太陽能驅動沼氣重整的分布式供能系統熱力性能研究

王異林 蘇博生 方 芳 李 暉 張曉東 何宏舟

（1.集美大學海洋裝備與機械工程學院 廈門 361021；2.福建省能源清潔利用與開發重點實驗室 廈門 361021；3.福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術研究中心 廈門 361021；4.福建省海洋可再生能源裝備高校重點實驗室 廈門 361021）

0 前言

鑒于化石能源短缺危機的威脅以及全球污染和氣候變化的問題，能源行業正在經歷巨大變化，通過增加化石能源消耗來滿足能源需求的概念不可持續，利用可再生能源成為全球經濟脫碳的主要策略，基于可再生能源的分布式能源系統被認為是一種有效的解決方案[1-3]。基于可再生能源的分布式能源系統不同于傳統分布式能源系統的是，利用原本作為輔助燃料的可再生能源，替代化石能源作為主要燃料，擺脫了對化石能源的依賴，對環境更加友好。

在可再生能源中，生物質是最有前途的能源之一，因為其他可再生能源在正常運行模式下存在不能產生足夠的熱量（風力、光伏、水力），在當地受到太多限制（地熱），不穩定（太陽能熱）等問題[4]。沼氣是由生物質厭氧發酵產生的一種可再生燃料，典型的沼氣含有55%～75%的甲烷成分，除此之外還包含二氧化碳、飽和水蒸氣、硫化氫等其他氣體以及部分粉塵[5,6]，經過脫硫凈化等工序后可作為基于可再生能源分布式能源系統的一種穩定燃料。我國生物質資源豐富，每年各種生物質可能源化利用量高達3.26×10 tce[7]，同時生物質發酵技術也在不斷進步，二者為我國沼氣的生產提供了有利條件，沼氣年產量從2015年的158億立方米迅速發展到2020年的440億立方米[8]，由此可見，沼氣分布式能源系統在我國有很大的發展潛力。

沼氣分布式冷熱電聯產系統，將沼氣作為發電裝置的燃料，發電裝置的排氣余熱用于制冷和沼氣池的保溫。雖然沼氣冷熱電聯產系統在一定程度上提高了沼氣的利用率，但全年仍需大量化石燃料為沼氣池的保溫供熱。太陽能是取之不盡用之不竭的清潔可再生能源，因此，利用太陽能為沼氣池的保溫提供熱量具有節約化石燃料的巨大潛力。M R Darwesh[9]進行了太陽能作為沼氣消化裝置熱源的實驗研究，結果表明，當使用37℃、40℃和45℃三種設定溫度時，太陽能對沼氣生產（為牛糞溶液加熱）的貢獻率分別為75.21%、60%和53.58%。此外，將臥式和立式沼氣池內的設定溫度從37℃提高到45℃，其日平均沼氣產量分別可以提高87.12%和59.45%，目前的研究表明，太陽能已降低了61.28%的能耗。由此可見，將太陽能等清潔能源與沼氣分布式能源互補利用具有減少化石燃料燃燒、改善環境等諸多潛力。

