閆志全， 顧新壯， 賈 騰

(1. 深圳中科欣揚(yáng)生物科技有限公司， 廣東深圳 518118； 2. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200240)

我國農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)林生物質(zhì)資源較為豐富，以北方地區(qū)為例，可利用的農(nóng)田生物質(zhì)資源為玉米和小麥秸稈等燃料，可利用的林業(yè)生物質(zhì)資源為樹皮和木屑等燃料。農(nóng)林生物質(zhì)原料的利用和處理一方面可以降低其堆積成本和儲(chǔ)存壓力[1]，另一方面可以減少部分化石燃料的使用，進(jìn)而降低CO2等溫室氣體的排放[2]。因此，開展農(nóng)林生物質(zhì)資源的研究可以助力于我國北方農(nóng)村清潔取暖以及“碳中和”等政策的實(shí)施。

目前，國內(nèi)外關(guān)于生物質(zhì)原料利用方式的研究集中在氣化冷熱電聯(lián)供方面，該方式具有較高的能源利用率、CO2氣體減排率等優(yōu)勢。相關(guān)研究主要集中在系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究、性能評(píng)估及運(yùn)行優(yōu)化等方面。韋昊函等[3]設(shè)計(jì)并搭建了基于固定床氣化爐和斯特林機(jī)的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，采用楊木塊作為單一生物質(zhì)燃料開展實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明系統(tǒng)最大發(fā)電功率和效率分別為44 kW和61%。賴凱等[4]提出了一種基于紅木屑原料的氣化多聯(lián)供系統(tǒng)，該系統(tǒng)的最大功率、制冷量和制熱量分別為12 kW、21.9 kW和2.5 kW，并對(duì)系統(tǒng)的能源經(jīng)濟(jì)性和碳排放特性進(jìn)行了分析和評(píng)估。牛永紅等[5]開展了以松木屑為燃料的氣化系統(tǒng)性能優(yōu)化研究，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度由700 ℃升高到900 ℃時(shí)，H2的體積分?jǐn)?shù)增加了50%。綜上所述，多數(shù)氣化冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)采用單一生物質(zhì)原料，一方面考慮到不同的農(nóng)林生物質(zhì)原料的儲(chǔ)放周期一般為半年到一年[6]，北方農(nóng)村地區(qū)仍存在著多種生物質(zhì)原料摻混燃燒的生活方式；另一方面，不同類型的生物質(zhì)原料成分和熱值有所差異，導(dǎo)致氣化冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的功率、制冷量和制熱量不同[7]，因此有必要選取多種典型的農(nóng)林生物質(zhì)原料，進(jìn)行不同摻混比下的氣化冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)性能分析。

筆者比較和分析了玉米芯、麥秸和樹皮3種典型生物質(zhì)原料摻混比對(duì)氣化冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)性能的影響，并以多種性能評(píng)估指標(biāo)作為參考，對(duì)不同應(yīng)用場景下的生物質(zhì)原料摻混比決策提出相應(yīng)的建議，有助于拓展生物質(zhì)原料的應(yīng)用場景，提高其利用價(jià)值。

1 系統(tǒng)原理

我國北方農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)作物主要以玉米和小麥等為主，同時(shí)考慮到對(duì)較為豐富的廢棄林業(yè)生物質(zhì)燃料的再利用，選取玉米芯、麥秸和樹皮3種典型生物質(zhì)原料進(jìn)行研究。氣化冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 氣化冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)原理圖

3種生物質(zhì)原料在不同的摻混比下經(jīng)過料斗和粉碎造粒機(jī)制備成形狀和尺寸相接近的顆粒燃料。顆粒燃料在自身水分和空氣中O2的共同作用下進(jìn)行高溫氣化反應(yīng)，并產(chǎn)生用于燃燒的合成氣以及排出氣化爐外的廢渣。合成氣經(jīng)過過濾器過濾掉部分雜質(zhì)后再被送入內(nèi)燃機(jī)燃燒，從而推動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，同時(shí)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生高溫?zé)煔夂透滋姿雀碑a(chǎn)品。

