直接颗粒-反应器壁传热太阳能驱动熔盐甲烷热解系统的设计与技术经济评估

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：A novel Solar-Driven Molten-Salt methane pyrolysis system with direct Particle-to-Reactor-Wall heat Transfer: Design and Techno-Economic assessment

　　

直接颗粒-反应器壁传热（direct particle-to-reactor-wall heat transfer）可实现太阳能甲烷热解（solar methane pyrolysis）。基准工厂（baseline plant）的容量因子（capacity factor）为69%，甲烷转化率（methane conversion）为44.7%，年产氢6705吨。尽管提高了太阳能热成本（solar heat cost），但更高的反应器温度（reactor temperature）可降低平准化氢气成本（levelized cost of hydrogen, LCOH₂）。天然气（natural gas）占LCOH₂的54%；传热（heat transfer）是主要设计敏感性（design sensitivity）。在4美元/公斤氢气价格下，计入碳信用（carbon credit）后净现值（net present value, NPV）为5320万美元，折现回收期（discounted payback）为12年，且不依赖45 V清洁氢生产税收抵免（Section 45 V clean hydrogen production tax credit）或低碳燃料标准（Low Carbon Fuel Standard, LCFS）。

在低碳能源转型背景下，氢气被视为难以电气化部门深度脱碳的关键能源载体。甲烷热解（methane pyrolysis）因其将甲烷直接转化为氢气和固体碳而不产生CO₂、且耗电量显著低于电解水，受到广泛关注。然而，非催化热解法需超过1200°C的运行温度，而过渡金属催化剂又面临积碳失活及再生活化产生CO₂的问题。熔融盐媒介通过连续更新的反应表面克服了上述局限，但现有研究多依赖中间传热流体或电加热供应高温工艺热，导致热损失、设备复杂性及资本成本增加。第三代聚光太阳能热发电（Gen3 concentrated solar power, Gen3 CSP）技术以固态颗粒同时为太阳能吸收、传热与储热介质，可为850–1050°C的熔盐甲烷热解提供所需热量。发表于《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》的本文，提出了将基于颗粒的Gen3 CSP电厂与熔盐鼓泡反应器阵列通过直接颗粒-反应器壁传热耦合的系统，避免了中间传热步骤，并开展了全面的技术经济评估。

研究人员开发了一个全耦合技术经济框架，将逐时定年（hourly, annually resolved）的聚光太阳能热发电（concentrated solar power, CSP）模型与熔盐甲烷热解反应器模型集成，无需中间传热流体。技术经济分析基于设备专用裸模块成本法（bare-module costing）与流体力学反应器尺寸设计，通过折现现金流（discounted cash flow）和净现值（net present value, NPV）评估项目经济性。研究采用Daggett, California的典型气象年（Typical Meteorological Year, TMY2）数据，以MnCl₂-KCl（50:50摩尔比）熔融盐为反应介质，碳化硅（silicon carbide, SiC）内衬与Inconel 625镍基高温合金外壳的反应器壁，通过颗粒床层与熔盐间的传热模型计算盐浴温度和壁温，并在敏感性分析中改变颗粒侧传热系数。

*基准系统性能（Baseline system performance）*
研究人员构建了在10.08 MW_th热功率下运行的基准系统，将优化后的CSP子系统与熔盐甲烷热解反应器耦合。在接收器出口颗粒温度1100°C、冷颗粒950°C条件下，盐浴计算温度为935.7°C，甲烷单次通过转化率为44.7%（对应平衡转化率95.1%），需要45个平行鼓泡反应器模块。颗粒侧接触热阻约占总热阻的70%，粒子离开反应器阵列时温度仅高于盐温约14 K。Inconel 625外壳热端外壁面温度达971°C，低于其982°C的上限使用温度。计入每吨200美元的商品级固体碳信用后，平准化氢气成本（levelized cost of hydrogen, LCOH₂）从3.867美元/公斤降至3.519美元/公斤，降幅9.0%，年产氢6705吨。

*年运行与季节特性（Annual and seasonal operation）*
通过逐时模拟，研究人员发现系统采用先储后用的调度策略，将接收器热量优先存入储热装置，待储能超过相当于3小时满负荷运行的阈值后才启动反应器。四季每日运行呈现两种不同模式：冬春季因前周期储能充足，反应器可在日出前持续运行；夏秋季则因储能不足，需等待阈值积累后延迟启动。月容量因子从11月的46.8%变化至5月的92.3%，对应月产氢量相差约一倍。全年CSP子系统入射218.8 GWh太阳能，其中69.8 GWh被递送至颗粒及储热系统，61.0 GWh被热解反应器消耗，定日镜场光学损失为最大单项损失。