目前，生物質能與太陽能、風能等清潔可再生能源的互補利用備受關注。Bahram Ghorbani[10]設計并提出了一種基于沼氣的混合工廠，用于同時生產生物甲烷、生物甲醇、生活熱水和制冷。擬建的混合動力裝置由沼氣提質裝置、生物甲醇合成裝置、堿性電解裝置、拋物面槽式太陽能集熱裝置、有機朗肯循環和氨水吸收制冷循環六個單元組成，這些操作單元集成在一起交換燃料和能量。生物甲烷在提質單元中產生，沼氣提質單元也為生物甲醇合成提供所需的二氧化碳。此外，生物甲醇合成所需的氫氣由堿性電解裝置提供。拋物面槽式太陽能集熱器系統提供驅動有機朗肯循環所需的熱能，從而為所有運行單元提供所需的動力。擬建的工廠可生產128.4kgmole/h 的生物甲醇（純度為99.99%）和193.4kgmole/h 的生物甲烷（純度為99.65%）作為主要產品，以及2783kW 的制冷量和241930kgmole/h 的生活熱水作為副產品。Ting Wu[11]提出了一種沼氣-太陽能-風能互補的并網發電系統，以實現不同能源之間的轉換，協同滿足多種負荷需求。在此系統內，冷熱電聯產系統和電鍋爐產生的熱量可為厭氧消化產生沼氣提供合適的溫度，從而提高其效率。與天然氣-風能-太陽能綜合能源系統相比，擬議的綜合能源系統可提供具有成本競爭力的解決方案，有更高的互補性。Lizhi Zhang 等[12]進行了太陽能、生物質能的冷熱電聯供系統的集成優化設計，該系統由以沼氣為燃料的內燃機和光伏板驅動，并以中國濟南的一個小型農場為例，驗證了所提出的RES-CCHP 系統結構的可行性，其結果表明，優化設計的系統具有節能、減本和環境友好的優勢，一次節能率、年總成本節約率和碳減排率分別為20.94%、11.73%和40.79%。雖然上述系統有很好的節能減本效果和環境效益，但沼氣直接燃燒過程中化學能損失嚴重，這并不利于繼續推進我國沼氣高值化利用，且沼氣和太陽能的互補利用依然局限于沼氣和太陽能的單獨利用層面。因此仍需探索一種沼氣與太陽能深度互補的高效利用技術。

針對上述問題，本文提出一種太陽能驅動沼氣重整的分布式供能系統，將沼氣在直接燃燒前通過太陽能進行熱化學升級，實現沼氣與太陽能之間的能質互補，且對合成氣與內燃機排氣以“溫度對口、梯級利用”為原則進行合理有效利用，來實現沼氣化學能與物理能的綜合梯級利用。

本文第一節對所提出的新系統以及參比系統進行描述；第二節建立數學模型以及選取系統評價準則；第三節對系統進行仿真模擬，并在設計點工況下對新系統和參比系統進行性能對比分析；第四節分析關鍵參數對系統性能的影響；最后，在第五節對文章進行總結。

1 系統描述

1.1 新系統的概念設計

圖1為太陽能驅動沼氣重整的分布式供能系統，基于以下兩個概念：

（1）太陽能供熱促進沼氣熱化學升級，合理利用沼氣的化學能，提升太陽能的能量品位。

（2）對合成氣、內燃機缸套水和排出煙氣的余熱進行有效回收利用，合理利用沼氣的物理能。

如圖1所示，新系統通過太陽能集熱器為沼氣和水蒸氣的重整反應提供熱量，生成主要成分為CO、H2的燃料總熱值更高的合成氣。合成氣通入內燃機燃燒發電，內燃機的煙氣余熱一部分用于制冷，一部分用于與合成氣的余熱一起產生水蒸氣。制冷機排出的煙氣余熱用于和缸套水余熱一起向外界供熱。

圖1 太陽能驅動沼氣重整的分布式供能系統思路圖Fig.1 Diagram of distributed energy supply system for solar powered biogas reforming

1.2 新系統描述

新系統由混合器、預熱器、碟式太陽能集熱器、重整反應器、省煤器、汽化器、儲氣罐、內燃機、制冷機、加熱器和供熱器組成。本系統制冷系統采用中溫單效溴化鋰吸收式制冷系統，單效吸收式制冷機熱源出口溫度為170℃[13]，COP 為1.2[13]。內燃機選取顏巴赫4 系列內燃機，其參數[14]如表1所示。