單級(jí)溴化鋰機(jī)組原理如圖2所示,其中1～9為各點(diǎn)序號(hào)。單級(jí)溴化鋰機(jī)組的另一側(cè)連接有冷卻水和冷凍水，冷卻水進(jìn)出吸收器以冷卻溴化鋰溶液，泵將冷卻后的溴化鋰溶液經(jīng)過溶液換熱器送入發(fā)生器；內(nèi)燃機(jī)出口的高溫?zé)煔膺M(jìn)出發(fā)生器以加熱其內(nèi)液體，加熱后產(chǎn)生濃溴化鋰溶液和水蒸氣，濃溴化鋰溶液通過溶液換熱器和節(jié)流閥返回吸收器，水蒸氣經(jīng)過冷凝器和節(jié)流閥冷凝為水，然后進(jìn)入蒸發(fā)器完成蒸發(fā)制冷過程。

圖2 單級(jí)溴化鋰機(jī)組原理圖

高溫?zé)煔庥射寤嚢l(fā)生器出口進(jìn)入換熱器1加熱補(bǔ)充水后經(jīng)凈化再被排入空氣中。從內(nèi)燃機(jī)出口的高溫缸套水經(jīng)過換熱器2，加熱補(bǔ)充水，從而制取另一部分生活熱水，并被收集在熱水箱中，再為日常生產(chǎn)及生活供熱。

2 系統(tǒng)模型

2.1 氣化爐

3種生物質(zhì)原料的組分和熱值分析[8]見表1～表3，其中Qar,net為低位熱值。

表1 玉米芯的元素組分及熱值分析

表2 麥秸的元素組分及熱值分析

表3 樹皮的元素組分及熱值分析

式(1)為經(jīng)過粉碎造粒機(jī)制備的顆粒燃料在自身水分和空氣中O2的共同作用下發(fā)生氣化反應(yīng)的化學(xué)方程式[9]。

CaHbOcNdSe+f(O2+3.76N2)+gH2O=

ns(φ1H2+φ2CO+φ3CO2+φ4H2O+φ5CH4+

φ6N2+φ7NO2+φ8SO2)+ncharCchar

(1)

式中：CaHbOcNdSe為生物質(zhì)原料的分子式，可根據(jù)表1～表3中的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算；f為參與反應(yīng)的空氣的摩爾數(shù)，mol/s；g為參與反應(yīng)的水分的摩爾數(shù)，可根據(jù)表1～表3中的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，mol/s；ns為生成的合成氣的摩爾數(shù)，mol/s；φ1～φ8分別為各氣體的體積分?jǐn)?shù)，其中經(jīng)過凈化和環(huán)保處理后的合成氣中NO2和SO2的體積分?jǐn)?shù)可以忽略不計(jì)，%；Cchar為氣化過程中產(chǎn)生的焦炭；nchar為焦炭的摩爾數(shù)，mol/s。

式(2)為氣化反應(yīng)中反應(yīng)物和生成物的能量守恒方程式[10]。

(2)

氣化反應(yīng)過程中的反應(yīng)物和生成物存在如下可逆反應(yīng)[10]：

(3)

(4)

氣化過程中參與反應(yīng)的O2摩爾數(shù)決定了合成氣中各氣體成分的體積分?jǐn)?shù)。因此，采用當(dāng)量比來描述參與反應(yīng)的O2摩爾數(shù)與完全燃燒所需要O2的摩爾數(shù)之比[9]：

(5)

式中：Eer為當(dāng)量比；a、b和c分別為式(1)中C、H、O元素的原子個(gè)數(shù)。

通常使用合成氣的低位熱值和冷煤氣效率來評(píng)估氣化爐的性能[11]：

Qsg=0.108φ1+0.126φ2+0.359φ5

(6)

(7)