*聚光太阳能子系统设计选择（CSP subsystem design selection）*
研究人员通过同时改变太阳能场规模、接收器开口面积和塔高进行多目标优化，以平准化热量成本（levelized cost of heat, LCOH）最小化为目标，并施加2 MW/m²的峰值通量约束。在满足通量约束的70种构型中，15种LCOH在所选设计10%范围内，表明近优解区域较宽。所选设计并非无约束全局最优，但其满足接收器峰值限制，且相对无约束最优解的LCOH惩罚不到1%。

*储热容量优化（Thermal energy storage sizing）*
在固定场与接收器几何后，研究人员对储热时长进行独立优化。容量因子随时长增加而单调上升，从8小时的52.8%升至20小时的74.3%；LCOH则在15至16小时附近出现浅最小值（约0.0339美元/kWh）。基准使用的14小时储热处于该最小值约2%范围内，实用13至17小时区间内不敏感。

*接收器和反应器温度对系统性能的影响（Effect of receiver and reactor temperature on system performance）*
研究人员将热颗粒温度从1000°C变化至1200°C，对应盐浴温度847至1021°C。甲烷单次转化率因阿伦尼乌斯动力学限制从18%升至75%，所需反应器模块数从72减至34。尽管接收器与储热成本随温度升高近似线性增加，且LCOH从0.0320升至0.0377美元/kWh，但反应器资本降低幅度更大，因此无碳信用LCOH₂从4.93美元/公斤降至3.57美元/公斤。当热颗粒温度高于约1110°C时，计算外壁温超过Inconel 625上限使用温度982°C。

*技术经济评估（Techno-economic assessment）*
总装机资本63.6百万美元，其中CSP子系统占38.4%，热解装置占61.6%。反应器模块占热解过夜成本的41.6%，考虑间接费用后约占总投40%。LCOH₂无碳信用时为3.867美元/公斤，其中天然气（natural gas）原料占54.1%（2.091美元/公斤），为绝对主导成本；年资本回收、辅助电力、CSP热费及固定运维分占6.8–9.2%。敏感性分析显示，颗粒-反应器壁传热系数为最具影响力的设计参数，在100–400 W/m²·K之间变化时，含中间品级碳信用（G2）的LCOH₂在3.48–3.78美元/公斤间波动。天然气价格扫掠显示，无碳信用时LCOH₂始终高于蓝氢（blue hydrogen）参考带（1.5–2.1美元/公斤）；仅采用高品级碳信用且气价低于约5.6美元/GJ时进入蓝氢范围。在4.00美元/公斤氢价下，基准案例（无45 V或LCFS支持）30年NPV为53.2百万美元，折现回收期（discounted payback, DPP）为12年；计入45 V清洁氢生产税收抵免（Section 45 V clean hydrogen production tax credit）或低碳燃料标准（Low Carbon Fuel Standard, LCFS）可分别将回收期缩短至6年和7年，两者并用则缩短至4年，NPV分别达106.5、119.5和172.8百万美元。

*与先前研究的比较（Comparison with previous studies）*
研究人员将本模型与Razmi等、Pruvost等及He等的熔盐甲烷热解技术经济评估进行基准比较。在Razmi等的相近条件（热颗粒1200°C、气价6美元/GJ）下，本模型LCOH₂为1.89–2.32美元/公斤（取决于碳信用等级），但仍高于Razmi等报告的1.93美元/公斤基准值，差异主要源于本工作采用了更保守的设备级Turton裸模块成本法与流体力学反应器尺寸设计，而Razmi等使用了幂律标度（power-law scaling）方法。

研究表明，天然气原料价格与碳资源化利用是进一步降低成本的主要杠杆，而核心不确定性集中于直接颗粒-反应器壁传热及反应器壁耐久性。该反应器构型仍属概念设计，需实验验证SiC内衬与Inconel 625外壳在熔融MnCl₂-KCl中的兼容性，包括腐蚀、蠕变、热循环及颗粒磨损。未来工作应优先测量颗粒侧传热系数及熔盐相容性，并开展中试规模示范。