超临界水部分氧化自热联产系统（用于煤炭处理）的热力学、经济性和环境分析

《Journal of Cleaner Production》：Thermodynamic, economic, and environmental analysis of a supercritical water partial oxidation autothermal cogeneration system of coal

超临界水部分氧化（SCWPO）自热煤耦合产热系统热力学、经济与环境影响分析，提出新型SCWPO耦合CCS系统，通过热力学与Exergy分析验证其能源效率达85.8%、Exergy效率47.5%，最佳工况下背压8.5kPa，首级压力0.03MPa，经济性分析显示平准化能源成本79.95美元/MWh，投资回收期3.39年，生命周期评估显示全球变暖潜值为7.77×10?? kg CO?-eq/kWh，环境效益显著。

　　煤炭作为重要的化石燃料，在现代工业中扮演着关键角色。根据《2021年全球能源统计回顾》，全球已探明的煤炭储量约为1074.108十亿吨，其中中国的煤炭储量估计为143.197十亿吨，占全球总储量的13.3%。可以看出，中国的煤炭资源非常丰富。目前，中国超过50%的煤炭消耗用于发电（Zhang et al., 2023）。然而，传统的煤炭利用方式存在诸如二氧化碳排放和资源浪费等问题（Kim et al., 2024）。在全球推动碳减排的背景下，许多学者开始关注如何实现煤炭的低碳利用（Guo and Jin, 2013; Chen et al., 2021）。

超临界水气化（SCWG）作为一种先进的煤炭利用技术，因其超临界水（SCW）的独特性质而受到广泛关注（Li et al., 2024）。然而，该过程本质上是吸热的，需要持续的外部热能输入以维持反应运行，通常通过外部加热或提供高温预热水来实现。但这些方法会导致放热氧化反应器出口温度显著升高，从而产生较大的能量损失，增加系统复杂性，并提高运营成本。同时，使用高温预热水也带来了材料耐受性和操作稳定性方面的挑战。为了直接解决这一问题，超临界水部分氧化（SCWPO）技术应运而生（Spritzer et al., 2005; Hong and Spritzer, 2002）。SCWPO的核心创新在于其原位放热特性。该过程利用氧化反应本身释放的热量直接维持高温反应环境，从而彻底摆脱对高温预热水的依赖，实现系统的能量自给自足（Luo et al., 2024）。这一特性相较于传统SCWG技术具有显著优势，并成为煤炭无害化处理的重要基础（Ge et al., 2017）。SCWPO的环境效益不仅体现在原位污染物控制，还包括简化碳捕集过程（Ge et al., 2013）。独特的反应环境确保了不会产生氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx），从而实现了污染物的原位控制（Yoshida and Oshima, 2004）。此外，该系统直接利用氧化反应产生的混合工质（H2O + CO2）进行发电。混合工质在发电或供热后自然流入碳捕集与封存（CCS）单元，这种方式无需进行气体分离和预处理步骤，从而提高了碳捕集的效率和选择性（Guo et al., 2022）。

热力学分析（Khalid et al., 2025）能够揭示系统中不可逆过程的来源，并为评估和优化能量效率提供理论依据。经济分析（Ahamad et al., 2023）则评估了技术的可行性，是项目可行性的关键决定因素。在碳减排全球推广的背景下，环境分析（Ren et al., 2023）的重要性日益凸显，通过量化系统环境影响，成为评估技术可持续性的关键指标。许多研究人员已聚焦于该领域的深入研究（Qadeer et al., 2024a, 2024b）。Ren等人（Ren et al.）开发了一种新型太阳能固体氧化物燃料电池（SOFC）驱动的零碳CCHP系统，并结合水煤气变换膜反应器实现CO2分离。研究结果表明，这种集成方式显著提高了效率并减少了排放，使低排放、高效率的能量转换成为可能。Wang等人（2025）将生物质气化与质子交换膜（PEM）电解器、发电和制冷系统相结合，实现了58.99%的能源效率。该系统的CO2排放量和产品单位成本分别为0.4563 kg/kWh和23.99 $/GJ。Lan等人（2024）对一种基于海水蒸发的新型冷却和水联产系统进行了全面分析，该系统的单位能耗为19.77 kWh/t，投资回收期为4.24年。Parvez等人对生物质气化联产系统（Parvez, 2015）和用于发电、制冷和海水淡化等的太阳能驱动三联产系统（Parvez et al., 2024）进行了全面评估，两种系统的热力学效率分别为38.05%和29.59%。Li等人（2025a）提出了一种结合风能和太阳能的绿色甲醇生产集成系统，该系统的能源效率为36.9%，热力学效率为34.08%。该系统的碳足迹为0.185 kg CO2/kg MeOH，甲醇的平准化成本为984 $/t，显示出其在可持续和近零排放燃料生产中的巨大潜力。Chen等人（2022a）对生物质发酵残渣的SCWG进行了全面评估，发现提高温度和降低残渣浓度可以增强氢气产量，其全球变暖潜力（GWP）为?216.6 kg CO2-eq/功能单位。Deng等人（2025）建立了一个污泥SCWG工艺，并确定了温度和水分含量是影响系统效率的关键参数，同时经济可行性高度依赖于能源价格。类似的研究结论也出现在Hu等人（2024a）、Chen等人（2023）和Khandelwal等人（2024）的研究中，他们一致强调SCWG的经济可行性对能源成本的高度敏感性。Qi等人（2024）利用改进的SCWG系统处理了4.3%浓度的废水，同时报告了较低的全球变暖潜力（GWP）为5.27 kg CO2-eq/kg H2，表明该技术对环境影响极小。

SCWPO技术已经引起了广泛关注，研究者通过实验和数值模拟进行了系统的探讨。Ge等人（2020）提出了一种非催化SCWPO机制，利用一个集总动力学模型来研究煤炭在SCWPO过程中的行为，从而加深了对煤炭在SCWPO过程中的理解。Liu等人（2023）和Xiong等人（2024）分别使用吲哚和2-甲基噻吩研究了不同材料在SCWPO反应中的反应特性。他们分析了这两种不同模拟化合物在SCWPO后的氮和硫分布，以进一步揭示SCWPO的反应机制。Ren等人（2021）对乙醇的SCWPO进行了实验研究，发现脱氢和热解是初始氢气生成的主要途径。Bei等人（2022, 2023）则对乙醇在自热条件下连续反应器中的SCWPO进行了计算流体力学（CFD）研究。这些CFD研究有效地优化了SCWPO反应器的设计，并为自热反应器在SCWPO应用中的扩大化奠定了基础。然而，目前对SCWPO系统在应用和热力学、经济及环境分析方面的研究仍显不足，亟需更深入的讨论以推动SCWPO技术的实际应用和进一步发展。

本研究提出了一种连接碳捕集与封存（CCS）单元的煤炭SCWPO自热联产系统，并在典型运行条件下进行了全面的能量和热力学分析。接着，对背压和碳捕集能耗及其对系统性能的影响进行了探讨。重点分析了关键运行参数（预热水与煤浆的比例、预热水温度）以确定最佳运行条件。通过经济分析，评估了系统的总投资成本、投资回收期和平准化能源成本，从而判断其经济可行性。同时，通过生命周期评估（LCA）验证了系统的环境表现。本研究为未来SCWPO系统的优化和规模化提供了重要的理论基础，有助于加快该技术的工业化应用。