表1 所選內燃機相關參數Table 1 Parameters of selected internal combustion engines

圖2為太陽能驅動沼氣重整的分布式供能系統流程圖，系統運行時的具體流程為：由汽化器產生的水蒸氣和脫硫凈化后的沼氣在混合器里按比例混合，混合后的氣體通入預熱器預熱后，通入重整反應器內發生重整反應，由碟式太陽能集熱器聚集的太陽能為其提供反應所需熱量。生成的高溫合成氣先作為預熱器的熱源，為沼氣與水蒸氣的混合氣體的預熱提供熱量，之后再作為省煤器的熱源，為水的一次加熱提供熱量。經過省煤器的合成氣與空氣一起通入內燃機進行燃燒做功。內燃機向外界供電，發電余熱分為兩部分，一部分儲存在煙氣中，一部分儲存在內燃機的缸套水中。煙氣余熱先作為汽化器的熱源，對省煤器排出的水進行二次加熱，使之由液相變為穩定的氣相。再在作為單效溴化鋰吸收式制冷機的熱源進行制冷，制冷機排出的煙氣再作為加熱器的熱源對缸套水進行加熱，最后排出系統。被加熱后的缸套水通過供熱器向外界供熱。在整個流程中，合成氣的余熱通過加熱混合氣和水進行梯級利用；煙氣余熱通過加熱水、制冷和加熱缸套水進行梯級利用；水到水蒸氣通過合成氣對其一次加熱、煙氣對其二次加熱實現。

圖2 太陽能驅動沼氣重整的分布式供能系統流程圖Fig.2 Flow chart of distributed power supply system for solar powered biogas reforming

1.3 參比系統描述

1.3.1 參比系統—沼氣驅動內燃機的冷熱電聯供系統

如圖3所示，在沼氣驅動內燃機的冷熱電聯供系統中，脫硫凈化后的沼氣直接和空氣一起通入內燃機燃燒做功，內燃機向外界供電，發電機余熱儲存在煙氣和缸套水中。內燃機排煙先作為單效溴化鋰吸收式制冷機的熱源進行制冷，之后再作為加熱器的熱源加熱缸套水，然后排出系統。缸套水在供熱器里放熱降溫，為外界供熱，再進入內燃機循環。

圖3 沼氣驅動內燃機的冷熱電聯供系統流程圖Fig.3 Flow chart of the cooling,heating and power supply system of the internal combustion engine driven by methane

新系統與沼氣驅動內燃機的冷熱電聯供系統相比，具有以下兩個特點：

（1）新系統將沼氣在燃燒前進行熱化學升級，合理利用沼氣化學能，并對合成氣的余熱進行有效利用。

（2）沼氣驅動內燃機的冷熱電聯供系統，內燃機排煙溫度與單效溴化鋰制冷機制冷所需熱源溫度相差較大，出現溫度斷層，對煙氣余熱利用不合理。新系統則利用斷層溫度生產水蒸氣，對煙氣余熱的利用更加合理有效。

1.3.2 參比系統—太陽能碟式斯特林發電系統

碟式斯特林太陽能熱發電系統的基本工作原理是，利用系統從高溫熱源吸收的熱量，膨脹做功，向低溫熱源放熱并收縮，再次從熱源吸收熱量，循環上述過程，最終產生源源不斷的熱能，在每次循環過程中，工質吸收的熱能轉化為機械能，而工質做功過程中通過活塞的往復運動又帶動發電機進一步將機械能轉化為電能[15]。在該系統流程中，太陽能經過碟式太陽能集熱器轉化為熱能，輸送給斯特林發動機；斯特林發動機將熱能轉化為機械能輸送給發電機；發電機將機械能轉化為電能輸送到外界。

新系統與太陽能碟式斯特林發電系統相比的特點：太陽能碟式斯特林發電系統利用太陽能直接發電，而新系統利用太陽能間接發電，太陽能先通過為重整反應提供熱量轉化為合成氣的化學能，再通過內燃機發電，太陽能轉化為化學能的過程中，實現了太陽能能量品位的提升。

圖4 太陽能碟式斯特林發電系統流程圖Fig.4 Flow chart of solar disk Stirling power generation system