式中：Qsg為合成氣的低位熱值，MJ/m3；ηCGE為冷煤氣效率，%；qV,sg為合成氣的體積流量，m3/s；qm,bio為單位生物質(zhì)原料的消耗量，kg/h；Qbio為摻混后的生物質(zhì)原料的低位熱值，可根據(jù)表1～表3中的數(shù)值計(jì)算得到，MJ/kg；Qair為進(jìn)入氣化爐內(nèi)的熱空氣的熱流量，MJ/s。

2.2 內(nèi)燃機(jī)

內(nèi)燃機(jī)通常以天然氣作為輸入能源，本研究以氣化爐產(chǎn)生的合成氣作為替代能源，以天然氣熱值為基準(zhǔn)的不同合成氣熱值下內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電效率[12]為：

(8)

以天然氣熱值為基準(zhǔn)的不同合成氣熱值下內(nèi)燃機(jī)的煙氣溫度[12]為：

0.070 7×EICE+758.33)

(9)

式中：Teg為內(nèi)燃機(jī)出口的煙氣溫度，K。

煙氣的主要成分為CO2、H2O、N2和O2等氣體，其摩爾數(shù)分別見式(10)～式(13)：

nCO2=ns×(φ2+φ3+φ5)

(10)

nH2O=ns×(φ1+φ4+2φ5)

(11)

nN2=ns×φ6+λ×3.76×nO2,R

(12)

nO2=λ×(λ-1)×nO2,R

(13)

式中：nCO2、nH2O、nN2和nO2分別為煙氣中CO2、H2O、N2和O2的摩爾數(shù)，mol/s；λ為空氣過量系數(shù)；nO2,R為合成氣完全燃燒時(shí)所需O2的摩爾數(shù)，mol/s。

(14)

式中：Ah、ah,j和bh為焓值的相關(guān)系數(shù)；下標(biāo)j=1、2、3、4表示煙氣中CO2、H2O、N2和O24種成分。

不同合成氣熱值和功率下內(nèi)燃機(jī)缸套水的余熱[12]為：

Qjw=(0.103+0.354×0.905EICE)qV,sgQsg

(15)

式中：Qjw為內(nèi)燃機(jī)缸套水的余熱，kW。

2.3 溴化鋰機(jī)組

由圖2可知，低濃度LiBr溶液在發(fā)生器內(nèi)被加熱后變成蒸汽和高濃度LiBr溶液，由質(zhì)量平衡和能量平衡[14]可得：

qm,3=qm,4+qm,7

(16)

qm,3w3=qm,7w7

(17)

qm,3(1-w3)=qm,4(1-w4)+qm,7(1-w7)

(18)

qm,3h3-qm,4h4-qm,7h7+Qge=0

(19)

式中：qm為圖2中各點(diǎn)的質(zhì)量流量，kg/s；w為各點(diǎn)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；h為各點(diǎn)的焓值，J/kg；Qge為發(fā)生器內(nèi)的傳熱率，kW。

其余部件的能量平衡方程式[14]為：

Qe=qm,9(h10-h9)

(20)

Qc=qm,7(h7-h8)

(21)

Qa=qm,10h10+qm,6h6-qm,1h1

(22)

qm,1(h3-h2)=qm,4(h4-h5)

(23)

h2=h1+W

(24)

式中：Qe、Qc和Qa分別為蒸發(fā)器、冷凝器和吸收器的傳熱率，kW；W為泵的功率，W。

2.4 換熱器

由圖1可知，換熱器1和換熱器2的換熱量分別為：

cp,wqm,r(Tt-Tr)=ηhx1qm,eg(hegin-hegout)

(25)

cp,wqm,q(Tt-Tq)=ηhx2qm,jw(hjwin-hjwout)

(26)

