一种用于旋转三角形辅助性机械超材料的半刚性方法

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：A semi-rigid method of rotating triangular auxetic mechanical metamaterials

本文提出太阳能辅助化学 looping 煤制氢合成氨系统，通过热力学与经济分析表明，太阳能集成显著提升能源效率（56.70%）和经济效益（LCONH3降低9%），缩短回收期至4.2年，验证了其可持续性。

　　本研究聚焦于传统基于煤炭的氢气制备工艺在能源效率和可持续性方面的挑战，并提出了一种新型的太阳能辅助系统，该系统与煤炭化学循环技术相结合，运行在优化条件下。通过综合热力学和经济分析，太阳能的引入显著提升了系统的整体性能：在优化条件下，系统能量效率提高了3.1%（达到56.70%），而?效率则提升了2.42%（达到47.42%），这是由于间接氧化还原反应的强化所导致的。从经济角度来看，尽管太阳能辅助系统导致资本成本增加了49.5%，但其在单位氨成本（LCONH3）上实现了9%的降低（从358.29美元/吨降至326.52美元/吨），缩短了折现回本期20%（从5.2年降至4年），并且带来了显著更高的净现值（NPV），达到1.2732亿美元（相比传统系统的5264万美元），这充分证明了该系统在可持续氨合成方面的效率提升和经济可行性。敏感性分析表明，运营成本和燃料价格对经济性具有主导作用，而太阳能成本则表现出较低的敏感性，为高效脱碳氨合成提供了一条可行的路径。

在全球范围内，由于化石燃料需求和消费的不断增长，温室气体排放正加速上升。为了遏制二氧化碳排放，并将全球平均气温的上升控制在工业化前水平以上2摄氏度以内，科学家们开展了大量研究以改善现有的环境状况。在诸多改善环境的举措中，能源结构的重构起到了关键作用。因此，可再生能源如生物质、太阳能、风能和潮汐能得到了大力开发。2005年，Chalmers理工大学的Lyngfelt研究团队在ENCAP（增强二氧化碳捕获）项目中，使用了一个10千瓦的化学循环燃烧（CLC）测试装置，对煤焦和石油焦进行了实验。到了2008年，通过éCLAIR（无排放化学循环燃煤燃烧过程）计划，固态燃料CLC技术取得了显著进展，解决了包括氧载体性能、1兆瓦CLC系统设计以及反应器/辅助系统配置等关键挑战。这一项目还促进了化学循环与氧解耦（CLOU）技术的发展。与此同时，ALSTOM开发了一种“混合燃烧-气化化学循环过程”，利用CaSO4氧载体，实现了热、合成气和氢气的协同生产。

化学循环氢气生成（CLHG）是一种高效的气化技术，它利用碳基还原剂、固态金属氧化物氧载体以及水蒸气作为氧化剂和氢气来源，将低能量密度的碳质固体转化为高纯度的氢气。金属氧化物提供晶格氧，而不是分子氧（通常由空气或空气分离装置提供），从而避免了合成气热值的稀释，并消除了氧分离带来的能源消耗。该氧化还原过程被分为三个阶段：还原、水蒸气氧化和空气氧化，使氢气和杂质（如二氧化碳）的生产得以分离。与传统气化相比，CLHG实现了在位气体分离，高纯度氢气可以通过简单的冷凝获得。尽管传统CLHG使用三个反应器（燃料反应器FR、水蒸气反应器SR、空气反应器AR），但本研究创新性地将FR分解为专门的热解和气化反应器，同时消除了AR。氧载体在热化学上整合了热解、气化和氢气生成过程。热重分析动力学数据证实了铁基氧载体在生物质共热解过程中的催化作用：它们加速了分子裂解，提高了生物质转化率18-22%，提升了预指数因子1-2个数量级，并降低了活化能15-30%。这为本研究提出的三塔化学循环系统提供了理论依据，该系统整合了热解、气化和氢气生成过程。

