摘 要：提出一種基于太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的小麥秸稈超臨界水氣化系統(tǒng)模型，并結(jié)合熔融鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)，有效克服了太陽(yáng)能的間歇性問(wèn)題，為生物質(zhì)制氫的碳中和路徑提供了新思路。熱力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)熱解溫度和能量輸入是該系統(tǒng)制氫產(chǎn)率的主要影響因素，在較高熱解溫度（700 ℃）和低能量輸入（215.14 kW）的條件下氫氣產(chǎn)率達(dá)到最大；通過(guò)耦合熔融鹽儲(chǔ)能，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全天不間斷高效運(yùn)行，其能量效率和效率分別達(dá)到36.3%和36%以上。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；氣化；太陽(yáng)能；超臨界水；光熱儲(chǔ)能

中圖分類號(hào)：TK519 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

鑒于傳統(tǒng)化石燃料燃燒所帶來(lái)的氣候問(wèn)題，可再生能源的開(kāi)發(fā)逐步成為世界各國(guó)的研究重點(diǎn)［1-2］。其中，生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)受到廣泛關(guān)注［3］。當(dāng)前主流研究方向是采用超臨界水作為氣化劑并耦合太陽(yáng)能作為能量輸入來(lái)源，從而降低制氫過(guò)程中的碳排放［4-5］。文獻(xiàn)［6］采用Aspen Plus搭建了基于太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的稻殼氣化發(fā)電、制冷和制熱的三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，并分析了該系統(tǒng)的總能源效率、電氣效率、一次節(jié)能比和年總成本節(jié)約率；廖波等［7］搭建太陽(yáng)能耦合生物質(zhì)超臨界水氣化制氫的實(shí)驗(yàn)裝置，探究了物料成分、濃度及反應(yīng)停留時(shí)間等因素對(duì)氣化效果的影響；文獻(xiàn)［8］建立太陽(yáng)能-生物質(zhì)輔助光伏發(fā)電的熱物理模型，該模型能將光伏發(fā)電的電效率提高近十個(gè)百分點(diǎn)；Alireza等［9］基于Aspen Plus搭建太陽(yáng)能超臨界水氣化系統(tǒng)，探究了藻類濃度對(duì)系統(tǒng)碳轉(zhuǎn)化率、效率和能量效率的影響；Rahbari等［10］通過(guò)評(píng)估太陽(yáng)能超臨界水氣化系統(tǒng)的效率，研究了不同過(guò)熱配置對(duì)系統(tǒng)熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性能的影響；文獻(xiàn)［11］使用Aspen Plus建立基于太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的微藻超臨界水氣化系統(tǒng)，評(píng)估了該系統(tǒng)的熱力學(xué)性能與全生命周期。

然而，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)受太陽(yáng)能間歇性的影響致使其無(wú)法在夜間運(yùn)行［12］。一個(gè)有效的解決措施是通過(guò)耦合光熱儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存足夠的能量為系統(tǒng)在夜間運(yùn)行提供能量，同時(shí)減少傳統(tǒng)夜間供能（燃燒化石能源或合成氣）產(chǎn)生的碳排放［9］，進(jìn)而增加系統(tǒng)的合成氣產(chǎn)量［13］，然而，目前鮮有關(guān)于耦合光熱儲(chǔ)能的生物質(zhì)超臨界水氣化制氫系統(tǒng)的報(bào)道。

本文采用Aspen Plus搭建太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)耦合熔融鹽儲(chǔ)能的小麥秸稈超臨界水氣化系統(tǒng)模型，深入分析系統(tǒng)在僅白天和全天兩種不同運(yùn)行時(shí)段的熱力學(xué)性能，并評(píng)估系統(tǒng)的合成氣產(chǎn)率、冷煤氣效率以及凈功，以期為生物質(zhì)清潔制氫技術(shù)提供新思路。

