对用于食品制造的工业双燃料燃烧器中静态氢碳减排效果的全面能源平衡分析和技术经济评估

《Fuel》：Comprehensive energy balance analysis and techno-economic evaluation of static hydrogen carbon savings for an industrial dual-fuel combustor used in food manufacturing

　　迈克尔·肖特（Michael Short）| 埃德加·塞戈维亚（Edgar Segovia）| 法伊克·哈马德（Faik Hamad）| 迪帕尔·帕特尔（Dipal Patel）| 胡达·达伍德（Huda Dawood）| 保罗·拉塞尔（Paul Russell）| 克雷格·泰瑟（Craig Tether）
泰赛德大学（Teesside University）计算、工程与数字技术学院，米德斯布罗（Middlesbrough），TS1 3BX，英国

**摘要**
工业领域约占英国温室气体排放总量的四分之一，英国政府设定了雄心勃勃的净零排放目标，包括在2040年前建立首个净零排放的工业集群。重工业的脱碳将依赖于碳捕获与储存等技术以及向低排放燃料（如氢气）的转型，然而其采用受到技术可行性、成本和供应等方面的不确定性的阻碍。本研究提出了一种双燃料策略，并对氢气与天然气混合用于工业油炸锅的能源平衡、排放评估及技术经济性进行了全面分析。首先建立了基于天然气的能源基准情况，随后评估了氢气替代比例最高达100%的情形。分析中包含了资本成本和运营成本（包括氢气运输费用），以及英国针对低排放燃烧的相关政策激励措施。结果证实了技术上的可行性，并表明通过管道或本地海港输送氢气可以实现高达97%的二氧化碳减排，同时降低碳税负担和运营成本。然而，长途卡车运输和较低的碳税压力会显著削弱这些收益，这突显了优化供应链和支持性政策的必要性。尽管氢气的运营成本仍低于天然气，但由于回收期较长，固定现场储氢在经济效益上并不具有竞争力。总体而言，在政策与基础设施条件适宜的情况下，氢气被视为一种有前景的低排放工业燃料。

**1. 引言**
近年来，英国工业活动占温室气体总排放量的约四分之一[1]。因此，英国政府制定了实现重工业脱碳的宏伟净零排放目标，工业集群计划旨在2030年前至少建立一个低碳工业集群，并在2040年前建立世界上第一个净零排放的工业集群[1]。重工业的脱碳将通过部署碳捕获与储存技术以及使用氢气、氨气和甲醇等替代低排放燃料来实现，同时结合相关的数字化工具进行设施运营和供应链管理及优化[1][2][3]。尽管初期进展令人鼓舞，但仍存在许多未解决的问题和研究领域，需要创新来推动未来的工业清洁能源技术发展[1][2][3]。
本研究重点探讨了在需要高温烹饪土豆的大型工业食品制造单元中，使用氢气替代天然气的潜力。工业油炸锅是食品加工领域中能源消耗的重要来源，对其优化对于提高能源效率和减少排放至关重要。本案例研究分析了英国使用的工业油炸锅的具体运行条件、能量流动及氢气替代的可行性。了解此类系统内的能量传递规律有助于识别改进方向，从而支持向更可持续能源体系的转变。现有装置如图1所示，依靠天然气供应连续烹饪土豆。本研究旨在评估将氢气整合到该油炸锅中的潜力，首先通过全面能源平衡分析现有燃料供应/燃烧系统和热传递机制，然后进行双燃料技术的经济性评估和碳排放节约分析。前期研究已探讨了燃料储存系统、燃气喷嘴、燃烧室、换热器及相关动态控制系统的重新设计[4]。该研究证明了新型双燃料旋流式燃气喷嘴在天然气与氢气混合比全范围内提供有效燃料/空气输送的可行性；改进后的燃烧室和重新设计的控制策略也能够满足油炸锅温度稳定性和不同烹饪条件下的控制要求[4]。

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**图1.** 正在研究的工业燃烧器的图片。

本研究的主要目标是基于[4]中的工程前端设计和动态性能分析，进一步探讨所提出方法的实际可行性、碳排放节约潜力及经济效益。具体目标包括：（1）审查工业油炸锅热传递系统的静态能源平衡评估，识别能源输入、利用和损失的环节；（2）在不同体积情景下分析用氢气替代天然气后的潜在碳排放节约情况，并结合英国政策背景评估其对排放和系统性能的影响[5][6][7]；（3）分析氢气整合的经济可行性，涵盖资本投资、运营成本、法规合规性、燃料采购与运输以及投资回收期等方面[5][7][8][9]。