由于氢气和合成气的生产可以有效地支持下游化工过程的原料供应，而化学循环在氢气生产方面具有显著优势，因此许多科学家进行了实验和模拟研究，以阐明不同条件对化学循环气化的影响，并提出化学循环的未来发展方向和操作策略。例如，Dai等人模拟了10 MWh基于煤炭的CLG（化学循环气化）过程，寻找并优化了试点气化单元的操作参数，并分析了这些参数对产品分布和系统的影响。Nadgouda等人则通过实验和过程模拟，研究了Cu-Fe氧载体在化学循环重整过程中的协同生产能力，以实现合成气和氢气的联合生产。Wang等人对合成气和氢气的联合生产进行了热力学分析，采用吉布斯自由能最小化方法，以获得最优的生产参数。Ge等人设计了一种新型的生物质整合气化循环（BIGCC）系统，该系统结合了气化、气体净化、余热回收蒸汽发生器（HRSG）以及气体/涡轮发电过程，并使用Aspen Plus软件对整个流程进行了模拟。Wijayanta等人模拟了一个集成系统，该系统主要包括水热气化（HTG）、化学循环、氮气生产、氨气合成和发电过程。然而，氨气合成所需的氮气来源仍然依赖于空气分离装置，这使得氨气生产成本仍然较高。Muhammad Aziz等人提出了一种基于煤炭的氢气和电力联合生产系统，通过化学有机氢化物存储氢气，以实现能源效率的提升。但该研究仅关注热循环或放热循环，没有进行详细的工艺设计、计算和操作参数的设定。

太阳能作为一种新兴的清洁能源，可以有效满足系统所需的热能需求，从而实现最大化的氢气产量。近年来，Xu等人通过实验验证了太阳能辅助化学循环的可行性。此外，近年来太阳能辅助生物质氢气生产也取得了显著进展，这归功于固态粒子存储技术的发展。目前，当太阳能系统与塔式聚光太阳能系统结合使用时，粒子存储温度可以达到1000°C，从而使得太阳能能够与生物质热化学过程有效整合。Liu等人提出了一种基于聚光太阳能和固态粒子存储技术的生物质气化方法，用于双流化床气化器。该系统配备了一个炭分离单元，当太阳能供应不足时，可以将更多的炭料送入燃烧室以维持热平衡。Fang等人总结了近年来生物质太阳能热化学气化技术的进展。结果显示，塔式聚光器和流化床气化器是所有技术中更优的选择，因为塔式聚光器可以提供足够的高温。Wang等人提出了一种基于太阳能热生物质气化的新型联合冷却、加热和发电系统，由于其分布式能源系统的特性，采用了碟式太阳能聚光器。

将太阳能热能与煤炭自热气化技术整合，能够实现一种混合热供应策略，即通过集中太阳能输入与强烈吸热的煤炭气化反应相结合，从而稳定清洁燃料的合成。例如，Xue等人展示了一种煤炭-太阳能热化学联合生产系统，该系统每小时可生产13.6吨氢气，同时相比传统基准提高了4.91%的能量效率。他们的分析定量地确立了太阳能增强系统的能源效率和经济优势，确认了其在工业部署中的技术可行性。然而，这类配置通常忽略了从煤炭燃烧和气化过程中捕获二氧化碳。关键的是，这一限制通过三反应器化学循环氢气生成（CLHG）技术得以解决，该技术将燃料反应器（FR）、水蒸气反应器（SR）和空气反应器（AR）与循环的铁基氧载体相连接。这种设计内建地消除了高能耗的氢气纯化和二氧化碳分离阶段，从而显著降低了氢气生产成本。实验验证进一步支持了CLHG的有效性：Li等人报告称，在1000°C条件下，使用铁基氧载体进行煤炭气化，可实现0.5 L/g的氢气产率，并同时抑制二氧化碳的生成。而Shi等人则通过将CLHG与化学循环空气分离和煤炭气化联合循环相结合，实现了超过50%的净能源效率和显著的碳减排。改进的氧载体进一步使得氢气产率≥1.40 L/g和碳转化率≥86%，突显了该技术的可扩展性。

显然，大多数研究集中在氢气生产、合成气或电力生成的模拟上，而对气化后化学产品的合成以及系统的经济分析缺乏系统性研究。因此，需要更多的努力来加强化学循环气化在化学产品生产方面的模拟研究。此外，尽管现有文献探讨了太阳能与气化或重整过程的耦合以提高合成气的产量，但根据作者的知识，目前尚未有针对太阳能与化学循环氢气生产及氨气合成耦合的研究。基于上述研究的不足，本文深入分析了传统的化学循环氨气生产过程。同时，提出了一种太阳能辅助的化学循环氨气生产系统，并从热力学和经济角度对与新能源结合的氨气生产系统进行了分析。最后，为解决上述研究空白，本文阐明了将外部能源源（太阳能）与传统煤炭资源耦合的原则和必要性，并进行了全面研究，以揭示太阳能在该技术中的优势。