2 數學模型建立及評價準則

2.1 系統數學模型建立

本系統采用Aspen Plus[16]軟件對系統模型進行仿真模擬，利用軟件模塊對預熱器、反應器、省煤器和加熱器等裝置在額定條件下進行模擬。化學反應過程通過RGIBBS 反應器模塊進行模擬[17]，基于嚴格的化學平衡，并采用RK-SOAVE 方程的物性方法。為簡化模擬過程，忽略工質在系統設備和管路中的壓降，且假設所有工質在系統中無泄漏且在管路系統中與外界沒有熱量交換[18]。表2歸納了系統模擬過程中相關參數的選取情況。其中，對于內燃機，通過冷卻系統帶走的熱量品位較低，輸出缸套水溫度約為80℃～100℃，內燃機排氣溫度一般為400℃～600℃[19]，根據何曉紅[20]整理的內燃機排氣溫度隨額定功率以及氣缸數的分布情況與不同廠家燃氣內燃機冷卻水出口溫度隨額定功率的分布情況，內燃機排煙溫度可定為500℃，冷卻水出口溫度可定為90℃。重整反應合理有效的反應溫度大約在550℃～900℃[18]，重整反應溫度可定為750℃。碟式斯特林發電系統的額定（峰值）發電效率為20%～32%[21-23]，本文選取其發電效率中值，為26%。太陽能通過碟式集熱器集熱為重整反應提供熱量，重整反應的溫度設為750℃，根據蘇博生[18]建立及驗證后的碟式太陽能集熱器數學模型以及總結出的特性規律，當反應溫度為750℃時碟式太陽能集熱器的集熱效率可定為0.805。

表2 系統整體模擬參數選取Table 2 Selection of overall simulation parameters of the system

2.2 系統評價準則

2.2.1 能量利用率

本系統通過太陽能在沼氣直接燃燒前對其進行熱化學升級，避免了沼氣直接燃燒造成的巨大熱損失，且本系統根據內燃機所排煙氣與重整反應生成的高溫合成氣的溫度，和系統運行及生產冷、熱、電熱源溫度要求，實現了能量合理有效的梯級利用。根據熱力學第一定律，不考慮熱、電兩種產品在品位上的差別，只是單純利用數量關系計算，定義系統能量利用率ηq為：

其中，Q表示能量，kW；下標“e”表示發電；“c”表示制冷；“h”表示供熱；“b,in”表示輸入的沼氣；“rad,in”表示入射到碟式太陽能集熱器上的總太陽能，Qrad,in=（Qsol,in/ηsol），Qsol,in表示輸入到系統中的太陽能，ηsol為碟式太陽能集熱器的集熱效率；“c,in”表示單效溴化鋰吸收式制冷機從外界環境吸收的熱量。

2.2.2 太陽能凈發電效率

為了說明新系統中太陽能熱貢獻的相對發電性能，定義太陽能對電能的凈效率[29,30]，ηsol為：

其中，Wnew為新系統發電量；Wref,CCHP為參比系統—沼氣驅動內燃機的冷熱電聯供系統的發電量；Qrad,in為入射到碟式太陽能集熱器上的總太陽能。

2.2.3 ?效率

由于本系統有多種不同形式能量的輸入和輸出，所以定義等效系統?效率來評價新系統的性能，定義系統?效率[24]ηex為：

其中，E表示?；Ec=Qc（Ta/Tc-1），Ta表示環境溫度，Tc表示吸收式制冷機的蒸發溫度，通常為5℃；Eh=Qh（1-Ta/Th），Th表示供熱溫度；W表示系統發電量；Ef為沼氣的?值，甲烷的?值近似1.04LHV（甲烷的低位熱值），所以可以認為系統中沼氣（甲烷占比60%，二氧化碳占比40%）的?值也近似1.04LHV（沼氣的低位熱值）；Esol表示太陽熱?，用碟式太陽能集熱器集熱溫度Tsol與環境溫度Ta之間最大可用功來計算，在Tsol溫度下的太陽熱?Esol=Qsol（1-Ta/Tsol）。