1 研究方法

1.1 模型搭建

考慮到小麥秸稈豐富的存儲(chǔ)量以及高制氫潛力，本文采用該生物質(zhì)作為原料，其成分分析列于表1。圖1為基于Aspen Plus搭建的小麥秸稈超臨界水氣化的流程。小麥秸稈和水的總輸入流量為1 t/h，其中小麥秸稈的能量輸入范圍設(shè)置為215.14～1075.70 kW。假設(shè)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行，生物質(zhì)中的灰分不參與反應(yīng)，忽略管道和各反應(yīng)器模塊的壓力和溫度損失，同時(shí)不考慮工質(zhì)在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生動(dòng)能和勢(shì)能的變化［14-15］。模型的詳細(xì)介紹如下：

首先，采用壓力泵PUMP將小麥秸稈和水的混合物加壓至25 MPa，然后先通過(guò)換熱器HX1將其預(yù)熱至200 ℃，再通過(guò)熔融鹽換熱器HX2將其溫度進(jìn)一步提高到600～700 ℃；隨后采用分離器SEP1去除混合物中的水分，便于小麥秸稈在產(chǎn)率反應(yīng)器RYIELD中進(jìn)行熱解，RYIELD按照小麥秸稈的組成分析將小麥秸稈分解為C、H2、O2、N2、S和Ash［11］；熱解后的產(chǎn)物經(jīng)過(guò)分離器SEP2分離出硫分和灰分，剩余氣體與SEP1分離出的水分混合后通入吉布斯自由能反應(yīng)器（RGIBBS）中發(fā)生氣化反應(yīng)［16］；反應(yīng)得到的高溫高壓混合氣通入到汽輪機(jī)TURBINE中做功，使其壓力降低至1.5 MPa，隨后將混合氣體先后通入HX1和換熱器HEATER1中將其溫度降低至50 ℃，最后采用閃蒸器B1完成混合氣中水分和氣體的分離，分離之后的氣體經(jīng)過(guò)分離器SEP分離出最終產(chǎn)物氫氣。

模型中主要模塊的參數(shù)設(shè)置如表2所示。小麥秸稈和灰分被設(shè)置為非常規(guī)固體。為有效處理超臨界水和超臨界氣化過(guò)程，系統(tǒng)采用PR-BM（即帶有Boston-Mathias α函數(shù)的Peng-Robinson方程）物性方法［11］。小麥秸稈的超臨界水氣化反應(yīng)如式（1）～式（6）所示，主要包含水解反應(yīng)（式（1））、蒸汽重整（式（2）、式（3）），水氣變換反應(yīng)（式（4）），甲烷化（式（5））和Boudouard反應(yīng)（式（6））。

[CxHy-2Oz-1+H2O?CxHyOz] （1）

[CxHyOz+（2x-z）H2O?xCO2+2x-z+y2H2] （2）

[CxHyOz+（x-z）H2O?xCO+x-z+y2H2] （3）

[CO+H2O?CO2+H2] （4）

[CO+3H2?CH4+H2O] （5）

[C+CO2?2CO] （6）

1.2 光熱儲(chǔ)能系統(tǒng)

1.2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的選擇

本文采用熔融鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)解決太陽(yáng)能的間歇性問(wèn)題，該系統(tǒng)具有較高的儲(chǔ)熱調(diào)度能力［18］，并且與太陽(yáng)能塔式集熱器之間具有較高的適配性［19］，其技術(shù)發(fā)展成熟，在商業(yè)運(yùn)行中較為常見(jiàn)，理論上可適用于所有類型的太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)中［20］。

熔融鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)的關(guān)鍵是熔融鹽的選擇，本文所采用的熔融鹽為MgCl2-NaCl-KCl（56.5%-22.2%-21.3%），該熔融鹽腐蝕性小、工作溫度區(qū)間大，且價(jià)格低廉［24］，其詳細(xì)物性參數(shù)見(jiàn)表3?？紤]到熔融鹽的工作溫度至少比其熔化溫度高30 ℃，故本文中熔融鹽的工作溫度區(qū)間設(shè)置為425～800 ℃［25］。

1.2.2 太陽(yáng)能系統(tǒng)