式中：cp,w為補(bǔ)充水的比熱容，J/(kg·K)；qm,r為補(bǔ)充水質(zhì)量流量，kg/s；qm,eg為煙氣質(zhì)量流量，可由式(10)～式(13)及各氣體成分的摩爾質(zhì)量計(jì)算得到，kg/s；ηhx1、ηhx2分別為換熱器1和換熱器2的換熱效率，%；qm,jw為缸套水質(zhì)量流量，kg/s；hegin和hegout分別為換熱器1進(jìn)出口煙氣的焓值，J/kg；hjwin和hjwout分別為換熱器2進(jìn)出口缸套水的焓值，J/kg;Tq為換熱器2出口溫度，K；Tt為熱水箱進(jìn)口溫度，K。

2.5 性能評(píng)估指標(biāo)

表4分別描述了不同生物質(zhì)原料的單價(jià)以及當(dāng)量CO2氣體排放率[15-17]。

(27)

表4 3種生物質(zhì)原料的單價(jià)及當(dāng)量CO2氣體排放率

(28)

式中：ηpe、ηex分別為氣化冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的能源效率和效率，%；QH和QC分別為系統(tǒng)的制熱量和制冷量，kW；T0、Th和Tc分別為環(huán)境溫度、熱水溫度和冷凍水溫度，K；β為生物質(zhì)原料系數(shù)；wW和wA分別為摻混后的生物質(zhì)原料中水分和灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可由表1～表3中的數(shù)值計(jì)算得到，%；eW和eA分別為摻混后的生物質(zhì)原料中水分和灰分的值，kJ/kg。

2.6 計(jì)算流程

不同摻混比下生物質(zhì)原料氣化冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的計(jì)算流程如圖3所示，其中COP為性能系數(shù)；摻混比B=qm,cc∶qm,ws∶qm,b，qm,cc、qm,ws和qm,b分別為玉米芯、麥秸和樹皮的消耗量；Cbio為運(yùn)行成本。

圖3 不同生物質(zhì)原料摻混比下氣化冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)計(jì)算流程圖

采用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。首先，需要輸入氣化爐進(jìn)料的元素組分及熱值等參數(shù)，并設(shè)定內(nèi)燃機(jī)、溴化鋰機(jī)組和換熱器等部件的設(shè)計(jì)參數(shù)。其次，選取B=5∶5∶5典型摻混比作為分析對(duì)象，以ηCGE最大為運(yùn)行目標(biāo)，以確定最佳的Eer值。為方便分析摻混比對(duì)系統(tǒng)性能的影響，選定麥秸(qm,ws=5 kg/h)為定量參考，然后以玉米芯與麥秸的消耗量之比Bcw=qm,cc∶qm,ws由1∶5增加到10∶5以及樹皮與麥秸的消耗量之比Bbw=qm,b∶qm,ws由1∶5增加到10∶5進(jìn)行不同摻混比下合成氣熱值的正交化模擬，并根據(jù)最大合成氣熱值以及表4中生物質(zhì)原料的最低運(yùn)行成本和最小當(dāng)量CO2氣體排放率等3種角度各選取3組典型摻混比進(jìn)行系統(tǒng)的性能分析。最后，在系統(tǒng)綜合性能評(píng)估指標(biāo)的基礎(chǔ)上，分析3種典型摻混比及對(duì)照組的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出不同應(yīng)用場景內(nèi)下?lián)交毂鹊臎Q策建議。

3 結(jié)果與討論

3.1 誤差分析

在進(jìn)行不同摻混比下生物質(zhì)原料氣化冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)模擬前，需對(duì)系統(tǒng)的部件進(jìn)行誤差分析，圖4和圖5分別為氣化爐和溴化鋰機(jī)組模擬數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的誤差分析。