2.2.4 化石能源節約率

由于本系統輸入端和輸出端有多種不同形式的能量，因此，可以通過保證新系統和參比系統輸入的沼氣與太陽能的量一致，對比輸出端的差異來體現新系統的性能優勢。而輸出端有冷、熱、電三種能量形式，可以將這三種能量形式折算成一種能量形式，便于新系統與參比系統比較。通過將分布式供能系統與現有分產系統比較，可得到分布式供能系統的節能率，節能率越高表示系統性能越好。在本文中，分別將新系統和參比系統中的輸出端折算為用分產系統生產時所消耗的能量Qpes，如式所示[31]：

其中，Qe表示系統發電量；Qc表示系統制冷量；Qh表示系統供熱量。下標“new”表示新系統，“ref”表示參比系統。根據國標“GB／T33757.1-2017”，產電的分產系統為燃煤電站，ηe為燃煤電站發電效率，取0.35；供熱的分產系統為天然氣鍋爐，ηh為鍋爐的供熱效率，取0.8[18]。制冷的分產系統為電制冷機，COPe為電制冷機平均性能系數，取5.0[32]。新系統與參比系統的Qpes差別越大，表示新系統節約化石燃料的能力越大，定義化石燃料節約率ηffes為：

3 系統仿真模擬

3.1 設計點工況模擬

表3給出了在表2給出的參數設定下各關鍵點的狀態參數。

表3 設計點關鍵流股狀態參數表Table 3 Key flow strand state parameters at design points

表3中的各關鍵點與圖2太陽能驅動沼氣重整的分布式供能系統的具體流程圖上的關鍵點一一對應。如圖5所示，內燃機所排煙氣溫度為500℃（對應流股10），煙氣余熱首先用于對水進行二次加熱，在汽化器內釋放238.2kW 的熱量使水汽化為穩定的水蒸氣，此時，煙氣溫度降為349.6℃（對應流股11）；之后煙氣余熱作為單效溴化鋰吸收式制冷機的熱源，在單效溴化鋰制冷機中釋放271.9kW 的熱量用于制冷，此時，煙氣溫度降為170℃（對應流股12）；然后煙氣余熱作為加熱器的熱源，在加熱器中釋放117.3kW 的熱量用于加熱缸套水，此時，煙氣溫度降為90℃（對應流股13）；最后，煙氣用于其他（本研究不涉及）或者直接排向外界。太陽能為重整反應提供反應熱，反應過程吸收716kW 的熱量，反應后生成的主要成分為CO和H2的合成氣，溫度為750℃（對應流股7），合成氣的余熱先作為預熱器的熱源預熱水蒸氣和沼氣的混合氣，在預熱器內釋放298.4kW 的熱量，使混合氣的溫度升高到730.8℃（對應流股6），此時合成氣溫度降為207℃（對應流股8）；然后合成氣余熱作為省煤器的熱源，在省煤器中釋放33.4kW 的熱量對水進行一次加熱，水的溫度升為99.9℃（對應流股3），合成氣溫度降為142.6℃（對應流股9）；最后，合成氣通入內燃機燃燒做功。水轉化為穩定的水蒸氣一共經過兩次加熱，第一次是在省煤器中吸收合成氣余熱，溫度升為99.9℃（對應流股3）；第二次加熱2 是在汽化器中吸收內燃機排煙的余熱，溫度升為180℃（對應流股4）。

圖5 內燃機、合成氣、水的溫度變化示意圖Fig.5 Schematic diagram of temperature change of internal combustion engine,syngas and water