本研究采用的方法论与其他新兴的优化驱动型TEA（技术经济分析）框架高度一致，这些框架用于分析集成氢能源系统。最近关于生物质驱动的SOFC-氢气-氨气电厂的研究（参见[10]）展示了如何通过将详细过程模型嵌入优化准备就绪的TEA结构中，解决多标准权衡问题（如最低平准化成本、最高效率和最低排放）。类似地，关于风能和灵活负荷调节的集成能源系统的优化研究强调了在经济目标函数中建模运营约束、燃料供应变化性和税收/市场信号的重要性[11]。这些研究强调，只有当TEA与现实过程模型和操作场景明确结合，并进行适当的敏感性分析时，才能发挥其最大作用。这些原则也体现在本油炸锅研究中，包括稳态能源平衡分析、多种氢气混合比的参数化碳排放估算、基于情景的经济建模（涵盖现场储氢、管道输送和异地运输选项），以及对关键外部因素（如运输成本）的敏感性分析。

本研究中的TEA方法直接借鉴了当代优化技术的多个特点：首先，基于情景的燃料替代建模采用α参数化和增量排放估算，类似于氢气三目标优化研究中使用的结构化参数扫描方式，以评估逐步替代对成本和排放的影响；其次，纳入了与运输相关的排放、碳税敏感性和依赖物流的系统边界，这与集成能源系统优化中的整体系统框架一致，其中上游和下游因素显著影响技术经济结果；第三，研究的经济指标（NPV、IRR、回收期和折现OPEX建模）符合基于氢气的优化研究惯例，这些研究结合了详细的过程-能源模型和政策驱动的财务条款（如燃料价格平价假设、碳定价机制和基础设施升级成本情景）。最后，通过保留油炸锅系统的完整流程集成路径（燃烧器→混合→换热器→预热器），该方法与SOFC-氢气TEA中的流程集成逻辑相匹配，其中热 cascading 效应和二次利用（如热回收、灵活负荷耦合）塑造了可行的经济区间。通过这种方式，工业油炸应用的TEA将先进的优化方法应用于食品制造领域，确保结果基于严谨的热力学建模和现代技术经济分析。

我们使用这些模型和方法得出的结果证实了氢气替代天然气的可行性，表明通过管道或本地海港输送氢气可实现高达97%的二氧化碳减排，同时降低碳税负担和运营成本。然而，长途卡车运输和较低的碳税压力会显著削弱这些收益，这突显了优化供应链和支持性政策的必要性。虽然氢气的运营成本仍低于天然气，但由于回收期较长，固定现场储氢在经济上不具备竞争力。总体而言，在政策与基础设施条件有利的情况下，氢气是一种有前景的低排放工业燃料。

**2. 文献综述**
当前综述涵盖五个主要主题：政策与监管环境、能源平衡研究、氢气作为能源载体、碳排放节约估算以及氢气应用的技术经济分析。

**2.1. 政策环境**
英国政府制定了支持向低碳经济转型的政策和立法框架，2008年《气候变化法案》为温室气体减排设定了具有法律约束力的目标，从而推动了低碳技术的投资[5][7]。政府对氢气-碳捕获与储存（H2-CCS）的重视以及对HyNet Northwest等项目的支持表明了其在脱碳中的重要作用[5][6]。监管环境将影响氢技术的部署，确保安全和环境可持续性[5][6]。政策制定者、监管机构、供应商和消费者之间的协调对于加速净零排放转型至关重要[5]。进一步的研究有必要分析英国氢能立法对不同工业领域氢技术经济可行性的影响。

**2.2. 能源平衡研究**
评估能源平衡对于评估氢气在工业应用中的潜力至关重要。研究一致指出热回收在减少能源消耗和排放方面的关键作用。最初侧重于热能整合的过程整合方法已发展为全厂范围整合，将工业场所视为一个相互连接的系统，以优化能源利用，包括热回收网络[12]。提高英国各行业能源效率的努力包括开发氢气和碳捕获与储存集群的相关工具和策略[5]。这些工具通过大规模氢气生产结合碳捕获与储存来估算潜在的二氧化碳减排量，明确了扩大氢能经济所需的关键资源和技术要求。不过，成本增加和氢气及二氧化碳储存需求大等问题依然存在[5]。一项关于英国分布式发电排放的研究比较了集中式发电系统和结合热电联产的分布式发电系统，发现后者可显著减少二氧化碳排放[13]。现有政策和监管框架对英国工业领域的节能举措效果影响显著。HyNet Northwest项目是一项英国政府的计划，旨在实现工业区的脱碳，但需要额外的政策来缓解环境风险并获得公众支持[6]。