圖4 合成氣中各氣體體積分?jǐn)?shù)的誤差分析

圖5 溴化鋰機(jī)組制冷量和COP的誤差分析

圖4中文獻(xiàn)[11]和模擬數(shù)據(jù)選取的生物質(zhì)原料為餐余垃圾，設(shè)定的空氣當(dāng)量比為0.26，合成氣中H2、CO、CO2、H2O和N2的體積分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[11]的相對(duì)誤差分別為7.34%、9.74%、-4.7%、12.97%和-3.47%；其中，兩者的CH4體積分?jǐn)?shù)均較低，分別為0.20%和0.33%。由圖5可知，隨著蒸發(fā)溫度的升高，溴化鋰機(jī)組制冷量和COP的誤差分別控制在10%和12%以內(nèi)，COP誤差較大的原因?yàn)椴捎妹绹膳?，制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)(ASHRAE)與正交回歸法等方法計(jì)算溴化鋰水溶液平衡方程結(jié)果的準(zhǔn)確度存在差異[19]。

3.2 不同摻混比下的氣化特性分析

為確保后續(xù)開展不同摻混比下氣化工況的穩(wěn)定性研究，即生物質(zhì)原料的消耗量和空氣的進(jìn)氣量需基本保持穩(wěn)定，在吹風(fēng)機(jī)頻率保持一定時(shí)，對(duì)不同摻混比下的最佳空氣當(dāng)量比進(jìn)行近似確定。圖6中選取B=5∶5∶5摻混比的生物質(zhì)原料作為氣化爐的進(jìn)料，并分析了當(dāng)量比對(duì)該摻混比的生物質(zhì)原料合成氣體積分?jǐn)?shù)、反應(yīng)溫度和冷煤氣效率的影響。當(dāng)量比由0.075增加到0.5時(shí)，由式(5)可知，參與反應(yīng)的O2量也逐漸增加，促進(jìn)了氣化爐的氣化反應(yīng)，因此，反應(yīng)溫度由754.8 K升高到1 308 K。由于空氣中的N2不參與反應(yīng)，隨著當(dāng)量比的增加，其體積分?jǐn)?shù)由20.34%升高到52.03%。由式(6)可知，合成氣的熱值取決于CO、H2和CH4等氣體的體積分?jǐn)?shù)；當(dāng)量比由0.075增加到0.25時(shí)，O2的增加對(duì)氣化反應(yīng)中合成氣熱值的增強(qiáng)效應(yīng)大于N2體積分?jǐn)?shù)上升對(duì)合成氣熱值的抑制效應(yīng)，因此CO和H2的體積分?jǐn)?shù)均緩慢升高，分別由13.96%、16.59%上升到20.1%、22.92%。此外，隨著當(dāng)量比的增加，CO2和CH4體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，其中Eer=0.3時(shí)，CH4的體積分?jǐn)?shù)接近為0%。隨著N2體積分?jǐn)?shù)上升，合成氣熱值的總體趨勢降低，但是合成氣的體積流量會(huì)逐漸增加，由式(7)可知，冷煤氣效率存在一個(gè)極值，即Eer=0.325時(shí)，ηCGE的最大值為79.65%，將圖7中不同摻混比下氣化反應(yīng)中的空氣當(dāng)量比預(yù)設(shè)為0.325，進(jìn)行進(jìn)一步的分析和討論。

圖6 B=5∶5∶5摻混比下空氣當(dāng)量比對(duì)氣化爐

圖7給出了Bcw由1∶5增加到10∶5以及Bbw由1∶5增加到10∶5不同摻混比下合成氣熱值的正交化模擬結(jié)果。隨著Bcw和Bbw的增加，Qsg的整體趨勢為降低，其中當(dāng)B=1∶5∶1時(shí)，Qsg最大值為4.691 MJ/m3；當(dāng)B=10∶5∶10時(shí)，Qsg最小值為3.679 MJ/m3。

圖7 不同摻混比下合成氣熱值的正交化模擬結(jié)果

以圖8為例，分析了當(dāng)Bbw=1∶5、Eer=0.325時(shí)，Qsg隨著Bcw由1∶5增加到10∶5而逐漸降低的原因。由表1和表2可知，隨著Bcw的增加，摻混后的生物質(zhì)原料中H與C元素的摩爾數(shù)之比由1.394上升至1.433，O與C元素的摩爾數(shù)之比由0.573上升至0.648，由式(5)可知，其參與反應(yīng)的O2量逐漸減少，與圖8中N2體積分?jǐn)?shù)由44%降低到39.95%的趨勢相吻合。

