沼气与太阳能热化学互补机理及系统集成研究

1、沼气与太阳能热化学互补机理及系统集成研究随着化石能源的长期、大规模利用, 带来的能源短缺、环境污染和气候变化成为人们急需解决重大问题。可再生能源逐步替代化石能源, 是未来国际能源结构转型的重要方向之一。太阳能和生物质的资源总量巨大、分布广泛的特点引起了人们的广泛关注和研究。目前 , 太阳能热利用是最普遍的太阳能利用技术, 经过多年的发展, 仍面临效率低、成本高、储能困难与供能不稳定等问题, 导致其发展受到严重制约。生物质厌氧发酵制沼气是清洁高效处理厨余等有机废弃物的有效途径, 主要优势是沼气产量稳定, 随时间波动小, 主要存在的问题是规模小、沼气利用效率偏低。通过将太阳能和生物沼气进行深度互补

2、利用, 具有同时提升沼气利用水平, 促进太阳能利用技术发展的前景。然而现有的沼气与太阳能互补利用大多局限于热互补方式, 弥补太阳能的时间不稳定性, 较少从提高能量利用效率角度开展研究。本文依托国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划等科研课题, 探索了生物沼气与太阳能热化学互补利用的热力学理论, 提出了沼气与太阳能热化学互补方法与系统, 分析了能量转换规律与性能提升机理, 并研制了热化学反应实验平台, 并对能量转化机理进行了实验验证。本文的主要内容与结论如下:（ 一 ）以生物沼气与太阳能的优势互补为突破口, 从不同品质能源互补利用层面揭示了沼气化学能与太阳能集热的热化学转化机理。建立了 CH

3、4与CO丽H2OT湿共重整和太阳能集热的物理模型,基于能的品位概念 , 研究了互补过程的能量转化、释放规律, 同时从沼气利用和太阳能利用两个角度推导了互补过程综合收益系数的解析式, 表明低水碳比和合适的反应温度有助于综合收益的提升。进一步将互补过程拓展到冷热电供能层面, 揭示了热化学反应过程分别对电收益、冷收益和热收益的影响, 结合反应积碳分析, 从理论上给出了基于系统最大收益的最佳反应参数区间。（ 二 ） 研制了沼气成分转换微型反应器 , 实验研究了沼气干湿共重整反应特性, 深入探讨了反应温度、水碳摩尔比对沼气中CH4 CO2的转换率和产物中成分的影响。在此基础上, 探究了基于热化学反应实验

4、过程的能量转化和释放规律, 并对理论得到的综合收益系数进行了实验验证, 在此基础上, 对基于局部热化学反应实验过程的系统冷、热、电以及总收益进行研究, 研究得到基于局部实验过程收益和模拟收益的平均相对误差小于8%。以上研究证实了沼气和太阳能热化学互补方法的可行性, 为后续系统集成提供了的理论依据。（ 三 ） 基于沼气和太阳能热化学互补方法, 提出了沼气和太阳能热化学互补的分布式供能系统。相比目前先进的沼气三联供和碟式太阳能斯特林发电系统, 从热力学第一定律从第二定律指出了互补系统的性能优势。进而分析了热化学单元对互补系统性能的影响, 给出了互补系统性能最佳的反应参数, 并从侧面验证了机理分析中

5、所得出的结论: 低水碳比匹配合适的反应温度有助于综合收益的提升。结合沼气生产过程耗能情况, 探究了互补系统全年输出的电量、冷量和热量, 并且对比了与参比系统的热力性能、经济性能和环境性能。研究结果指出: 互补系统较参比系统综合性能具有较大优势。进一步分析了沼气工程规模对互补系统性能的影响, 指出未来我国发展大型沼气工程, 有助于互补系统综合性能的进一步提升。（ 四 ） 在系统集成的基础上, 首先研究了污水处理厂各项用能负荷的全年分布情况。在供需匹配的条件下, 采用遗传算法针对互补系统热力性能、经济性能和环境性能进行了多目标多参数优化。通过优化, 得到了基于互补系统全年最佳综合性能的最优系统装机容量和沼气池重要设计参数（ 水力停留时间）, 进而探究了系统装机容量和水力停留时间对系统综合性能的影响。在此基础上, 基于最优性能,对互补系统和参比系统外购电量和天然气进行了逐月分析和对比, 指出互补系统热力性能和环境性能有较小优势, 但在经