120升保温容器中稻草的自热特性：实验与计算流体动力学（CFD）研究

《Fuel》：Self-heating characteristics of rice straw in a 120-L insulated container: Experiments & CFD studies

本研究提出一种新型生物质气化多能产生系统，整合化学 looping 空气分离（CLAS）氨合成与半封闭超临界CO2循环发电。通过多物质协同优化机制，系统实现58.6%能源效率和52%熵效率，较传统生物质制氨系统提升14.6%，经济回收期合理（LOCA 391.97美元/吨），为碳中和目标下的清洁氨生产提供新路径。

　　本研究由多位科学家共同完成，旨在探索一种全新的多联产系统，以解决传统工业氨合成过程中存在的严重环境污染、对不可再生化石资源的高度依赖以及高能耗等问题。该系统基于多智能体辅助的生物质气化技术，通过将化学循环空气分离（CLAS）氨合成工艺与半封闭超临界二氧化碳循环（sCO?）发电单元相结合，实现能源的高效利用与资源的循环再利用。这一创新性设计不仅提高了氨合成的效率，还通过废物热回收和氢气的定向利用，进一步增强了系统的经济性和环境友好性。

### 研究背景与意义

化学工业的“去化石化”已成为应对气候变化、实现国际协议目标和可持续发展目标的关键环节。目前，以天然气制氢为主的传统氨合成工艺仍然是行业标准，其占全球氨产量的三分之二，而煤炭则作为辅助原料被广泛使用。然而，这一过程带来了严重的环境问题，每生产一吨氨会排放2.7至3.4吨温室气体二氧化碳，同时占全球能源消耗的大约1%-2%。因此，寻找基于可再生能源的绿色氢源以替代传统化石燃料，成为实现清洁高效氨生产的重要途径。

当前，绿色氨生产的主要技术路径可分为两大类。第一类技术旨在降低反应的活化能，通过异相催化、电催化等方法优化反应条件，使反应更加温和可控。第二类技术则通过改变氢气的供应方式，减少对化石能源的依赖，同时结合多种技术从空气中分离氮气，实现氨的绿色合成。其中，生物质气化作为氢气供应的重要方式，因其原料来源广泛、环境友好性高而受到广泛关注。

生物质是一种碳中性的可再生能源，其在全球初级能源需求中占比约为14%，仅次于煤炭、石油和天然气。生物质的种类繁多，包括木材、木屑、农作物、秸秆以及森林废弃物等。通过生物质气化，可以高效地将这些材料转化为合成气（主要成分为一氧化碳和氢气），并将其用于多种用途，如直接作为布雷顿循环的燃料进行高效发电，或作为合成化学品（如甲醇和氨）的原料。在本研究中，合成气中的氢气被用于氨合成，而其他成分如一氧化碳则被用于发电单元。由于植物在生长过程中会吸收大气中的二氧化碳，因此在发电过程中引入碳捕集装置（如BECCS）可以使生物质气化过程实现负碳排放，从而有效降低大气中的二氧化碳浓度。

近年来，超临界二氧化碳循环（sCO?）技术取得了快速进展，尤其在半封闭循环系统中，其具有显著的碳捕集能力。由于其工作流体为二氧化碳与水的混合物，燃烧产物可以直接从循环系统的冷端分离，实现接近零碳排放的效果。此外，由于使用高密度sCO?作为工作流体，该循环系统能够实现更高的净效率。Allam等人提出了一种具有代表性的半封闭循环系统，因其高净效率而受到广泛关注。在该系统中，天然气燃料系统能够实现59%的能源效率，而煤炭燃料系统则达到51%的能源效率。然而，这些系统往往忽视了合成气中所含的宝贵氢气，未能将其用于高附加值的化学合成过程。

