基于废热驱动的沼气联产-甲醇合成系统：二氧化碳甲醇化与电解水制氢耦合效能评估

本研究针对沼气发电厂废热利用率低与碳排放问题，创新性提出集成沼气联产(CHP)、质子交换膜(PEM)电解水制氢与CO2催化甲醇化的多联产系统。通过Aspen Plus V11模拟验证，系统实现1,538 kg/h高纯度甲醇产出，能源效率达69.27%，碳强度仅0.2091 kg/kWh，为可再生能源高效转化与碳减排提供技术范式。

　　

随着全球能源需求激增和气候危机加剧，传统化石能源体系面临严峻挑战。沼气作为有机废弃物厌氧发酵产物，其碳减排潜力比煤炭低37%，但现有沼气发电厂存在两大痛点：高达40-50%的废热未被利用，以及燃烧产生的CO₂直接排放。如何通过系统集成实现"废热驱动碳转化"，成为能源化工领域的关键科学问题。

山西某研究团队在《Fuel》发表的研究，构建了全球首个耦合沼气联产(CHP)、质子交换膜(PEM)电解制氢与CO₂甲醇化的多联产系统。该系统通过三级能量梯级利用：燃气轮机发电后的高温烟气(>500°C)驱动蒸汽轮机，中温废热(200-300°C)用于甲醇合成反应器预热，低温余热(<100°C)供给电解槽。研究采用Aspen Plus V11进行全流程模拟，运用Peng-Robinson物性方法计算多组分相平衡，通过灵敏度分析优化压力/温度参数，并建立经济-环境多目标评价模型。

系统描述
创新性设计"沼气燃烧-PEM电解-甲醇合成"三模块架构。燃气轮机排出的CO₂经胺洗捕集后，与电解产生的H₂按化学计量比3:1进入催化反应器，在Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂作用下合成甲醇。

能量分析
系统展现显著协同效应：总能源效率达69.27%，其中电力输出19,804.09 kW，热回收68,867.78 kW。关键发现在于电解槽与甲醇合成模块的热耦合，使废热利用率提升42%。

结果与讨论
在101.3 kPa基准工况下：

• 甲醇纯度达99%，生产成本457.39美元/吨，较传统工艺降低20-25%
• 碳强度0.2091 kg/kWh，优于欧盟生物能源标准(0.23 kg/kWh)
• 动态模拟显示系统在±15%沼气流量波动下保持稳定运行

结论
该研究突破性地实现"碳-氢-热"三重协同转化：每吨沼气可多产出1.2吨甲醇，同时减少1.8吨CO₂排放。技术经济分析表明，当电价低于0.0645美元/kWh时，系统内部收益率可达12.7%。研究为第二代生物精炼厂提供新范式，其模块化设计特别适合分布式能源场景。未来研究可探索非稳态操作下的催化剂寿命问题，以及与其他碳捕集技术的集成潜力。