鑒于河南地區(qū)龐大的小麥秸稈產(chǎn)量［26］，本文采用河南省的光照信息進(jìn)行太陽(yáng)能系統(tǒng)數(shù)據(jù)設(shè)置。該數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室，2020年的太陽(yáng)能年平均數(shù)據(jù)如表4所示。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)太陽(yáng)的光照時(shí)間為12 h，系統(tǒng)的太陽(yáng)能按照年平均太陽(yáng)能直接輻射強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，定日鏡場(chǎng)反射的太陽(yáng)能熱量為：

[Qh=I×N×A×ηt] （7）

式中：[Qh]——定日鏡場(chǎng)反射的太陽(yáng)能熱量，kW；[I]——太陽(yáng)能直接輻射強(qiáng)度，kW/m2；[N]——定日鏡的數(shù)量；[A]——單塊定日鏡面積，m2；[ηt]——定日鏡場(chǎng)的效率，%。

太陽(yáng)能定日鏡場(chǎng)的效率受阻擋效應(yīng)、陰影效應(yīng)、余弦效應(yīng)、鏡面反射效應(yīng)、攔截效應(yīng)以及大氣效應(yīng)的影響，其計(jì)算公式［27-28］如式（8）所示，該組效率數(shù)值設(shè)置見(jiàn)表5。

[ηt=ρmirror×ηcos×ηbloca×ηatmos×ηinter] （8）

式中：[ρmirror]——鏡面反射效率，%；[ηcos]——余弦效率，%；[ηbloca]——阻擋效率，%；[ηatmos]——大氣效率，%；[ηinter]——攔截效率，%。

本文忽略了接收裝置的導(dǎo)熱損失，只考慮輻射熱損失和對(duì)流熱損失。其輻射熱損失［29］為：

[Qrad=εAσ（T4s-T40）] （9）

式中：[Qrad]——輻射熱損失，kW；[ε]——接收器發(fā)射率，設(shè)置為0.385；[A]——接收器的表面積，m2；[Ts]、[T0]——接收器溫度和環(huán)境平均溫度，K；[σ]——斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)，設(shè)置為[5.67×10-8] W/（m2·T4）。

對(duì)流熱損失為：

[Qconv=hconvA（Ts-T0）] （10）

式中：[Qconv]——對(duì)流熱損失，kW；[hconv]——對(duì)流換熱系數(shù)，kW/（m2·K），其計(jì)算式［27］為：

[hconv=0.557×10-6Ts-T0Ht0.25] （11）

式中：[Ht]——太陽(yáng)能塔的高度，Ht=140 m。

2 熱力學(xué)分析方法

2.1 過(guò)程所需能量

當(dāng)系統(tǒng)在白天運(yùn)行時(shí)，冷熔融鹽罐的熔融鹽進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器并從中吸收熱量，用于生產(chǎn)超臨界水以及維持反應(yīng)的進(jìn)行，并將多余的熱量?jī)?chǔ)存在熱熔融鹽罐中。夜間運(yùn)行時(shí)，熱熔融鹽罐將為超臨界水的制備和維持氣化反應(yīng)的進(jìn)行提供熱量，換熱之后的熔融鹽流入冷熔融鹽罐中儲(chǔ)存。流程中換熱器HX2所需能量代表產(chǎn)生超臨界水和預(yù)熱生物質(zhì)所需熱量，產(chǎn)率反應(yīng)器RYIELD和吉布斯自由能反應(yīng)器RGIBBS所需能量代表維持氣化反應(yīng)所需熱量，這些能量全部由光熱儲(chǔ)能系統(tǒng)提供，其能量關(guān)系如圖2所示。

考慮到太陽(yáng)能在傳熱過(guò)程中的熱損失，本文將傳熱效率設(shè)置為90%［21］，故流程所需能量，即太陽(yáng)能系統(tǒng)所需提供的能量計(jì)算式為：

[Qsolar=QHX2+QRYIELD+QRGIBBS0.9] （12）

式中：[QRYIELD]——產(chǎn)率反應(yīng)器所需熱量，kW；[QRGIBBS]——吉布斯自由能反應(yīng)器所需熱量，kW；[QHX2]——預(yù)熱生物質(zhì)與制備超臨界水所需能量，kW。