圖8 Bcw摻混比對(duì)合成氣體積分?jǐn)?shù)的影響

此外，在Bbw=1∶5，Eer=0.325時(shí)，CH4和H2的體積分?jǐn)?shù)分別接近0%和17.12%，所以CO的體積分?jǐn)?shù)決定了Qsg值的大小。由于玉米芯的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(7.04%)大于麥秸的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(3%)，所以Bcw的增加促進(jìn)了反應(yīng)中H2O摩爾數(shù)的上升，式(4)中的反應(yīng)向右移動(dòng)，使得CO的體積分?jǐn)?shù)緩慢下降而CO2和H2O的體積分?jǐn)?shù)均緩慢上升，Qsg值由4.691 MJ/m3下降到4.2 MJ/m3。

除了在圖6中選取B=5∶5∶5的摻混比作為對(duì)照組外，在本節(jié)中選取B=1∶5∶1以獲得最大的合成氣熱值。此外，由表4可知，分別選取摻混比B=10∶5∶1以獲得最低的運(yùn)行成本，以及B=1∶5∶10以獲得最低的當(dāng)量CO2氣體排放率。以下對(duì)上述4種典型摻混比進(jìn)行分析和討論。

3.3 4種摻混比下內(nèi)燃機(jī)與氣化爐聯(lián)合運(yùn)行分析

圖9給出了功率對(duì)4種摻混比下生物質(zhì)原料消耗量的影響。隨著功率的增加，4種生物質(zhì)原料的消耗量均增加，同時(shí)由于式(8)中發(fā)電效率隨著功率的增加而增加，4種生物質(zhì)原料消耗量增加的速率均降低。在功率為15 kW時(shí)，4種摻混比下生物質(zhì)原料消耗量最大值為B=10∶5∶1時(shí)的23.2 kg/h，最小值為B=1∶5∶10時(shí)的20.1 kg/h，其原因?yàn)锽=10∶5∶1時(shí)玉米芯所占比例最高，且其低位熱值最低，僅為15.05 MJ/kg。此外，由于B=1∶5∶1時(shí)合成氣的熱值較高且B=5∶5∶5時(shí)生物質(zhì)原料的熱值較高，二者的消耗量較為接近，分別為21.06 kg/h和21.51 kg/h。

圖9 4種摻混比下功率對(duì)生物質(zhì)原料消耗量的影響

圖10給出了4種摻混比下功率對(duì)內(nèi)燃機(jī)煙氣余熱和缸套水余熱的影響。煙氣余熱和缸套水余熱均隨著功率的增加而升高，同樣由于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率的增加，余熱的增速均逐漸降低。其中當(dāng)功率由1 kW增加到15 kW時(shí)，B=1∶5∶10時(shí)的煙氣余熱最大，其煙氣余熱值由6.37 kW增加到15.94 kW，而B=1∶5∶1時(shí)的煙氣余熱最小，其煙氣余熱值由5.74 kW增加到14.37 kW。以B=1∶5∶1為例，該摻混比下的煙氣余熱最小的主要原因?yàn)槠渥陨硭趾?、H/C和O/C元素的原子數(shù)比值等因素使得煙氣質(zhì)量流量在4種摻混比中最少。同樣，B=1∶5∶10時(shí)的缸套水余熱最大，當(dāng)功率由1 kW增加到15 kW時(shí)，其缸套水余熱值由10.44 kW增加至17.6 kW，而B=10∶5∶1時(shí)的缸套水余熱最小，當(dāng)功率由1 kW增加到15 kW時(shí)，其缸套水余熱值由9.9 kW增加到16.67 kW。以B=10∶5∶1為例，該摻混比下的缸套水余熱最小的主要原因?yàn)槠溥M(jìn)入內(nèi)燃機(jī)中的合成氣熱值最低。

