基于餐厨废弃物中低温超临界水气化混合建模的太阳能热驱动冷热电三联供系统热力学分析

《Process Safety and Environmental Protection》：Thermodynamic Analysis of a Solar-Thermal-Driven CCHP System Based on Hybrid Modeling of Medium- and Low-Temperature Supercritical Water Gasification of Food Waste

　　**摘要**超临界水气化（SCWG）为食物废弃物的处理和资源回收提供了一条高效途径。然而，高温SCWG伴随的高资本成本和苛刻的材料要求限制了其更广泛的系统集成。为解决这些问题，本文提出了一种集成太阳能热驱动中低温食物废弃物SCWG的冷热电三联供系统。构建了食物废弃物SCWG混合模型以开发集成系统模型，并进行了热力学性能分析。结果表明，系统在制冷模式下实现47.08%的能量效率和30.58%的?效率。与参考的熔盐基冷热电三联供系统相比，所提出系统的能量效率和?效率更高，分别从33.55%提高到47.08%，从27.49%提高到30.58%。主要的?损失发生在太阳能热驱动SCWG过程中，占总?毁的55.6%。此外，变工况分析表明，同时提高SCWG温度和固体氧化物燃料电池运行温度可显著增强系统性能。本研究为食物废弃物资源的高效利用提供了技术支持。**引言**固体废弃物的持续增加对可持续废物管理构成了日益严峻的挑战，而这些废弃物中所含的化学能也为资源和能源回收提供了相当大的潜力。气化技术已被广泛应用于生物质及其他含碳固体废物的热化学转化（Ke等，2022），同时微波加热技术也被引入以促进固体废物的转化和能源利用（Zhao等，2024）。此外，微波辅助气化作为生物质强化转化和合成气生产途径也得到了研究（Fu等，2023；Zhang等，2019a）。然而，尽管具备这些优势，微波辅助气化仍不太适用于食物废弃物等高湿度有机废物，因为可能需要额外的脱水和进料加热，导致能耗增加和处理成本提高。超临界水气化（SCWG）是一种高效的热化学转化技术，可在高温高压条件下将食物废弃物等有机固体废物转化为富氢可燃气体（Cao等，2026；Zhang等，2019b）。它具有反应速率快、产气效率高以及无需干燥预处理等显著优势（Shen等，2026）。因此，SCWG在有机固体废物安全处理和能源回收方面展现出巨大潜力（Peng等，2025；Wang等，2024）。为进一步增强其资源和能源利用潜力，研究人员已将SCWG过程与能源回收单元耦合，形成各种能源系统（Bai等，2025）。目前，集成SCWG的能源系统主要分为两类：单发电系统（Ruya等，2020b）和热电联产系统（Hantoko等，2019；Jin等，2020）。通过利用气化产物的化学能和显热进行发电或供热，可以提高系统总体能效。为更清晰地说明现有SCWG能源系统的类型和典型运行条件，表1总结了使用有机固体废物和生物质作为原料的代表性系统及其相应运行参数。由于SCWG需要大量热量，现有SCWG系统通常依靠自热操作或外部燃料燃烧来提供所需热量（Du等，2025；Guo等，2021；Yao等，2025）。自热操作减少了外部热量需求，但通过部分氧化消耗了部分原料，可能降低气化效率并增加?损失（Bai等，2024）。外部燃料燃烧提供了稳定的热源，但引入了额外的化石燃料消耗及相关排放。因此，开发低碳高效的供热策略对于提高SCWG集成系统总体性能仍然很重要。上述研究探讨了气化产物显热与发电单元之间的各种集成方案，通过超临界水气化实现有机固体废物的清洁高效利用。然而，如表1所示，现有使用有机固体废物SCWG集成系统中的最高气化温度通常达到700°C或以上，部分甚至达到800-850°C。与这些系统相比，本研究考虑的SCWG上限温度为650°C，比表1中总结的集成系统中常见的温度低50-200°C。