreach77%.TotalCCHPcanachieveanelectricalefficiencyof22%.Thecombinedefficiencyofcooling,heatingandpowercanreach48%.Thepaybackperiodis34years.Keywords:biomass;gasification;internalcombustionengine;absorptionrefrigeration;combinedcoolingheatingandpowersystem;economic;netpresentvalue;paybackperiod联合冷热电(combinedcoolingheatingandpower，CCHP)系统是一种减少能源消耗及降低碳排放的有效能量利用方式1。这种系统已经被广泛应用于居民区、大学、机场、医院等场所。其能量来源的灵活性使其可以将可再生能源与能源转化和储存技术联合起来。基于可再生能源中生物质能转化与利用的发收稿日期：20221005.网络出版日期：20230607.作者简介：贾俊曦，男，讲师，博士.通信作者：贾俊曦，E-mail：.第50卷第4期应用科技Vol.50No.42023年7月AppliedScienceandTechnologyJul.2023电、制冷及余热利用的 CCHP 系统已经被广泛提出和研究2。这些研究关注于不同生物质转化方式下的 CCHP 系统。目前生物质转化方式主要有燃烧、气化、热解、生物化学和化工过程转化，其中气化的方式可以处理低品位的生物质，与直接燃烧方式相比，生物质气化技术在发电方面扩大了燃料的使用范围。实现生物质气化的设备包括固定床气化炉（上吸式和下吸式）及流化床气化炉。与上吸式和流化床气化炉相比，下吸式气化炉可以产生更高品质的燃气，而且维护费用更低3。生物质气化发电可以采用蒸汽轮机、有机朗肯循环、内燃机、微型燃气轮机和燃料电池等装置4。尽管微型燃气轮机、燃料电池的发电方式电效率更高，但是内燃机发电方式由于其投资少、技术成熟，在 301000kW 的小型生物质气化发电系统中得到了广泛应用5。发电效率的高低对于内燃机当然重要，但是对于 CCHP 系统而言，有效的余热利用也很重要，因为这可以提高燃料的整体利用水平67。本文以生物质气化气为燃料，以四冲程内燃机为发电装置，余热回收采用吸收式冷制和热水换热器来收集能量，设计了内燃机吸收式 CCHP 系统，并对其进行了热力学和经济性分析。1内燃机吸收式制冷 CCHP 系统本文研究的 CCHP 系统如图 1 所示，图 1 中数字代表工质流动节点及节点。该系统由生物质气化炉及净化单元、内燃机、吸收式制冷单元及热水桶组成。生物质在气化炉中进行空气气化，生成的气体经净化单元处理进入储气桶供内燃机使用。气体进入内燃机燃烧做功后，其尾气仍具有较高温度，此余热可将环境温度下的给水加热，热水进入水桶，一部分对外提供热水，另一部分作为吸收式制冷单元的高温热源，为制冷系统提供热量，由制冷单元的蒸发器对外提供所需要的制冷量。内燃机234冷凝器(c)换热器储气桶热水桶2423111082275614151920131612172118内燃机冷凝器(c)换热器储气桶热水桶内燃机冷凝器(c)换热器储气桶热水桶she内燃机发生器(g)换热器储气桶热水桶生物质 1净化单元气化炉9吸收器(a)蒸发器(e)冷凝器(c)尾气空气热水给水空气图1内燃机吸收式制冷 CCHP 系统2各部件数学模型为了研究 CCHP 系统的整体性能，分别建立了下吸式气化炉、四冲程内燃机、吸收式制冷的数学模型。2.1下吸式气化炉沿着燃料流动的方向将气化炉分为热解氧化区和还原区。根据质量守恒、能量守恒和化学反应原理可建立守恒方程8。在热解氧化区，生物质经过干燥和空气气化后生成合成气：CHaObNc+wlH2O(l)+m(O2+3.76 N2)=x1H2+x2CO+x3CO2+x4H2O+x5CH4+x6N2+x7CC+2H2 CH4CO+H2OCO2+H2此区域考虑的化学反应为碳反应和置换反应。C+CO2 2CO C+H2OCO+H2C+2H2 CH4CH4+H2O 3H2+CO还 原 区 的 化 学 反 应 为 碳 的 还 原 反 应、及已生成的甲烷的重整反应。由化学反应引起的控制体内 6 种气体成分的质量平衡为nki=nk1i+RkiVknkiRkiV式中：为成分 i 的物质的量流动率，mol/s；为第 k 个控制体的体积气体 i 的净生成率；为控制体的体积，详细公式参见文献 9。