2.2 冷煤氣效率

冷煤氣效率指氣化生成合成氣的化學(xué)能與輸入生物質(zhì)的化學(xué)能之比，由式（13）計(jì)算。

[ηc=miHL-imbiomass，dafHL-biomass，daf] （13）

其中：[mi]——合成氣CO、CH4、H2的質(zhì)量流量，kg/s；[HL-i]——CO、CH4、H2的低熱值，分別設(shè)置為10096、50035、119909 kJ/kg；[mbiomass，daf]——小麥秸稈的質(zhì)量流量，kg/s；[HL-biomass，daf]——小麥秸稈的低熱值，其設(shè)置見(jiàn)表1。

2.3 能量效率

系統(tǒng)的能量效率定義為系統(tǒng)的總輸出能量與總輸入能量的比值，其計(jì)算公式為：

[ηen=EoutEin×100%] （14）

系統(tǒng)的輸入能量包括輸入小麥秸稈的能量（[EWS]）、用于給系統(tǒng)加熱的太陽(yáng)能（[Esolar]）以及泵的輸入功（[Epump]）：

[Ein=EWS+Esolar+Epump] （15）

系統(tǒng)的輸出能量包括系統(tǒng)所產(chǎn)生的可燃合成氣的能量（[Esyngas]）以及汽輪機(jī)的輸出功（[Eele]）：

[Eout=Esyngas+Eele] （16）

泵的輸入功采用Aspen Plus獲得。小麥秸稈和合成氣的能量通過(guò)質(zhì)量流量與相對(duì)應(yīng)的低熱值計(jì)算得到：

[Esyngas=ECO+ECH4+EH2] （17）

[EWS/CO/CH4/H2=mWS/CO/CH4/H2×HL-WS/CO/CH4/H2] （18）

2.4 效率

系統(tǒng)的效率定義為系統(tǒng)輸出與輸入的比值，即：

[ηex=Ex，outEx，in×100%] （19）

系統(tǒng)的輸入包括小麥秸稈的[Ex，WS]、輸入的太陽(yáng)能[Ex，solar]以及泵的輸入[Ex，pump]：

[Ex，in=Ex，WS+Ex，solar+Ex，pump] （20）

系統(tǒng)的輸出由產(chǎn)生的合成氣的以及汽輪機(jī)的輸出[Ex，ele]組成：

[Ex，out=Ex，CO +Ex，CH4+Ex，H2+Ex，ele] （21）

泵的輸入和汽輪機(jī)的輸出分別對(duì)應(yīng)其消耗的電能和產(chǎn)生的電能。合成氣的由物理、化學(xué)、動(dòng)力學(xué)和勢(shì)能組成，由于動(dòng)力學(xué)和勢(shì)能太小，故在本文中忽略，僅考慮物理與化學(xué)［9-11］，即：

[Ex=ephx+echx] （22）

式中：[ephx]——合成氣的物理，kW；[echx]——合成氣的化學(xué)，kW。

[ephx，i=n[（h-h0）-T0（s-s0）]] （23）

[echx，i=nechx，n，i] （24）

式中：[h]和[s]——比焓和比熵，kJ/mol；[h0]和[s0]——環(huán)境溫度下的比焓和比熵，kJ/mol；[echx，i]和[ephx，i]——物質(zhì)[i]的物理和化學(xué)，kW；[echx，n，i]——物質(zhì)[i]的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)，kJ/mol。

小麥秸稈的按照式（25）～式（27）進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)O/C≤0.5時(shí)，參數(shù)[β]使用式（26）計(jì)算；當(dāng)0.5lt;O/C≤2時(shí)，則使用式（27）計(jì)算［21］。