3.2 新系統與參比系統性能對比分析

表4為新系統和參比系統在設計點工況下的性能參數對比。在新系統和參比系統中，假設兩個系統沼氣輸入的量為每日10000 立方米，兩系統輸入沼氣的能量相同，均為2490.53kW；新系統水碳比為1；輸入的太陽熱能相同，均為715.77kW。此外，在模擬計算中，單效溴化鋰吸收式制冷機的性能系數COP 為1.2，由于制冷機中的吸收器和冷凝器都與外界環境存在熱交換，根據制冷機的能量守恒，可以計算出在新系統中環境向吸收式制冷機輸入能量65.28kW，在參比系統中環境向吸收式制冷機輸入能量93.32kW。

表4 設計點新系統與參比系統的性能參數表Table 4 Performance parameters of the new system and the reference system at design point

在新系統中，沼氣總熱值（2490.53kW）通過熱化學互補提升至合成氣總熱值（3139.48kW），在沼氣進行熱化學升級的過程中燃料總熱值提升了648.86kW，相當于輸入系統的715.77kW 的太陽熱能中，648.86kW（90.70%）通過沼氣重整反應轉化為合成氣的化學能。在生產電能方面，新系統生產的電能為1321.72kW，而參比系統生產的電能為1279.74kW，其中，沼氣驅動內燃機的冷熱電聯供系統生產1048.56kW，太陽能碟式斯特林發電系統生產231.18kW，相比之下新系統多生產41.98kW（3.28%）。在生產冷能方面，新系統生產326.40kW，參比系統生產466.58kW，雖然在新系統中內燃機排出的煙氣可用余熱多余參比系統，但新系統的煙氣余熱先用于水的汽化，再進行制冷，使得煙氣余熱中可用于制冷的熱量減少，導致新系統的產冷量小于參比系統。在生產熱能方面，新系統生產的熱能為650.89kW，參比系統生產的熱能為513.64kW。因為新系統通過太陽能對沼氣進行熱化學升級，太陽能先轉化為合成氣的化學能，當合成氣在內燃機中燃燒做功時，太陽能轉移到內燃機的排煙和缸套水中，且被煙氣加熱后缸套水作為供熱的熱源，因此使得新系統產熱量相較于參比系統增加了137.25kW（26.72%）。在能量利用率方面，新系統為66.73%，相較于參比系統65.07%提升了1.66 個百分點，說明新系統沼氣和太陽能利用更加充分。在?效率方面，新系統為44.87%，相較于參比系統43.81%提升了1.06 個百分點，說明新系統沼氣和太陽能利用更加有效。在太陽能凈發電效率方面，由于太陽熱能在沼氣熱化學升級過程中轉變為合成氣的化學能，提升了太陽能的能量品位，所以新系統太陽能凈發電效率30.72%相較于太陽能碟式斯特林發電系統額定發電效率中值26%提高了4.72 個百分點。在化石燃料節約率方面，若利用分產系統分別生產等量的電、冷、熱，新系統可以替代4655.24kW 的化石燃料，參比系統可以替代4391.77kW 的化石燃料，最終，新系統較參比系統節省化石燃料263.47kW，化石燃料節約率為5.99%。

4 系統性能分析

在新系統中，重整器里的水碳比與重整反應溫度是兩個對系統性能影響較大的參數。因此，以水碳比和重整反應溫度為自變量對系統進行性能分析及特性規律研究。在根據以下分析總結設定系統水碳比和重整反應溫度時，可依據基于水碳比的沼氣重整過程積碳特性分析圖[18]，避免實際水碳比落入積碳區。

4.1 能量利用率

圖6為系統能量利用率隨水碳比及重整反應溫度的變化圖，從圖中可得：（1）系統水碳比越小，系統能量利用率越高，同時，系統能量利用率還隨著重整反應溫度的降低而升高。因此，可以通過適當調小系統水碳比以及降低重整反應溫度來實現系統能量利用率的一定提升。（2）新系統能量利用率的范圍是69.4%～70.3%，相較于參比系統（66.8%）可以提升2.6～3.5 個百分點，因此，新系統能量利用更為充分。