控制体内的能量守恒方程为104应用科技第50卷6i=1nk1iHk1i+nk17Cp,C(Tk1T0)+mashCp,ash(Tk1T0)=6i=1nkiHki+nk7Cp,C(TkT0)式中：hi为气体成分 i 的焓值，J/mol；Cp,C为焦炭的比定压热容，J/(kgK)；Cp,ash为灰分的比定压热容，J/(kgK)；mash为灰的质量；T 为第 k 个控制体的温度；T0为环境温度。由质量守恒和能量守恒方程可以得出气化炉内气体温度和气体成分10。2.2四冲程内燃机为建立内燃机转角与气缸内压力温度的关系，根据曲轴半径 R、连杆长度 L、气缸孔径 B 及与气缸体积 V 的关系得出1112：dVd=B24(Rsin+R2sincosL2R2sin2)(1)根据理想气体状态方程和质量守恒方程可得缸内压力 P 与转角 的关系：dPd=(PV)dVd+(PT)dTd(2)生物质气化后生成的合成气喷入气缸内燃烧，生成高温高压气体推动活塞做功，同时部分热量通过气缸壁以对流换热的方式散失到环境中：dTd=T(1)1PV(mfuelLHV dxbd)dQwalld1V(dVd)(3)联立求解式(1)(3)可得出内燃机缸内参数随转角变化的数值。内燃机整体的能量守恒方程为Qcomb=Qcool+Qexhaust+PICE+Qloss式中：Qcomb为燃料放热量，Qexhaust为内燃机排气热量，PICE为内燃机做功，Qloss为不可回收热损失。2.3单效溴化锂水吸收式制冷本文采用单效溴化锂水吸收式制冷来回收余热。其主要部件包括发生器、蒸发器、冷凝器、吸收器及溶液换热器，如图 1 所示。吸收剂是溴化锂，制冷剂是水。根据能量守恒和质量守恒，可以列出各个部件的方程13。发生器的质量守恒方程为m14=m15+m18能量守恒方程为Qg=m15h15+m18h18m14h14蒸发器的质量守恒方程为m20=m21能量守恒方程为Qe=m21h21m20h20COP吸收式制冷效能系数(coefficientofperformance，COP)为制冷量 Qe与吸热量 Qg的比值：COP=Qe/Qg2.4系统性能模型QcoolingQe系统的冷负荷为蒸发器传热量：Qcooling=QeQheating系统的热负荷为提供的热水的热量，给水的入口温度为 25，出口水温为 60：Qheating=n9(h9h7)elCCHP 系统的电效率为el=PICE mbiomassHlow,bio mbiomassHlow,bio式中：PICE为内燃机功率；为生物质燃料流量，kg/s；为生物质低位发热量，J/kg。CCHP整体效率为CCHP=Qcooling+Qheating+PICE mbiomassHlow,bioVNP对系统进行经济性分析时，净现值（netpresentvalue，NPV）为VNP=C0+nk=1Ck(1+r)k式中：C0为初投资，r 为利率，Ck为年收入，n 为服务年限。当净现值为零时，对应的时间为投资回收期。3计算结果及分析3.1数学模型验证为验证模型的准确性，将本文各部件的计算结果和其他实验数据对比，如表 1 所示，模型计算和对比文献吻合良好，可以用来进行系统分析。表1数学模型的验证成分体积分数/%参数本文文献15本文文献14CO21.8319.6Qg/kW259.45246.21H220.3017.2Qc/kW213.56206.15CO28.269.9Qa/kW247.47241.34CH41.01.4Qe/kW201.29201.29N248.6151.9COP0.770.813.2热力学结果及分析表 2 给出了计算时的工作参数和设计参数。第4期贾俊曦，等：基于生物质气化的内燃机吸收式制冷联合冷热电系统分析105表2计算设定参数参数数值生物质湿度0.15生物质成分文献8气化剂空气气化炉尺寸文献14内燃机冲程/mm88.4气缸直径/mm101.6气缸数8给水水温/25热水温度/60制冷系统高压侧压力/Pa7300制冷系统低压侧压力/Pa991.75溶液换热器效能系数0.64排气温度/130图 2 给出了转速对内燃机功率、冷却水系统、尾气及不可回收部分比例的影响。增加转速减少了完成热力循环需要的时间，使燃气向气缸壁传热的时间减少，因此内燃机冷却系统的比例下降；同时增加转速使输出功率份额和尾气份额增加。在高转速区域，由于活塞与气缸壁的摩擦增加，燃料中转化为输出功的份额减少，不可回收损失增加。总体而言，内燃机热效率可达到 37%。