本研究提出的太阳能辅助化学循环氨气生产系统，其设计基于传统煤炭气化和化学循环技术，同时引入太阳能作为辅助热源。系统的核心在于通过太阳能的高效利用，优化整个气化和氨合成过程的热力学性能。太阳能的引入不仅提高了系统的能量效率，还增强了其在环境友好性方面的表现。通过热力学分析，系统在优化条件下（900°C，S/C比为3.4，O/C比为0.33）实现了显著的效率提升。三子系统（CCLG、WGS、CLHG）共同作用，提升了氢气的产量。其中，CCLG作为主要子系统，贡献了67%的氢气生成，而WGS和CLHG则通过进一步的化学反应优化了氢气的产率。太阳能的引入使得整个系统的热平衡更加稳定，减少了对传统热源的依赖，从而降低了整体能耗。

在经济分析方面，尽管太阳能辅助系统的初始投资成本有所增加，但其在长期运行中的成本效益依然显著。通过优化设计和操作参数，系统能够在保证高产率的同时，实现更低的单位氨成本。此外，系统的折现回本期也相应缩短，为投资者提供了更高的回报率。敏感性分析进一步表明，系统在运营成本和燃料价格方面的变化对经济性具有较大影响，而太阳能成本的变化则相对较小。这表明，即使在太阳能成本波动的情况下，系统仍然具备较强的经济可行性。因此，太阳能辅助化学循环氨气生产系统不仅在技术上具备优势，而且在经济上也具有较强的可行性，为可持续氨合成提供了一条可行的路径。

本研究的创新点在于，将太阳能与化学循环技术相结合，不仅提升了系统的热力学性能，还优化了其经济性。通过深入分析，本文揭示了太阳能在该系统中的重要作用。太阳能的引入使得整个系统的热平衡更加稳定，减少了对传统热源的依赖，从而降低了整体能耗。此外，太阳能的高效利用还提升了系统的能量效率和?效率，使得氨气生产更加环保和经济。通过对比分析，本文表明，太阳能辅助系统的能量效率和经济性均优于传统系统，这为未来可持续氨合成技术的发展提供了新的思路和方向。

在实际应用中，太阳能辅助化学循环氨气生产系统具有广阔的发展前景。随着可再生能源技术的不断进步，太阳能的利用成本正在逐步降低，这使得该系统更具经济吸引力。此外，太阳能的清洁特性使得该系统在减少碳排放方面具有显著优势。通过结合化学循环技术，系统能够在减少二氧化碳排放的同时，实现高效的氨气生产。这不仅有助于应对全球气候变化问题，还能够满足日益增长的氨气需求，尤其是在农业和工业领域。因此，太阳能辅助化学循环氨气生产系统不仅具有技术可行性，而且在经济和环境方面也具备显著优势。

本研究还通过敏感性分析，揭示了系统在不同参数变化下的响应情况。结果显示，系统在运营成本和燃料价格方面的变化对经济性具有较大影响，而太阳能成本的变化则相对较小。这表明，即使在太阳能成本波动的情况下，系统仍然能够保持较高的经济性。因此，太阳能辅助化学循环氨气生产系统在实际应用中具备较强的适应性和稳定性。此外，系统的优化设计使得其在不同工况下均能保持较高的效率，这为系统的广泛应用提供了保障。

从技术角度来看，太阳能辅助化学循环氨气生产系统具有较高的灵活性和可扩展性。通过调整系统参数，可以适应不同的原料供应和生产需求。例如，系统可以灵活应对不同类型的煤炭原料，以及不同规模的生产需求。这种灵活性使得系统能够适应多种应用场景，从而提高了其应用价值。此外，系统的模块化设计也使得其能够与其他能源系统相结合，进一步提升了其整体性能。

在实际应用中，太阳能辅助化学循环氨气生产系统需要考虑多个因素，包括太阳能的供应稳定性、氧载体的性能以及系统的整体经济性。为了确保系统的稳定运行，需要对太阳能供应进行有效的管理，以避免因太阳能供应不足而导致的系统效率下降。同时，氧载体的性能对系统的整体效率具有重要影响，因此需要对氧载体进行优化，以提高其催化效率和稳定性。此外，系统的经济性也需要得到充分考虑，以确保其在商业化过程中具备较强的竞争力。

综上所述，太阳能辅助化学循环氨气生产系统在技术、经济和环境方面均具备显著优势。通过结合太阳能的高效利用和化学循环技术的优化，系统能够在减少碳排放的同时，实现高效的氨气生产。这不仅有助于应对全球气候变化问题，还能够满足日益增长的氨气需求，尤其是在农业和工业领域。因此，太阳能辅助化学循环氨气生产系统具有广阔的发展前景，值得进一步研究和推广。