基于膜反应器氨氧化后蒸汽-氮气膨胀的新型氧燃料循环技术经济评估

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《Additive Manufacturing》：Techno-economic assessment of a novel oxy-fuel cycle based on steam-nitrogen expansion after ammonia oxidation in a membrane reactor

【字体：大中小】 时间：2025年10月16日 来源：Additive Manufacturing 11.1

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　　本研究针对传统氧燃料循环系统需要昂贵空分装置(ASU)的问题，开发了基于膜反应器(MR)的HiPowAR新型氨氧燃烧系统。研究通过热力学模拟发现，在热电联产应用中系统总效率可达108.4%(LHV基准)，技术经济分析显示投资内部收益率(IRR)超过20%，证明该技术具有显著能效优势和商业可行性。

在全球能源转型背景下，如何实现经济增长与化石燃料消费脱钩成为关键挑战。氨(NH₃)作为一种无碳燃料载体，因其高能量密度和成熟的基础设施而备受关注，尤其适用于航运、发电等难以脱碳领域。然而，传统氧燃料循环系统依赖能耗高的空分装置(ASU)，导致净电厂效率受限（45%-54%）。为此，研究人员提出了一种创新性的HiPowAR系统，通过膜反应器(MR)实现氨的氧燃烧，避免了对ASU的需求，并利用氧渗透与燃料氧化的协同效应提升效率。

本研究采用Aspen Plus?平台进行零维(0D)热力学模拟，主要技术方法包括：基于Peng-Robinson状态方程的热力学计算、膜反应器模块化设计（采用BSCF氧渗透膜）、蒸汽-氮气混合工质膨胀分析，以及针对15MW_th热电联产系统的技术经济评估（投资 horizon为10年，贴现率3%）。研究重点比较了两种基础配置（A型约束压力比、B型无约束压力比）的性能差异。

2. 膜反应器

膜反应器采用双管单端封闭结构的混合离子-电子导体(MIEC)陶瓷膜（以BSCF材料为主），通过氧分压梯度驱动氧渗透。膜反应器在50bar高压和900°C高温下运行，活性长度区实现氨的完全氧化（4NH₃+3O₂→2N₂+6H₂O），氧利用率达90%。独特的结构设计使贫氧空气在150°C低温排出，无需额外能量回收装置。

3. 系统建模与仿真

3.1. 配置A和B

配置A通过氨蒸发与蒸汽冷凝的热集成优化压力匹配，在膨胀压力0.2-0.3bar时电效率峰值达42.3%。配置B虽允许更高膨胀比，但效率受限。研究指出，在常压膨胀条件下，配置A电效率（40.2%）显著优于配置B（38.1%），凸显其工程应用潜力。

3.2. 热电联产

针对区域供热场景（输出80°C热水），HiPowAR系统相比传统蒸汽循环展现显著优势：氨耗量降低11.5%，发电量提升19.1%，电效率（LHV基准）达31.2%（蒸汽循环为23.2%）。总LHV效率达108.4%，因利用燃烧蒸汽冷凝热，功率-热量比提升至0.40。

4. 技术经济评估

4.3. 结果与讨论

在基准情景（氨价97€/MWh_LHV、电价200€/MWh_el）下，HiPowAR系统10年投资净现值(NPV)为1320万欧元，内部收益率(IRR)达24%，投资回收期(PBT)小于4年。敏感性分析表明，氧通量需高于1mL·cm^?2·min^?1才能保证盈利性。系统副产氮气和水的能力进一步增强了其在食品加工、缺水地区的应用价值。

5. 结论

HiPowAR系统通过膜反应器技术革新了传统氧燃料循环，在热电联产领域展现出超100%的总效率与显著经济性。尽管其在大规模纯发电场景竞争力有限，但通过多联产（电、热、氮、水）实现了能源梯级利用，为工业脱碳提供了创新路径。未来需进一步优化膜材料性能（如CSFM高温膜）并探索与工业流程的深度融合。

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