**2.3. 氢气作为工业能源载体**
结合天然气和氢气的双燃料燃烧系统为逐步实现脱碳提供了途径[14]。这类系统允许在逐步增加氢气使用的同时，逐步淘汰化石燃料基础设施[15]。然而，在燃料切换过程中保持燃烧效率和稳定性存在显著控制挑战[16]。研究表明，双燃料系统的燃烧特性、火焰稳定性和能源效率受燃料成分和操作条件影响[17]。氢气与天然气不同的燃烧特性可能导致火焰不稳定和NOx排放增加[18]。理解和控制这些现象需要先进的建模和控制技术[19]，开发稳健可靠的燃烧模型对优化双燃料燃烧器的设计和运行至关重要[20]。因此，研究实际燃料切换策略并确保在不同燃料比例下保持稳定的燃烧性能对于提高效率 and 减少排放至关重要[21]。此外，在高温应用（如食品加工）中使用双燃料系统时，必须仔细考虑热管理，以避免设备损坏并确保产品质量[22]。

氢气作为一种有前景的清洁能源载体，其在运输和发电领域的应用日益受到重视。光催化水分解是目前最环保的氢生产方法之一，属于多种生产途径之一（包括可再生和不可再生来源[8][23]。英国向基于氢气的能源系统转型需要谨慎规划氢储存和运输基础设施，包括解决地下地质储存的兼容性问题并确保安全[5][8]。“ELEGANCY”项目强调了扩大氢能经济规模的挑战，突出了利益相关者协调合作的重要性，并进一步探讨了通过氢-碳捕获与储存技术实现住宅供暖脱碳的公私商业模式[5]。研究还讨论了氢能在交通领域的应用，表明其有潜力大幅减少温室气体排放[8]、[9]、[23]。英国到2050年的净零排放目标要求在低碳技术上进行大量投资，其中包括基于氢的解决方案，这些解决方案的可行性取决于生产成本、储存能力和所需的基础设施[5]、[7]、[8]。近年来，技术经济分析强调氢能系统的环境可持续性在很大程度上取决于生产路径，不同技术的生命周期性能存在显著差异。2024年的一项评估[24]表明，来自可再生能源驱动的电解的“绿色氢”能够显著降低温室气体排放和对人类健康的影响，但这前提是上游电力来自低碳来源且整个供应链得到优化[24]。另一项补充分析[25]评估了多种生产路线——包括电解、生物质转化和化石燃料重整——表明每种路线的相对可持续性取决于能量投入、工艺效率以及整个生命周期内的排放管理[25]。进一步的可持续性和生命周期评估指出，氢能系统可以实现深度脱碳效益，但这些效益会在生产过程中涉及高碳电力或压缩、净化和运输阶段引入额外环境负担时大幅减少[26]。

在上述背景下，本研究采用简化的（但现实的）假设，对上游氢运输的排放和成本方面进行了建模，同时考虑了现场/下游的运行排放。尽管部分全生命周期影响被近似和简化，但该研究通过展示在现实的工业采购和运行条件下，工业用绿色氢替代可以实现大幅的最终使用碳减排，从而补充了现有的可持续性文献[24]、[25]、[26]。虽然这些研究强调了需要全面优化生产路径以确保系统的可持续性，但我们的工作假设了优化的绿色氢生产，并将其应用到实际工业过程中的氢运输选择和利用上，展示了燃烧点的大量氢使用如何与能量平衡限制、热传递机制以及特定于实际食品制造基础设施的技术经济因素相互作用。这有助于将高层次的氢能生命周期评估/技术经济分析与应用脱碳策略联系起来，同时为未来针对包括整个上游生产路径在内的系统范围内的下游收益进行全生命周期评估奠定基础。