510152025303540123456输出功率冷却水套排气不可回收损失输入能量分配比例/%转速/103(r/min)图2转速对内燃机能量分配的影响图 3 给出了转速对系统冷热电输出的影响，图 4 给出了转速对系统电效率和整体效率的影响。提高转速相当于增加了燃料流量，冷热电输出都得到提高，在转速为 4000r/min 时，整体电效率最高，为 21%。由于采用了余热利用系统，尽管内燃机的冷却系统和尾气排放份额变化趋势不同，但总体的冷热电效率为 47%48%。0100200300400500600700发电量制热量制冷量系统能量输出/kW123456转速/103(r/min)图3转速对 CCHP 输出的影响19.9920.7420.9721.0220.9720.8748.3848.2248.0147.7847.5347.280204060系统效率/%系统电效率冷热电总效率123456转速/103(r/min)图4转速对 CCHP 效率的影响压缩比的提高可以增大内燃机热效率。本文对转速为 4000r/min，压缩比在 812 变动时的内燃机性能进行了计算。图 5 给出了压缩比对内燃机内能量分配的影响，图 6 给出了压缩比对系统效率的影响。压缩比从 8 提高到 12 后，内燃机热效率从 35.97%提高到 37.51%，CCHP 系统电效率提高 1%，达到 22%，整体的冷热电效率几乎不变。1015202530354089101112压缩比能量分配比例/%输出功率冷却水套尾气不可回收损失图5压缩比对内燃机内能量分配的影响21.0221.3921.6521.8221.9247.7847.7847.7747.7747.75010203040506089101112效率/%压缩比系统电效率冷热电总效率图6压缩比对 CCHP 效率的影响表 3 给出了制冷单元中的吸收器(a)，冷凝器(c)，蒸发器(e)，发生器(g)，溶液换热器(she)的传热率数值，N=4000r/min，压缩比为 10。计算结果表明，当 Tg=85 并且 Ta=35 时，单效吸收式制冷的 COP 为 77.17%。表3制冷单元计算结果参数数值Qa/kW294.52Qc/kW253.31Qe/kW238.62Qg/kW309.21Qshe/kW68.40COP/%77.17图 7 给出了发生器和吸收器工作温度温度对COP 的影响。当 Tg=90并且 Ta=30 时，最大制冷量可达 251kW，COP 可达 81.13%，CCHP 效率从 47.77%提高到 48.36%。当 Tg降低到 80并且 Ta升高到 40，COP 急剧降低到 51%。同106应用科技第50卷时，当发生器温度较低时，COP 随着吸收器工作温度升高而降低的程度更剧烈。Ta同样从 30升高到 40，COP 在 Tg=90 时仅降低 6%，而在 Tg=80 降低了 28%。14016018020022024026030 31 32 33353436 37 38 39 40制冷量/kW吸收器温度/80 85发生器温度发生器温度发生器温度 90图7发生器和吸收器工作温度对制冷量的影响3.3经济性分析在热力学分析基础之上，采用 NPV 方法对CCHP 系统进行经济性分析，每千瓦参数设定如表 45。表4经济性分析参数设定参数数值参数数值气化炉价格/(元/kW)2500ICE价格/(元/kW)4800制冷价格/(元/kW)1200气水换热器/(元/kW)400水桶价格/(元/kW)200水水换热器/(元/kW)210利率/%7年工作时间/h6000服务年限/a20维护/总投资/%2.5生物质价格/(元/kg)0.50冷价/元/(kWh)0.45电价/元/(kWh)1.05热价/元/(kWh)0.50图 8 给出了经济性分析的关键指标投资回收期与转速的关系。转速增加或者负荷增大后，系统输出功率增大，整体收入增加，转速大于 3000r/min后，投资回收期小于 5a；转速大于 4000r/min后，投资回收期的减小程度较小，介于 23a。0510152025投资回收期/a123456转速/103(r/min)图8转速对 CCHP 投资回收期的影响4结论本文对一个基于生物质气化的内燃机-吸收式制冷 CCHP 系统进行了热力学和经济性研究，分析了一些参数对整体性能的影响。主要结论如下：1)内燃机转速增大提高了其输出功率和热效率，冷却系统所占燃料份额下降，尾气所占份额提高，最终导致 CCHP 系统电效率提升 2%，整体冷热电效率为 47%左右。2)增 大 内 燃 机 的 压 缩 比 使 其 热 效 率 提 高1%左右，CCHP 系统电效率增大 1%，整体冷热电效率几乎不变。