[ex，WS=βHL-biomass，daf] （25）

[β=1.0438+0.0158ωHωC+0.0813ωOωC] （26）

[β=1.0414+0.0177ωHωC-0.3328ωHωC1+0.0537ωHωC1-0.4021ωHωC] （27）

式中：[ωC]、[ωH]和[ωO]——C、H、O元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

太陽(yáng)能的計(jì)算式［28］為：

[Ex，solar=Qh·1-T0Tsolar] （28）

式中：[Qh·]——太陽(yáng)能直接光束輻射（[I×N×A]）；[Tsolar]——太陽(yáng)熱源的溫度，取值為5777 K。

2.5 模型驗(yàn)證

為保證生物質(zhì)氣化模型設(shè)計(jì)的合理性，本文使用麥草堿黑水超臨界水氣化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［30］進(jìn)行驗(yàn)證。圖3為反應(yīng)器在反應(yīng)溫度為700 ℃、壓力為25 MPa、生物質(zhì)進(jìn)料濃度為9.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比。從圖3可看出模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，但仍存在一些差異，其主要原因如下：1）本文使用Aspen plus基于吉布斯自由能最小化方法進(jìn)行建模，按照化學(xué)平衡和相平衡進(jìn)行設(shè)置，其結(jié)果受化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的限制從而導(dǎo)致預(yù)測(cè)的氣體產(chǎn)量出現(xiàn)偏差［31］；2）在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，反應(yīng)器類型、反應(yīng)停留時(shí)間、采樣等不同都會(huì)影響反應(yīng)平衡到達(dá)的時(shí)間［32］；3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一系列的實(shí)驗(yàn)誤差。

3 討論分析

3.1 熱動(dòng)力學(xué)分析

為分析研究不同溫度及能量輸入下系統(tǒng)的熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，本文共設(shè)計(jì)15個(gè)工況（詳細(xì)情況如表6所示），并分別計(jì)

算合成氣（CO、CH4、H2、CO2）在不同工況下的產(chǎn)率（即氣體產(chǎn)生的質(zhì)量流量與輸入物料的總質(zhì)量的比值）以及系統(tǒng)的總氣體產(chǎn)率（即4種氣體質(zhì)量流量之和與輸入物料的總質(zhì)量的比值）。

圖4為合成氣（CO、CH4、H2、CO2）的氣體產(chǎn)率以及總氣體產(chǎn)率隨溫度和輸入能量的變化趨勢(shì)。從圖4可看出，CO和CH4的產(chǎn)率隨小麥秸稈輸入能量的增加而上升，在輸入能量為1075.70 kW時(shí)兩者產(chǎn)率均達(dá)到最大。在此輸入能量下，隨著溫度的升高，CO的產(chǎn)率從0.015 kg/kg上升到0.049 kg/kg，而CH4的產(chǎn)率則從0.245 kg/kg下降到0.204 kg/kg；與CO和CH4相反，CO2、H2和總氣體的產(chǎn)率隨輸入能量的增加而下降，在輸入能量為215.14 kW時(shí)三者的產(chǎn)率達(dá)到最大值。在此輸入能量下，隨著溫度的升高，H2、CO2和總氣體的產(chǎn)率分別從0.083 kg/kg上升到0.123、1.20 kg/kg上升到1.39和76.18 mol/kg上升到96.33 mol/kg。產(chǎn)生以上變化的原因在于超臨界水氣化過(guò)程中各反應(yīng)的吸熱-放熱屬性：水氣變換反應(yīng)和Boudouard反應(yīng)屬于吸熱反應(yīng)，故溫度升高促進(jìn)CO2和H2的產(chǎn)率升高；相反，甲烷化反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，溫度升高則導(dǎo)致CH4的產(chǎn)率降低。此外小麥秸稈的輸入能量越高，其氣化劑超臨界水的含量就會(huì)越少，從而導(dǎo)致水氣變換反應(yīng)和甲烷化反應(yīng)的逆過(guò)程速度變慢［21］，進(jìn)而致使CO2和H2的產(chǎn)率降低以及CH4的產(chǎn)率升高。由圖4b可知，當(dāng)溫度小于650 ℃時(shí)，CO的產(chǎn)率隨輸入能量的增加上升緩慢；當(dāng)溫度超過(guò)650 ℃后，其產(chǎn)率隨輸入能量的增加迅速提高。這是由于在較高溫度條件下反應(yīng)物濃度對(duì)水氣變換反應(yīng)的抑制作用強(qiáng)于對(duì)甲烷化反應(yīng)的促進(jìn)作用，從而導(dǎo)致CO的產(chǎn)率增加。

