基于边界一致性热力学与技术经济评估的城市固体废弃物气化-固体氧化物燃料电池-溴化锂水吸收式冷热电三联供系统集成研究

《Energy Conversion and Management-X》：Boundary-consistent thermodynamic and techno-economic assessment of an integrated MSW gasification–SOFC–LiBr–H 2O trigeneration system

　　

本研究开发了一种集成城市固体废弃物（MSW）气化、固体氧化物燃料电池（SOFC）与溴化锂水（LiBr-H2O）吸收式制冷的三联供系统的稳态Aspen Plus模型。研究人员对气化炉、SOFC和吸收式制冷机子模型进行了基准测试，追踪了气化和电化学反应框架，量化了气化炉和电流密度敏感性，并对四个耦合操作变量拟合了面心中心复合设计。研究贡献在于：(i) 应用可溯源的挪威MSW特性定义非传统Aspen进料；(ii) 将MSW气化、合成气调节、SOFC发电、区域供热和LiBr-H2O吸收式制冷集成于统一系统边界内；(iii) 区分确定性目标案例经济学与概率性经济性能；(iv) 透明报告财务薄弱的中间结果而非仅呈现有利的确定性案例。在所选的100 kg h-1设计容量下，系统可实现约186.65 kW直流毛功率、约153 kW交流净功率、134.08 kW供热和27.24 kW制冷。该框架连接了原料来源、过程建模、约束多响应分析、全系统热力学与设计阶段经济学。

研究背景、现存问题与研究意义

全球能源需求预计到2030年将增长40%，而化石燃料仍供应超过80%的一次能源，这加剧了温室气体排放和气候变化。同时，城市固体废弃物（MSW）产量持续增长，传统的填埋和焚烧方式要么浪费了物料的能量含量，要么释放有毒污染物。因此，垃圾发电技术成为传统处置方式的重要替代方案。挪威已承诺到2050年实现碳中和，并拥有能够吸收废物转化厂回收热量的大型区域供热网络，但现有MSW焚烧厂因热需求的季节性波动而遭受能量损失，这强烈激励将其升级为灵活的多输出转化路线。冷热电三联供（CCHP）系统通过单一燃料输入同时生产电力、热能和冷量，具有更高的总效率、更低的燃料成本和排放。由于全球变暖，冷却需求预计到2030年将与热需求持平，使得CCHP系统的重要性日益凸显。气化是将废弃物原料连接到这些高效系统的热化学途径，而固体氧化物燃料电池（SOFC）因其高效率和高质量余热是气化合成气的理想动力装置。然而，现有研究存在三个关键空白：不同研究采用的燃料、产品和辅助边界不一致导致数值排名具有误导性；平衡气化、电化学堆计算和响应面常分别验证，使整体声明的证据力不足；确定性经济结果即使依赖于上限运行小时数、完全热负荷或未经核实的成本因素也可能显得有吸引力。因此，本研究旨在通过建立一个保持系统连接性同时使每个证据边界可见的分析框架来填补这些空白。

研究内容、结论与意义

研究人员开发了一个稳态MSW气化-SOFC-LiBr-H₂O CCHP模型，在Aspen Plus中对气化炉、SOFC和吸收式制冷机子模型进行基准测试，量化操作参数敏感性，并采用响应面法（RSM）进行多响应优化。研究表明，在所选的100 kg h^-1设计容量下，系统可实现约186.65 kW直流毛功率、约153 kW交流净功率、134.08 kW供热和27.24 kW制冷。该研究的创新意义在于将可溯源的挪威MSW原料特性、全过程建模、约束多响应分析、全系统热力学与设计阶段经济学连接在一个统一的框架内，并通过区分确定性与概率性经济分析提供了更现实的评估。

