基于沼气驱动的S-Graz循环与CO2捕集-加氢工艺的电力-甲醇联产系统数据驱动优化研究

本研究针对化石能源依赖与温室气体排放问题，创新性提出沼气驱动的S-Graz循环耦合蒸汽重整(BSR)和CO2加氢制甲醇(MeOH)的多联产系统。通过热力学-?经济-环境多维度分析及ANN-MOGWO智能优化，实现甲醇产率3.25 m3/h、成本0.5771 $/kg，?效率46.5%，为可再生能源高效转化提供新范式。

　　

全球能源转型背景下，化石燃料的过度使用导致温室气体激增与资源枯竭。尽管沼气作为含甲烷(CH₄)和二氧化碳(CO₂)的可再生能源备受关注，但现有研究多聚焦单一发电，未能充分挖掘其化学转化潜力。同时，S-Graz循环虽具备氧燃烧与CO₂捕集优势，却鲜少与沼气重整制氢技术结合。更关键的是，传统甲醇生产依赖高碳足迹工艺，亟需开发基于CO₂氢化的绿色合成路径。

为突破这些技术瓶颈，来自国内的研究团队在《Renewable Energy》发表创新成果，构建了全球首个集成沼气S-Graz循环、蒸汽重整(BSR)和CO₂加氢制甲醇的多联产系统。研究采用工程方程求解器(EES)和Aspen HYSYS联合仿真，结合人工神经网络(ANN)与多目标灰狼优化(MOGWO)算法，首次实现"电-醇"联产系统的数据驱动优化。

关键技术方法

1. 系统建模：通过EES建立S-Graz循环（含双压缩机与三级膨胀机）与BSR单元的热力学模型，Aspen HYSYS模拟甲醇合成反应器(MSU)
2. 多维度分析：采用?经济(exergoeconomic)和?环境(exergoenvironmental)方法评估成本与环境影响
3. 智能优化：基于ANN构建代理模型，运用MOGWO在可持续性指数-甲醇成本、产率-成本双场景下寻优

研究结果

• 敏感性分析
蒸汽碳摩尔比(SCR=0.377)被确定为最关键参数，直接影响重整反应效率与氢产率。

• 优化性能
场景二（产率-成本优化）展现最佳平衡点：

• 甲醇产率：3.25 m³/h（较基准提升21%）
• 单位成本：0.5771 /kg（低于文献值1.44/kg）
• ?效率：46.5%（超越同类系统5-10%）
• 可持续性指数：2.97（反映系统环境友好性）

• 经济指标

• 净现值(NPV)：160 M$
• 投资回收期：4.77年（显著优于传统化工厂）

结论与意义
该研究通过三大创新破解了可再生能源高效转化的难题：首先，首创沼气驱动S-Graz循环与BSR的深度集成架构，使CO₂捕集与氢化制甲醇形成闭环；其次，开发的分级热回收网络将系统?损降低18.7%；最后，数据驱动优化策略为复杂能源系统提供了可复用的智能决策框架。

研究成果不仅验证了沼气多联产技术的经济可行性（甲醇成本降低60%），更开创了"碳负排放"能源新模式——每吨甲醇可封存1.375吨CO₂。这项工作由Maghsoud Abdollahi Haghghi等学者完成，为城市废弃物资源化与清洁燃料生产提供了颠覆性解决方案，对实现《巴黎协定》温控目标具有重要实践价值。