基于多级余热回收的离网联产系统可持续生产电子甲醇与多联产资源研究

本研究针对工业废热利用率低和碳排放问题，开发了一种集成地热与烟气余热梯级利用的离网联产系统，通过吸收式制冷、碳捕集封存(CCS)、反渗透(RO)、电解水等关键技术，实现67.71%能源效率和42.79%?效率，年减排CO2 26,396吨，产电子甲醇(e-methanol)、饮用水等多联产物，为碳中和目标提供创新解决方案。

　　

随着全球工业化进程加速，化石燃料消耗导致的温室气体排放量在过去20年激增65%，引发严峻的气候变化问题。传统能源系统效率低下，工业废热利用率不足50%，而甲醇作为重要化工原料，其传统生产方式每吨排放1.9吨CO₂
。如何实现废热资源化与低碳甲醇生产的协同优化，成为能源领域的关键挑战。

针对这一难题，研究人员开发了全球首个融合地热与烟气多级余热回收的离网联产系统。该系统创新性地将150°C以下低品位地热能与工业烟气余热耦合，通过11个功能单元协同工作：吸收式制冷机利用80°C余热供冷；碳捕集单元采用胺法吸收技术，捕获率超90%；反渗透装置日产淡水287.3m³
；质子交换膜电解槽(PEME)生产绿氢驱动CO₂
加氢反应，在铜锌催化剂作用下合成电子甲醇(e-methanol)，纯度达99.5%。系统采用?成本分配法进行经济评估，关键突破在于实现余热温度与用能单元的精准匹配——高温段(150°C)驱动有机朗肯循环(ORC)发电，中温段(90-120°C)供给甲醇合成反应器，低温段(50°C)用于CO₂
液化压缩。

Process description
系统核心是三级热集成设计：地热流体先经换热器预热电解用水，降温后与烟气共同进入ORC发电；剩余热量驱动吸收式制冷机制备7°C冷水；最后50°C废热用于液化CO₂
。这种"温度对口、梯级利用"策略使废热利用率提升至81.3%。

Energy and exergy analyses
热力学分析显示，压缩机K-101是最大耗能单元(1506.94kW)，而ORC透平输出电力占比达42%。系统总?损主要发生在甲醇合成反应器(占28.7%)和换热网络(19.4%)，通过优化传热温差将?效率提升至42.79%。

Results and discussion
年产电子甲醇5,814吨，同时联产氧气2,903吨、液化CO₂
12,740吨。与传统分产系统相比，单位产品成本降低37%，碳税节省34.6万美元/年。敏感性分析表明，地热流体温度每升高10°C，系统?效率提升1.2个百分点。

Parametric study
关键参数优化显示：H₂
/CO₂
摩尔比3.0时甲醇产率最高；电解槽功耗降至4.2kWh/Nm³
H₂
时经济性最佳；海水流量控制在60m³
/h可平衡淡水产量与能耗。

Sensitivity analysis
SHAP模型量化显示：地热流量对?效率贡献度达32.1%，反应器压力对甲醇产量影响权重为28.4%，证实热源稳定性比工艺参数更关键。

该研究开创性地构建了"废热-地热-CCUS"协同框架，其创新价值体现在三方面：技术上，首次实现150°C以下低品位热能的甲醇合成联产；环境效益上，每吨电子甲醇全生命周期碳足迹仅0.61kgCO₂
eq；经济性方面，平准化能源成本(LCOE)0.0926美元/kWh优于同类系统23%。研究为工业园区的能源-资源-环境协同优化提供了可复用的技术模板，特别适用于地热资源丰富地区的碳中和实践。未来通过催化剂活性和换热网络优化，系统效率有望突破70%这一关键阈值。