一种利用海洋塑料和微藻发电的新集成系统的热力学与生命周期评估

《Biomass and Bioenergy》：Thermodynamic and life cycle assessment of a novel integrated system for power generation from marine plastics and microalgae

　　

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  一个耦合的超临界水气化（SCWG）– 超临界水氧化（SCWO）系统整合了塑料转化和有机朗肯循环（ORC）热回收功能。
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  生物质燃烧和热传递是能量损失的主要来源。
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  所模拟的涡轮机和ORC总共可产生32.06兆瓦的电能。
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  碳捕获与封存（CCS）进一步降低了运行评估边界内的全球变暖潜能值（GWP）。

引言

海洋塑料污染和过量的海洋微藻生物量带来了环境挑战，同时也为资源回收提供了机会[1][2][3][4][5]。传统的热化学废物转化为能源的技术，如直接燃烧和热解，存在原料特定的限制。湿微藻生物量可能需要在干热转化前进行能耗较高的脱水和干燥[5][6]，而混合或受污染的塑料废物则需要分类和清洁以减少杂质并提高热解产品的质量[7]。关于微藻水热液化的研究量化了栽培和加工相关的能源需求和碳足迹[8]，而微藻生物精炼的评估则考察了干燥、厌氧消化以及生物质衍生产品的环境和经济负担[9]。这些发现强调了在评估海洋废物转化系统时考虑原料准备和能源投入的重要性。

超临界水气化（SCWG）可以在高温高压下将湿有机原料转化为气态产品，从而减少了对能源密集型原料干燥的需求[10][11][12]。Matsumura等人[13]回顾了近临界水和超临界水中生物质气化的技术现状和挑战。最近，Heeley等人[14]将微藻SCWG实验与过程建模相结合，表明进料浓度及相关泵送和加热要求会影响整个系统的性能。因此，应区分反应器级别的转化和整体系统效率。

将吸热气化与放热过程（如超临界水氧化SCWO）耦合，为内部热供应提供了一条可能的途径[15][16]。先前的研究使用热力学建模和热回收分析研究了不同废物和生物质的SCWG配置[17][18][19][20][21][22]。Liu等人[23]评估了一种包含有机朗肯循环（ORC）选项的两阶段生物质SCWG配置，并进行了生命周期评估（LCA），而Tan等人[24]研究了结合氧燃料燃烧和烟气利用的生物质气化联合循环。尽管这些配置与当前设计不同，但它们证明了为什么应一起评估热集成、辅助能源需求和评估边界。

相关的发电研究考察了燃气轮机和生物质燃烧联合循环中的能源和能量损失。Athari等人[25]研究了蒸汽注入和进气雾化对燃气轮机能量经济学的影响[25]，并比较了生物质燃烧后燃烧和共燃烧电厂的设计[26]。Soltani等人[27]评估了生物质气化整合的联合循环配置，而Fatemi Alavi等人[28]研究了基于CO₂的燃气轮机底循环中的蒸汽注入。这些研究为能源、能量和热回收分析提供了方法论背景，而非对SCWG–SCWO过程的直接验证。

最近的多联产概念还将能源系统集成扩展到了碳管理和多种产品。例如，包括风能和沼气辅助的能量系统，这些系统具有双重CO₂捕获功能[29]；太阳能辅助的甲烷和电力联合生产系统，配备热存储[30]；以及液化天然气（LNG）辅助的沼气氧燃料系统，用于生产甲烷和氨[31]。其他配置将太阳能或生物质能与燃料电池、热光伏、氢气生产或燃料合成相结合[32][33][34]，或将生物质能与地热能结合[35]。在沼气–LNG辅助系统中比较不同的氢气生产路线进一步说明了组件选择和一致性能指标的重要性[36]。这些研究是系统集成的类比，而非当前海洋废物SCWG–SCWO配置的直接证据。

然而，一个通过SCWG–SCWO处理海洋塑料浆液并在单独的燃烧分支中使用微藻的集成配置的性能需要针对具体配置进行评估。在这种设计中，必须评估换热器的负荷、涡轮机的工作量、泵送需求以及ORC的贡献，才能得出热集成改善净电力输出的结论。环境结果还取决于生命周期评估（LCA）的清单、功能单元以及电力信用和碳捕获与封存（CCS）的处理方式。这些考虑因素促使人们进行明确的热力学和环境评估，而不是假设热自给自足或净负排放。

因此，本研究开发了一个稳态Aspen Plus模型，用于集成海洋塑料SCWG–SCWO、微藻燃烧、多级涡轮机膨胀和ORC的系统。本研究的主要创新点如下：(1) 提出了一种热耦合的SCWG–SCWO配置，用于海洋塑料转化，并与单独的微藻燃烧分支相结合，为从这两种海洋废物流中回收能源提供了协调的途径。(2) 一种级联热回收方案将多级涡轮机膨胀与基于异丙醇的ORC相结合。组件级别的能量和能量平衡区分了电力生成的贡献，并确定了不可逆性的主要来源。(3) 一个统一的评估将热力学性能和运行条件敏感性与操作边界LCA联系起来。对每千克干海洋塑料进行一致的标准化处理，使得可以在同一评估边界内评估与电力相关的排放信用和模拟的CCS选项。

章节片段

系统描述

图1展示了所提出的集成发电系统的示意图，该系统同时处理微藻生物量和海洋塑料。该系统结合了两种平行的热化学转化路线和级联热回收网络以及多级涡轮机膨胀[37]。

敏感性分析结果

基线Aspen Plus流程图（包括流体温度和质量流速率）见图S2。HX1–HX4和ORC换热器的相应进出口温度、质量流速率和传热负荷在补充材料的表S2中进行了总结。“液体氧气”项代表了供应的液体氧气流在能量平衡中的能量贡献及其在能量平衡中的相应能量贡献。“泵”项

结论

本研究提出并评估了一种新颖的并行双路径废物转化为能源的系统，该系统整合了SCWG、SCWO、微藻燃烧和ORC技术，用于海洋塑料和微藻的联合利用。基于热力学、能量和环境分析，主要结论如下：

• 在选定的操作条件下（25 MPa、微藻燃烧温度1450°C、干塑料与浆液水的质量比为1:3），系统

CRediT作者贡献声明

宋阳：撰写 – 初稿撰写、验证、方法论研究、调查、概念化。 黄玉灿：撰写 – 审稿与编辑、调查。 董润秋：撰写 – 审稿与编辑、调查。 张建超：撰写 – 审稿与编辑、调查。 蔡金良：撰写 – 审稿与编辑、调查。 孙静莉：撰写 – 审稿与编辑、资金获取。 徐佳玲：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的、可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52406189）、上海市自然科学基金（编号：24ZR1438400）、江西省自然科学基金（编号：20252BAC200326）和陕西省自然科学基础研究计划（编号：2025JC-YBQN-672）的支持。

宋阳 | 黄玉灿 | 董润秋 | 张建超 | 蔡金良 | 孙静莉 | 徐佳玲 | 彭志勇 | 金辉 | 赵亮