圖10 4種摻混比下功率對(duì)煙氣余熱和缸套水余熱的影響

3.4 摻混比對(duì)性能評(píng)估指標(biāo)的影響

圖11給出了4種混摻比下功率對(duì)制冷量和制熱量的影響。不同摻混比下制冷量的變化趨勢與圖10中煙氣余熱的變化趨勢保持一致，其原因?yàn)檩^高的煙氣余熱有利于提高溴化鋰機(jī)組的COP和制冷量。其中當(dāng)功率由1 kW增加到15 kW時(shí)，B=1∶5∶10時(shí)的制冷量最高，其制冷量由2.2 kW增加到6 kW，而B=1∶5∶1時(shí)的制冷最低，其制冷量由2.2 kW增加到5.48 kW。4種摻混比下的制熱量則相差不大，原因?yàn)榇蟛糠指滋姿酂嶂匦路祷氐絻?nèi)燃機(jī)中被再利用，導(dǎo)致僅小部分缸套水余熱用于供熱。以B=1∶5∶10為例，當(dāng)功率由1 kW增加到15 kW時(shí)，其制熱量由1.09 kW增加到1.86 kW。

圖11 4種摻混比下功率對(duì)制冷量和制熱量的影響

圖12給出了功率為15 kW時(shí)摻混比對(duì)合成氣熱值、生物質(zhì)原料消耗量、運(yùn)行成本、能源效率和效率5種性能評(píng)估指標(biāo)的影響。B=1∶5∶1時(shí)的優(yōu)勢為合成氣熱值高達(dá)4.691 MJ/m3，同時(shí)在相同的功率下具備較少的生物質(zhì)原料消耗量和最低的運(yùn)行成本，分別為21.06 kg/h和18.8 元/h，可應(yīng)用于對(duì)生物質(zhì)原料價(jià)格較為敏感的場景。B=10∶5∶1時(shí)的優(yōu)勢為運(yùn)行成本較低，其運(yùn)行成本值為18.85 元/h，可適用于玉米芯等物料豐富同時(shí)對(duì)價(jià)格較為敏感的場景。B=1∶5∶10時(shí)的優(yōu)勢為生物質(zhì)原料消耗量、能源效率和效率等指標(biāo)均為最優(yōu)，分別為20.1 kg/h、22.24%和15.44%，但其運(yùn)行成本高達(dá)19.72 元/h，適用于對(duì)能源效率要求高，且對(duì)價(jià)格不敏感的場景。對(duì)照組B=5∶5∶5時(shí)的5項(xiàng)指標(biāo)均較為均衡，其合成氣熱值、能源效率和效率等指標(biāo)較優(yōu)，分別為4.277 MJ/m3、21.63%和14.9%。

圖12 功率為15 kW時(shí)摻混比對(duì)性能評(píng)估指標(biāo)的影響

4 結(jié) 論

(1) 在B=5∶5∶5的摻混比下氣化冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)最佳Eer值為0.325，對(duì)應(yīng)的冷煤氣效率為79.65%。

(2) 4種摻混比中B=1∶5∶1時(shí)的合成氣熱值最高，其值為4.691 MJ/m3；B=1∶5∶10時(shí)的生物質(zhì)原料消耗量最低，其值為20.1 kg/h。

(3)B=1∶5∶10時(shí)的煙氣余熱和缸套水余熱最大，分別為15.94 kW和17.6 kW，同時(shí)其制冷量也最高，其值為6 kW。

(4) 對(duì)于價(jià)格敏感的場景，推薦的摻混比為B=1∶5∶1，其運(yùn)行成本低至18.8 元/h；對(duì)于能源效率要求高且對(duì)價(jià)格不敏感的場景，推薦的摻混比為B=1∶5∶10，其能源效率和效率分別高達(dá)22.24%和15.44%。