3)提高吸收式制冷发生器工作温度或降低蒸发器温度可以提高制冷量和 COP，本文中，当其温度高于 85 时，COP 大于 0.77。4)整体而言，本文的内燃机热效率可达 37%，CCHP 电效率为 22%，冷热电效率可达 48%，投资回收期为 34a。影响整体电效率的原因可能在于生物质气化后的高温燃气在清洁和冷却过程中损失能量较多，限于篇幅本文没有讨论。下一步研究可在此环节加装换热器或其他热机来获取热量或做功，提高整体系统的电效率、总效率及经济性。参考文献：WANGJiangjiang,HANZepeng,GUANZhimin.Hybridsolar-assisted combined cooling,heating,and powersystems:a reviewJ.Renewable and sustainable energyreviews,2020,133:110256.1SEGURADOR,PEREIRAS,CORREIAD,etal.Techno-economic analysis of a trigeneration system based onbiomassgasificationJ.Renewableandsustainableenergyreviews,2019,103:501514.2BASUP.Biomassgasification,pyrolysisandtorrefactionM.Amsterdam:Elsevier,2013:87145.3赵展,齐秀龙,刘晓东,等.生物质气化燃料电池发电系统性能分析 J.可再生能源,2011,29(6):115120,124.4WANGJiangjiang,MAOTianzhi,SUIJun,etal.Modelingand performance analysis of CCHP(combined cooling,heatingandpower)systembasedonco-firingofnaturalgasand biomass gasification gasJ.Energy,2015,93:801815.5夏军宝,李毅,黎春梅,等.溴化锂冷水机组在水下航行器中的性能研究 J.应用科技,2020,47(4):8894.6张垚,张世双,姜曙,等.利用发动机余热驱动的汽车制冷空调系统 J.节能,2022,41(9):3032.7赵展,刘晓东,姜雪,等.生物质气化过程热力学模型分析 J.应用科技,2011,38(7):4448.8JIA Junxi,SHU Lingyun,ZANG Guiyan,et al.Energyanalysis and techno-economic assessment of a co-9第4期贾俊曦，等：基于生物质气化的内燃机吸收式制冷联合冷热电系统分析107gasificationofwoodybiomassandanimalmanure,solidoxide fuel cells and micro gas turbine hybrid systemJ.Energy,2018,149:750761.ZANGGuiyan,JIAJunxi,SHIYunye,etal.Modelingand economic analysis of waste tire gasification influidizedandfixedbedgasifiersJ.Wastemanagement,2019,89:201211.10刘永长.内燃机原理 M.武汉:华中科技大学出版社,2001:258.11FERGUSON C R,KIRKPATRICK A T.Internalcombustion engines:applied thermosciencesM/OL.(2020-09-04).John Wiley&Sons Ltd.DOI:10.112002/9781119454564.DINER İ,KANOLU M.Refrigeration systems andapplicationsM.2nded.Chichester:Wiley,2010.13JAYAH T H,LU Aye,FULLER R J,et al.ComputersimulationofadowndraftwoodgasifierforteadryingJ.BiomassandBioenergy,2003,25(4):459469.14RUBIO-MAYAC,PACHECO-IBARRAJJ,BELMAN-FLORESJM,etal.NLPmodelofaLiBrH2Oabsorptionrefrigeration system for the minimization of the annualoperatingcostJ.Appliedthermalengineering,2012,37:1018.15本文引用格式：贾俊曦,唐锐锋.