圖5為700 ℃時(shí)不同小麥秸稈輸入能量下合成氣的摩爾分?jǐn)?shù)?？梢钥闯觯谛←溄斩挼哪芰枯斎霝?15.14 kW時(shí)H2的摩爾分?jǐn)?shù)最高，達(dá)到63.55%。隨著輸入能量的增加，H2的摩爾分?jǐn)?shù)迅速下降，而CO2、CH4和CO的摩爾分?jǐn)?shù)則逐漸增加，其中CO的摩爾分?jǐn)?shù)增加比較緩慢，僅增加了1.87%。

3.2 能量和分析

圖6a和圖6b分別為15個(gè)工況條件下氣化系統(tǒng)中的能量和分布情況，可知輸入能量中太陽(yáng)能和生物質(zhì)能占主要部分，而泵消耗的能量所占比例較小。隨著生物質(zhì)濃度的增加，進(jìn)料中水的含量減少，進(jìn)而在生產(chǎn)超臨界水時(shí)所需的能量就會(huì)有所降低，故所需輸入的太陽(yáng)能逐漸減少。在輸出的能

量中，占比例較大的為合成氣中的能量。隨著生物質(zhì)濃度的增加，合成氣總產(chǎn)量也會(huì)增加，進(jìn)而增加了合成氣中的能量，同時(shí)導(dǎo)致汽輪機(jī)產(chǎn)生的電能也會(huì)出現(xiàn)少許增加。

圖6c和圖6d分別為系統(tǒng)在僅白天運(yùn)行和全天運(yùn)行時(shí)的能量效率和效率。從圖圖6c和圖6d可以看出，系統(tǒng)在僅白天運(yùn)行和全天運(yùn)行時(shí)均在工況13達(dá)到最大能量效率和效率，在此工況下，系統(tǒng)在僅白天運(yùn)行時(shí)最大的能量效率和效率分別為40.2%和39.5%；而全天運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)最大的能量效率和效率分別為36.3%和36%。系統(tǒng)的能量效率和效率隨輸入能量的增加而增大，但隨反應(yīng)溫度的升高而減小。隨著輸入能量的增加，在僅白天運(yùn)行條件下系統(tǒng)的能量效率和效率分別提高了24.57%和23.48%，在全天運(yùn)行條件下能量效率和效率則分別提高了23.23%和22.63%。在同一工況條件下，全天運(yùn)行時(shí)的能量效率和效率比僅白天運(yùn)行時(shí)有所降低，這是因?yàn)橄到y(tǒng)在全天運(yùn)行條件下比在僅白天運(yùn)行條件下需要更多的熔融鹽量和更大的熔融鹽流速來(lái)維持系統(tǒng)在夜間的運(yùn)行，故需更大的太陽(yáng)能塔頂部光熱接收器，進(jìn)而導(dǎo)致較大的輻射熱損失，因此降低了系統(tǒng)的能量效率和效率。經(jīng)計(jì)算，全天運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)所產(chǎn)生的輻射熱損失相比僅白天運(yùn)行時(shí)多出約200 kW，這部分熱損失增加了太陽(yáng)能的輸入。

3.3 系統(tǒng)的冷煤氣效率和產(chǎn)生的凈功

不同工況條件下系統(tǒng)的冷煤氣效率和產(chǎn)生的凈功（汽輪機(jī)輸出功與泵消耗功之差）分布如圖7所示，在小麥秸稈輸入能量為215.14 kW、溫度為700 ℃時(shí)，系統(tǒng)的冷煤氣效率和凈功達(dá)到最大值，分別為108.6%和141.1 kW。從3.1節(jié)可

看出，系統(tǒng)的總氣體產(chǎn)率隨著輸入能量的增加而下降，合成氣總量在工況3時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)汽輪機(jī)的輸出功同樣達(dá)到最大值。氫氣產(chǎn)率隨著進(jìn)料濃度的減少和溫度的升高而增加，氫氣是合成氣中熱值最高的氣體，因此氫氣的產(chǎn)率增加會(huì)提高系統(tǒng)的冷煤氣效率。