如此高的气化温度对设备材料、耐腐蚀性和运行安全提出了更苛刻的要求，并可能相应增加系统投资成本。相比之下，尽管中低温（≤650°C）SCWG的气化性能通常低于高温SCWG，但降低运行温度可以缓解高温高压反应器相关的材料、耐腐蚀和运行安全要求。此外，先前的研究表明，在中低温条件下食物废弃物的气化度超过50%，所得液相产物含有大量生物油和其他有机物（Cao等，2022；Chan等，2018）。该生物油的高位热值通常超过10 MJ/kg，表明其具有较高的利用潜力。目前，大多数SCWG研究关注高温气化，而中低温条件下液相产物的利用则相对较少受到关注。总之，尽管SCWG集成系统的发展取得了显著进展，但中低温SCWG液相产物的能源回收和利用仍然不足，在整体供热策略和系统效率方面仍有相当大的改进空间。因此，本研究旨在开发一种太阳能热驱动的集成食物废弃物中低温SCWG的冷热电三联供系统，并使用Aspen Plus模拟评估其热力学性能。本研究的主要创新与贡献如下：（1）提出了一种基于食物废弃物中低温SCWG的新型冷热电三联供系统。通过氧化回收液相产物的化学能并集成太阳能热能为SCWG提供部分热量，所提出系统弥补了中低温下相对较低的气化性能，提高了食物废弃物的整体能源利用。（2）采用混合建模方法建立食物废弃物SCWG模型，实现对合成气成分和产率的准确预测，为集成系统建模提供了可靠依据。（3）在设计条件下对所提出系统进行了详细的热力学性能分析，研究了SCWG温度等关键参数对系统性能的影响。这些结果为系统优化和参数选择提供了有价值的见解。**拟议冷热电三联供系统**所提出的冷热电三联供系统如图1所示。系统由三个子系统组成：太阳能热SCWG子系统、固体氧化物燃料电池-燃气轮机（SOFC-GT）发电子系统和热量回收子系统。系统流程描述如下：在太阳能热SCWG子系统中，SCWG过程主要由聚光太阳能驱动，通过定日镜场和塔式气化炉收集。太阳辐射由定日镜场反射并……**系统假设**冷热电三联供系统使用Aspen Plus软件进行模拟，选用PR-BM状态方程计算流体热物性。拟议冷热电三联供系统模拟采用的主要假设如下：（1）系统处于稳态运行。压缩机中的压缩过程和燃气轮机中的膨胀过程视为绝热。（2）忽略管道和换热器中的压力损失。（3）假设化学平衡……**SCWG模型验证**根据样本分布，使用开发的动力学模型生成了食物废弃物SCWG样本。数据驱动模型在扩展数据集上进行训练，并使用网格搜索算法优化超参数，以建立准确的SCWG预测模型。为验证混合建模方法的有效性，还使用基于LSSVR算法的单一数据驱动模型预测各气体成分的产率，进行比较和分析。**结论**开发并评估了一种太阳能热驱动的集成食物废弃物中低温SCWG的冷热电三联供系统，使用Aspen Plus模拟。在设计条件下，系统在制冷模式下实现47.08%的能量效率和30.58%的?效率，在制热模式下分别为45.84%和30.68%。与参考系统相比，制冷模式下的能量效率和?效率分别提高了13.53和3.09个百分点。?分析表明，太阳能驱动的……**CRediT作者贡献声明****谢永康：** 可视化、监督、软件。**林振旺：** 撰写—初稿、方法论、数据整理。**刘琳桐：** 撰写—初稿、正式分析、数据整理。**王晨：** 验证。**葛立超：** 撰写—初稿、调查。**郭苏：** 监督、项目管理、资金支持。**马哲瑞：** 撰写—初稿、方法论、正式分析、概念化。**利益冲突声明**作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文所报道的工作。**致谢**本研究得到中央高校基本科研业务费专项资金（资助号：B250201101）、国家自然科学基金（资助号：52606284）和江苏省研究生科研与实践创新计划（资助号：KYCX24_0831）的支持。马哲瑞|郭苏|林振旺|谢永康|刘琳桐|葛立超|王晨