基于生物质气化的内燃机吸收式制冷联合冷热电系统分析 J.应用科技,2023,50(4):103108.JIAJunxi,TANGRuifeng.PerformanceanalysisofacombinedcoolingheatingandpowersystemwithICEandabsorptionchillerbasedonbiomassgasificationJ.Appliedscienceandtechnology,2023,50(4):103108.(上接第 52 页)LIYang,LVKefeng,CHENLiuli,etal.ExperimentsandanalysisonLBEsteadynaturalcirculationinarectangularshape loopJ.Progress in nuclear energy,2015,81:239244.7BORGOHAINA,SRIVASTAVAAK,JANASS,etal.NaturalcirculationstudiesinaLBEloopforawiderangeoftemperatureJ.Nuclearengineeringanddesign,2016,300:358375.8朱锋杰,武俊梅,石磊太,等.环形通道内液态铅铋合金流动换热特性实验研究 J.原子能科学技术,2019,53(5):819825.9孙畅,焦守华,柴翔,等.基于 CFD 方法的铅铋冷却燃料棒束的热工水力特性分析 J.原子能科学技术,2020,54(8):13861394.10SHILeitai,SUGH,ZHUFengjie,etal.ExperimentalstudyonthenaturalcirculationcapabilityandheattransfercharacteristicofliquidleadbismutheutecticJ.Progress11innuclearenergy,2019,115:99106.CHENG Xu,TAK N I.Investigation on turbulent heattransfertolead-bismutheutecticflowsincirculartubesfornuclearapplicationsJ.Nuclearengineeringanddesign,2006,236(4):385393.12WULei,LIUYang,JIAHaijun,etal.Innovativeflow-resistance performance in the single-phase naturalcirculation loop and relevant experiment verificationJ.Internationaljournalofheatandmasstransfer,2017,107:6673.13CHIKAZAWAY,KONOMURAM,MIZUNOT,etal.Aconceptual design study of a small natural convectionlead-bismuth-cooled reactor without refueling for 30yearsJ.Nucleartechnology,2006,154(2):142154.14朱继洲,俞保安.压水堆核电站的运行 M.北京:原子能出版社,1982.15彭晶.基于子通道程序的快堆换料过程堆芯热工计算 D.北京:华北电力大学,2021.16本文引用格式：王舒婷,匡波,王欣.液态铅铋合金自然循环实验与数值模拟 J.应用科技,2023,50(4):4453,108.WANGShuting,KUANGBo,WANGXin.Experimentandnumericalsimulationonthenaturalcirculationofliquidlead-bismutheutecticalloysJ.Appliedscienceandtechnology,2023,50(4):4453,108.108应用科技第50卷