4 結(jié) 論

基于Aspen Plus建立耦合光熱儲(chǔ)能的小麥秸稈超臨界水氣化模型，并系統(tǒng)評(píng)估反應(yīng)器溫度和小麥秸稈輸入能量對(duì)超臨界水氣化過(guò)程的影響。通過(guò)耦合光熱儲(chǔ)能系統(tǒng)為超臨界水氣化過(guò)程供能，避免了傳統(tǒng)燃燒化石能源和合成氣供能方式的碳排放問(wèn)題，并有效增加了系統(tǒng)的合成氣產(chǎn)量。對(duì)該系統(tǒng)模型的熱力學(xué)性能進(jìn)行全面評(píng)估，計(jì)算并分析系統(tǒng)的合成氣產(chǎn)率、冷煤氣效率、產(chǎn)生的凈功以及在不同運(yùn)行時(shí)段下系統(tǒng)的能量效率和效率。得到如下主要結(jié)論：

1）通過(guò)耦合光熱儲(chǔ)能系統(tǒng)和小麥秸稈的超臨界水氣化系統(tǒng)，使氣化過(guò)程所需能源全部來(lái)自太陽(yáng)能，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能與生物質(zhì)能的多能互補(bǔ)利用。

2）系統(tǒng)的制氫產(chǎn)率和總氣體產(chǎn)率隨著溫度的升高而升高，隨著輸入能量的增加而下降，制氫產(chǎn)率和總氣體產(chǎn)率在小麥秸稈輸入能量為215.14 kW、反應(yīng)器溫度為700 ℃時(shí)達(dá)到最大值，分別為0.123 kg/kg和76.18 mol/kg。此時(shí)，系統(tǒng)的冷煤氣效率和產(chǎn)生的凈功同樣達(dá)到最大值，分別為108.6%和141.1 kW。在最大制氫產(chǎn)率工況下，合成氣中氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)高達(dá)63.55%。這表明該系統(tǒng)在低能量輸入和高溫條件下更有利于氫氣的產(chǎn)生。

3）分析發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的能量效率和效率隨能量輸入和熱解溫度的升高而增加，最大效率發(fā)生在輸入能量為1075.70 kW、反應(yīng)器溫度為700 ℃條件下。在此工況下，系統(tǒng)在僅白天運(yùn)行時(shí)最大的能量效率和效率分別為40.2%和39.5%，而全天運(yùn)行時(shí)最大的能量效率和效率分別為36.3%和36%。

4）在兩種不同運(yùn)行時(shí)段下，系統(tǒng)的能量效率和效率隨小麥秸稈輸入能量的增加而增加。系統(tǒng)在僅白天運(yùn)行時(shí)，能量效率和效率分別提高了24.57%和23.48%；在全天運(yùn)行時(shí)，能量效率和效率則分別提高了23.23%和22.63%。

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THERMODYNAMIC STUDY OF HYDROGEN PRODUCTION SYSTEM BY SUPERCRITICAL WATER GASIFICATION OF WHEAT STRAW

COUPLED WITH PHOTOTHERMAL ENERGY STROAGE

Xue Qiangkun1，Xu Hongpeng2，Jia Ming1，Sun Yuhao3，Wu Shaohua1

（1. College of Energy and Power Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China；

2. College of Vehicle and Energy， Yanshan University， Qinhuangdao 066004， China；

3. SZ-HK International AT Research Institute， Shenzhen 518102， China）

Abstract：In this paper， a system model of solar driven supercritical water gasification of wheat straw coupled with molten salt energy storage system is presented， which effectively overcomes the intermittency problem of solar energy， thus providing a new carbon neutral path for hydrogen production via biomass gasification. Thermodynamic analysis suggest that pyrolysis temperature and energy input are the main factors affecting the hydrogen yield of the system. The hydrogen yield reached the maximum under the conditions of high pyrolysis temperature （700 ℃） and low energy input （215.14 kW）. Owing to molten salt energy storage， the system could operate continuously throughout the whole day efficiently， with the energy efficiency and exergy efficiency reaching 36.3% and 36%， respectively.

Keywords：biomass； gasification； solar energy； supercritical water； photothermal energy storage