关键技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法：（1）在Aspen Plus V14中建立稳态过程模型，将MSW定义为非常规固体，使用RGibbs反应器通过吉布斯自由能最小化进行平衡气化模拟，采用Peng-Robinson物性方法处理气化与SOFC气流，ELECNRTL方法处理LiBr-H₂O溶液；（2）通过Aspen计算器模块实现SOFC电化学子模型，评估可逆电压、极化损失和操作电压；（3）采用响应面法（RSM）结合面心中心复合设计（face-centred central composite design），对当量比（ER）、气化温度、蒸汽与生物质比（SBR）和MSW进料率四个耦合操作变量进行多响应优化；（4）进行边界一致的能量、?和技术经济评估，包括确定性与概率性技术经济分析。

研究结果

2.1 系统配置与设计基础

研究人员建立了包含MSW干燥、空气-蒸汽气化、合成气净化、SOFC发电、区域供热和LiBr-H₂O吸收式制冷的集成系统流程图。四个关键因素连接气化与下游性能：当量比（ER）、气化温度、蒸汽与生物质比（SBR）和MSW进料率。所有模拟均在稳态下求解，比较设计点但不解析启动、负荷跟踪或长期堆降解。

2.2 原料特性与Aspen Plus输入

MSW原料采用挪威可燃MSW研究的工业分析和元素分析数据（高位发热量21.8 MJ/kg）。模型中包含水分和灰分，硫和氯的存在对气体净化和Ni-YSZ阳极耐受性至关重要，计算出的合成气应解释为清洁燃料设计流而非原始气体可操作性的完整预测。

2.3 Aspen Plus过程建模

气化工段采用RYield分解非常规进料后进入RGibbs反应器进行吉布斯自由能最小化。该平衡公式在允许组分集内代表完全平衡转化极限，不解析有限反应速率、焦油形成或不完全碳转化。SOFC工段通过标准单元操作块组合表示，配合计算器模块评估电化学关系。余热1驱动LiBr-H₂O吸收式制冷发生器，余热2供应区域供热。

2.4 SOFC电化学建模

SOFC计算器耦合Aspen物流属性与电化学子模型，通过能斯特方程评估可逆电压，减去活化极化、欧姆极化和浓度极化得到操作电池电压。氢是直接电化学活性燃料，CO和CH₄通过水煤气变换和蒸汽重整途径间接贡献。

2.5 能量与?分析

研究人员建立了边界一致的能量和?评估框架，子系统能量效率基于各自的产品输出和燃料输入定义，避免了不同边界导致的误导性排名。

2.6 响应面法与多响应优化

采用面心中心复合设计（CCD）对ER、气化温度、SBR和MSW进料率四个变量进行实验设计，以最大化电力、热力和冷量输出。通过方差分析（ANOVA）评估模型显著性，利用期望函数法确定最优操作条件。

2.7 技术经济分析

进行了确定性和概率性技术经济评估，计算了资本成本、运营成本、收入流和经济指标如投资回收期和内部收益率。概率性分析通过蒙特卡洛模拟考虑了关键参数的不确定性，揭示了确定性分析可能掩盖的财务风险。

讨论与结论

讨论部分总结：研究结果表明，气化炉是?破坏的主要来源，揭示了效率改进的关键路径。RSM优化成功识别了CCHP系统的最优操作条件。概率性技术经济分析补充了确定性分析，提供了更现实的经济性能评估。与文献中其他集成系统相比，本研究的边界一致性方法确保了不同配置之间的公平比较。研究局限性包括稳态平衡建模、未考虑焦油形成、反应动力学、不完全碳转化、动态操作以及缺乏实验验证和现场特定成本核实。

研究结论翻译：本研究通过开发一个稳态MSW气化-SOFC-LiBr-H₂O CCHP模型，实现了边界一致的热力学和技术经济评估。在所选100 kg h^-1设计容量下，系统产生约186.65 kW直流毛功率、约153 kW交流净功率、134.08 kW供热和27.24 kW制冷。气化炉主导?破坏，揭示了效率提升途径。RSM优化确定了CCHP系统的最优操作条件。概率性技术经济分析补充了确定性分析，提供了更现实的经济性能评估。该框架将原料来源、过程建模、约束多响应分析、全系统热力学和设计阶段经济学连接在一起，为MSW基多联产系统的综合评估提供了方法论基础。