圖6 系統能量利用率隨水碳比及重整反應溫度的變化圖Fig.6 The energy utilization rate of the system changes with the ratio of water to carbon and reforming reaction temperature

4.2 太陽能凈發電效率

圖7為太陽能凈發電效率隨水碳比及重整反應溫度的變化圖。從圖中可得：（1）系統水碳比越小，碟式太陽能凈發電效率越大，同時，碟式太陽能凈發電效率還隨重整反應溫度（碟式太陽能集熱器集熱溫度）的升高而升高。因此，可以通過適當調小系統水碳比以及提高重整反應溫度來實現碟式太陽能凈發電效率的一定提升。（2）新系統碟式太陽能凈發電效率的范圍是30.77%～32%，相較于參比系統（26%，碟式斯特林發電系統的額定峰值發電效率中值）可以提升4.77～6 個百分點。且新系統碟式太陽能凈發電效率的值均處于碟式斯特林發電系統的額定峰值發電效率范圍（20%～32%）的高水平值，因此，新系統在提升太陽能凈發電效率方面具有很好的優勢。

圖7 太陽能凈發電效率隨水碳比及重整反應溫度的變化圖Fig.7 Changes of solar net power generation efficiency with water/carbon ratio and reforming reaction temperature

4.3 ?效率

圖8為系統?效率隨水碳比及重整反應溫度的變化圖。從圖中可得：（1）系統水碳比越小，?效率越大，同時，系統?效率還隨著重整反應溫度的升高而增大。因此，可以通過適當調小系統水碳比以及升高重整反應溫度來實現系統?效率的一定提升。（2）新系統?效率的范圍是44.79%～45.34%，相較于參比系統（43.81%）可以提升0.98～1.53 個百分點，說明新系統可以有效提升系統可用能的利用效率。

圖8 系統?效率隨水碳比及重整反應溫度的變化圖Fig.8 Changes of system exergy efficiency with water-carbon ratio and reforming reaction temperature

4.4 化石燃料節約率

圖9為系統化石燃料節約率隨水碳比及重整反應溫度的變化圖。從圖中可得：（1）系統水碳比越低，可達到的化石燃料節約率越高，在水碳比一定的情況下，化石燃料節約率隨重整反應的升高而增大。因此，可通過適當調節系統水碳比和重整反應溫度來實現化石燃料節約率的一定提升。（2）從700℃到800℃，化石燃料節約率曲線間的間距越來越小，所以對于某一固定水碳比，選擇合適的重整溫度可使化石燃料節約率達到最優值。（3）隨著水碳比的降低，最佳化石燃料節約率對應的重整反應溫度逐漸增大。

圖9 系統化石燃料節約率隨水碳比及重整反應溫度的變化圖Fig.9 Changes of fossil fuel saving rate with water/carbon ratio and reforming reaction temperature

5 結論

本文提出了一種太陽能驅動沼氣重整的分布式供能系統，首先對系統進行數學建模，并運用軟件Aspen Plus 進行仿真模擬，將所提出的新系統與沼氣驅動內燃機的冷熱電聯供系統以及太陽能碟式斯特林發電系統進行熱力性能對比，并對其差異性進行分析，得出如下結論：

（1）通過太陽能驅動沼氣重整，使之轉化為燃料總熱值更高的合成氣，進而提升系統的產電量。在設計點工況下，新系統產電增加率可達1.19%～4.59%。且通過對合成氣余熱以及內燃機排煙余熱的合理有效利用，系統能量利用率可提升2.6～3.5 個百分點。

（2）通過太陽能驅動沼氣重整，使太陽能的熱能品位在重整反應過程中提升至合成氣的化學能品位，進而提升碟式太陽能的凈發電效率，可達30.77%～32%。同時，新系統的?效率提升了0.98～1.53 個百分點。

（3）通過沼氣與太陽能的有效熱化學互補，提升了分布式供能系統中能源利用的轉換效率，并節約了短缺的化石能源。新系統化石燃料節約率可達4.29%～7.61%。