基于CO2辅助生物质气化与超临界CO2动力循环的多联产系统?经济分析

《Chemical Engineering Journal Advances》：Exergoeconomic analysis of multigeneration system based on CO 2-assisted biomass gasification and supercritical CO 2 power cycle

　　

摘要专业翻译 通过多联产能源系统对生物质进行高效利用，为将生物质转化为多种有用能源产品并提高整体资源利用率提供了一种有前景的途径。本研究提出了一种多联产能源系统，通过法国梧桐叶片（Chinar leaves）的CO2辅助气化（CO2-assisted gasification），同时生产富氢生物燃料（H2-rich biofuel）、电力和热水。所提出的系统集成了气化炉、水煤气变换反应器（water-gas shift reactor）、超临界CO2布雷顿循环（supercritical CO2 Brayton cycle）、热回收单元及辅助部件。研究人员通过能量分析、?分析（exergy analysis）和?经济分析（exergoeconomic analysis）对系统性能进行了评估。随后，采用响应面法（response surface methodology, RSM）结合期望函数（desirability function）进行多目标优化，以最大化富氢生物燃料产量、净发电量、热水产量和?效率，同时最小化产品单位成本总和（sum unit cost of products, SUCP）。在最优运行条件下，所提出的系统可产生26.7 g/s的富氢生物燃料、119.6 kW的电力和2.1 kg/s的热水，?效率达到41.1%。基于生物质成本2.0 /GJ，产品单位成本总和为31.3/GJ，整体期望度为0.7。使用原始热力学模型进行的直接验证模拟与RSM预测结果高度一致，五项优化响应的相对偏差均小于1%。

论文解读文章

一、研究背景与问题提出

随着温室气体排放、空气污染、全球变暖等环境问题日益严峻，以及不可再生化石燃料的不可持续开采，开发更清洁、更可持续的能源替代方案已成为迫切需求。生物质作为一种分布广泛的可再生能源资源，具有减少净二氧化碳排放的潜力，并能将农业、林业和城市有机废弃物转化为有用的能源产品，符合循环经济理念。在众多生物质转化技术中，热化学气化因其能将固体生物质高效转化为合成气而受到广泛关注。CO₂辅助气化作为一种碳利用途径，可改善资源利用率并降低生物质转化的环境负担。与此同时，多联产能源系统因其能够从单一能源资源同时生产电力、燃料和热能等多种有用产品而备受关注，相比传统单产系统可显著提高整体资源利用率。

然而，文献调研表明，现有研究虽然已在生物质热化学转化、富氢合成气提质、先进动力循环、热回收和过程优化等方面取得了显著进展，但这些要素通常被单独或部分组合地研究。具体而言，已有研究未能同时将CO₂辅助生物质气化、水煤气变换提质、超临界CO₂布雷顿循环和家用热水回收集成在单一的多联产框架内并进行同步多目标优化。此外，CO₂/原料比、H₂O/CO比和压缩比对集成系统性能的综合影响在现有文献中也尚未得到全面研究。这一研究空白促使了本研究的开展。

二、研究内容与主要结论

本研究以法国梧桐叶片（Chinar leaves）为生物质原料，构建了一个集成CO₂辅助气化、水煤气变换转化、超临界CO₂布雷顿循环发电、热回收及辅助部件的多联产系统。系统以CO₂作为气化剂，生物质在气化炉中发生气化反应生成合成气，合成气经旋风分离器去除固体颗粒后，进入水煤气变换反应器与加压加热的水反应，将CO转化为额外的H₂，从而获得富氢生物燃料。在发电侧，超临界CO₂作为工质经压缩机增压、回热器和加热器升温后进入透平膨胀做功发电，透平出口的残余热量先后在回热器和家用热回收单元中被回收，用于加热生活热水。

研究人员建立了组件级热力学模型，并通过能量、?和?经济分析对系统性能进行了全面评估。在此基础上，采用中心复合设计（central composite design, CCD）系统构建了三个主要操作变量（CO₂/原料比、H₂O/CO比和压缩比）的设计空间，并开发了五项性能响应的二次代理模型。随后，采用基于期望函数的多目标优化方法，对所有目标赋予相等的权重和重要性，以最大化富氢生物燃料产量、净发电量、热水产量和?效率，同时最小化产品单位成本总和。

在最优运行条件下，系统可产生26.7 g/s的富氢生物燃料、119.6 kW的电力和2.1 kg/s的热水，?效率达到41.1%，产品单位成本总和为31.3 /GJ（基于生物质成本2.0/GJ），整体期望度为0.7。通过原始热力学模型进行的直接验证模拟显示，与RSM预测结果的相对偏差均小于1%，验证了优化结果的可靠性。此外，?和?经济分析量化了系统各部分的能量品质退化、不可逆性和成本形成过程，CO₂排放量作为定量环境指标也得到了评估。

本研究的主要贡献不在于引入文献中已确立的单项技术，而在于将这些技术集成应用于CO₂辅助生物质到多联产的路径中，并在统一的热力学、?、?经济和环境评估框架下进行同步优化。该框架为评估气化、H₂提质、先进动力发电和热回收之间的相互作用提供了系统基础，并为确定平衡竞争性技术、热力学、经济和环境目标的操作条件提供了方法支撑。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：基于质量、元素、能量和?平衡方程的热力学建模方法，其中气化反应和水煤气变换反应中的气体按理想气体处理，超临界CO₂布雷顿循环工质采用真实流体热物性，物性参数直接取自EES物性数据库；?经济分析方法，用于量化系统各组成部分的能量品质退化和成本形成；响应面法（RSM）结合中心复合设计（CCD）构建设计空间并开发二次代理模型；基于期望函数的多目标优化方法，对所有优化目标赋予相等权重；以及使用原始热力学模型进行直接验证模拟，以评估RSM预测的准确性。

四、研究结果

系统性能评估结果： 通过能量、?和?经济分析对系统性能进行了全面评估。在最优运行条件下，系统实现了41.1%的?效率，产品单位成本总和为31.3 $/GJ，整体期望度为0.7。

优化结果验证： 使用原始热力学模型对RSM优化结果进行了直接验证模拟。验证结果表明，五项优化响应的相对偏差均小于1%，证实了RSM预测结果与原始热力学模型之间具有高度一致性。

环境评估结果： CO₂排放量作为定量环境指标被纳入评估框架，为系统环境性能提供了量化依据。

五、讨论与结论总结

讨论部分指出，与已有研究相比，本研究的创新之处在于首次将CO₂辅助生物质气化、水煤气变换提质、超临界CO₂布雷顿循环和家用热水回收同时集成于单一多联产框架中，并进行了同步多目标优化。研究还系统考察了CO₂/原料比、H₂O/CO比和压缩比对集成系统性能的综合影响，填补了现有文献的研究空白。

研究结论表明，所提出的多联产系统能够在最优操作条件下同时高效生产富氢生物燃料、电力和热水，实现41.1%的?效率和31.3 $/GJ的产品单位成本总和。RSM优化结果与原始热力学模型的直接验证模拟高度一致，验证了优化方法的可靠性。该研究为生物质多联产系统的集成设计、性能评估和多目标优化提供了系统的分析框架，对推动生物质能源的高效利用和CO₂资源化利用具有重要的理论意义和应用价值。