为了弥补这一不足，本研究提出了一种新型的多联产系统，将CLAS技术与生物质气化、氨合成以及sCO?发电单元相结合。该系统通过多智能体辅助技术，优化了气化过程的参数设置，使合成气的成分更加理想，从而提升系统的整体性能。同时，该系统实现了二氧化碳的多用途利用，既作为生物质气化的辅助气化剂，又作为sCO?循环的工作流体，还作为管道运输和地质储存的介质。这一创新性设计不仅提高了系统的能源利用效率，还增强了其经济可行性。

### 系统设计与运行机制

本研究提出了一种全新的多联产系统，该系统通过将生物质气化、CLAS技术、氨合成以及sCO?发电单元相结合，实现能源的高效利用和资源的循环再利用。该系统的核心在于对合成气的分级利用，使一氧化碳用于发电，而氢气则用于氨合成。通过这种方式，系统能够有效回收气化过程中的废物热，用于发电，从而提高整体的能源效率。

在系统运行过程中，生物质首先被送入气化炉，与气化剂（如二氧化碳、蒸汽和氧气）发生反应，生成合成气。随后，合成气经过换热器进行热交换，再通过一系列分离和干燥工艺，最终被净化为纯氢气。这一过程不仅提高了氢气的纯度，还优化了系统的整体性能。同时，该系统通过引入CLAS技术，实现了氮气的高效供应，从而降低了氨合成过程中的能耗和成本。

### 技术分析与优化

为了评估该系统的性能，研究团队采用了多种分析方法，包括能量分析、熵分析和经济分析。能量分析主要关注系统在不同运行条件下的能量效率，而熵分析则用于评估系统的热力学性能。经济分析则用于评估系统的经济可行性，包括投资成本、运营成本以及回收周期等。

在能量分析中，研究团队发现，该系统能够实现58.6%的能量效率，显著高于传统生物质制氨系统的44%。在熵分析中，系统能够实现52%的熵效率，进一步证明了其在热力学性能上的优势。经济分析则显示，该系统能够在合理的时间内回收成本并开始盈利，其单位成本（LOCA）为391.97美元/吨，显示出显著的经济优势。

此外，研究团队还进行了敏感性分析，以评估系统在不同参数设置下的性能变化。这一分析不仅帮助确定了系统的最佳运行条件，还揭示了系统在不同参数设置下的热力学性能变化规律。通过这种方式，研究团队能够优化系统的运行参数，使其在不同条件下都能保持较高的效率和经济性。

### 系统创新点

本研究的创新点主要体现在三个方面。首先，系统采用了多种气化剂，以优化气化过程的参数设置，从而减少焦炭的形成，并提高合成气的成分质量。其次，系统实现了二氧化碳的多用途利用，使其既作为生物质气化的辅助气化剂，又作为sCO?循环的工作流体，同时还作为管道运输和地质储存的介质。这一设计不仅提高了系统的能源利用效率，还增强了其经济可行性。最后，系统通过引入CLAS技术，实现了氮气的高效供应，从而降低了氨合成过程中的能耗和成本。

### 研究成果与应用前景

研究团队通过系统的实验和模拟，验证了该多联产系统的可行性。实验结果显示，该系统能够在多种运行条件下保持较高的效率和经济性，同时有效降低碳排放。这一研究成果为实现生物质的清洁转化和工业氨生产的可持续发展提供了重要的理论依据和技术支持。

此外，该系统还具有广泛的应用前景。通过多联产设计，系统能够实现多种能源的协同利用，提高整体的能源效率和经济性。同时，该系统能够有效降低碳排放，为实现碳中和目标做出重要贡献。因此，该系统不仅在工业氨生产中具有重要的应用价值，还为其他绿色能源的开发和利用提供了新的思路。

### 研究意义与未来展望

本研究的成果表明，通过多联产系统的设计和优化，可以实现生物质的高效利用和工业氨生产的可持续发展。这一系统不仅能够有效降低碳排放，还能提高能源利用效率，从而为实现绿色制造和碳中和目标提供重要的支持。未来，随着技术的不断进步和应用的不断拓展，该系统有望在更多领域得到应用，为实现清洁高效的工业生产提供新的解决方案。