2.4. 碳减排估算
估算氢能实施带来的碳减排效果需要全面了解当前的排放情况和减排潜力。英国的相关研究量化了来自各种能源的排放量，包括分布式发电和集中式发电厂，强调了碳捕获与储存技术在减少工业过程排放方面的潜力[5]、[6]、[13]。“HyNet North West”项目旨在通过捕获二氧化碳来减少工业二氧化碳排放，这需要对环境风险进行仔细评估并制定有效的风险缓解策略[6]。“ELEGANCY”项目估计到2035年通过碳捕获与储存操作可在英国工业场所减少超过3000万吨的年度排放量，到2045年则可减少5000万吨排放量，同时还有潜力通过负碳技术进一步提升减排效果[5]。准确估算碳减排量还需要考虑氢生产、运输和利用的整个生命周期，包括带有碳捕获与储存的生物能源（BECCS）的生物质生产所涉及的排放[5]。BECCS设施的选址对供应链排放有显著影响，即使位置偏移10公里也可能使排放增加8.6%-13.1%。因此，优化氢生产和利用设施的位置对于最大化碳减排至关重要[8]、[27]。最近在[28]中的研究全面考察了英国海运行业采用替代燃料（eMethanol）对碳和氮氧化物/硫氧化物排放的影响，使用了两种评估方法。两种方法得出的结果与一个配备传感器的测试设施的实验测试数据非常吻合[28]。

2.5. 氢能实施的技术经济分析
技术经济分析对于评估氢能在英国工业领域的可行性和成本效益至关重要。研究探讨了低碳技术的经济方面，包括能源平准化成本和总生命周期成本，考虑了资本成本、运营成本以及减排效益[7]、[9]、[13]。英国的能源政策三难困境——平衡减排、供应安全和可负担性——要求全面评估氢能采用的经济影响。“ELEGANCY”项目研究了大规模氢-碳捕获与储存基础设施的商业模式，识别了投资障碍并提出了促进公私伙伴关系的风险分配策略[5]。此外，氢生产方法的经济可行性取决于多种因素，如可再生能源的成本、技术进步和政府政策[5]、[8]、[9]、[23]。开发稳健而全面的技术经济模型对于制定与氢能在英国工业领域部署相关的政策决策和投资策略至关重要。这样的分析包括考虑通过热量回收实现的节能潜力以及各种氢生产和储存方法的成本效益[8]、[12]、[23]。将氢能整合到现有能源系统中还需要仔细考虑基础设施升级和电网现代化的潜力。政策激励措施，如税收抵免和补贴，可以加速氢能技术的采用并确保其经济竞争力[7]、[9]。

3. 数据收集
在专注于食品加工操作的工业设施内进行了广泛的数据收集活动，如图1所示。初期阶段主要确定了具有典型产量、能源消耗和复杂性的生产线，重点考虑了潜在的基于氢的干预措施。调查团队与现场工程师和技术操作员合作，记录了操作阶段的顺序、仪器网络以及负责调节燃料输入和能量流动的控制参数。仪器日志和手动记录的测量数据收集了每个关键处理环节的能源输入和输出信息。流量计、温度传感器、压力表和排放分析仪记录了燃料类型、体积流量、温差和污染物浓度等参数的时间戳观测数据。通过多个操作周期的考察，涵盖了产量变化、生产计划和维护实践。与现场人员的访谈验证了仪器的校准情况，并指出了潜在的传感器失准或数据异常源。

对于传统燃料和富氢混合物的燃烧和排放指标进行了汇总。记录了一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、氧气和颗粒物等数据，以及燃烧器的稳定性、火焰特性和燃料-空气当量比。与氢供应物流、储存量、所需流量和危险评估相关的数据被汇总到一个中央数字存储库中。质量保证包括对测量单位进行标准化和系统性的完整性检查，手动审核后删除了错误的数据条目。收集的数据为后续的建模工作提供了基础，确保所有分析都能准确反映测量的能源使用情况、排放特征和氢处理要求。之前使用这些数据进行了一项研究，为双燃料气体喷枪、燃烧器和控制系统进行了前端工程设计，如图2、图3所示[2]、[3]。在初步工作中验证了所提出方法的静态和动态过程及控制方面的可行性[4]。

4. 方法
本文采用了一种综合设计方法，结合了能量流量化、稳态建模和技术经济评估，以研究高温油炸过程中的氢能基脱碳效果。该方法包括以下步骤：(i) 从实际运行的食品油炸线下获取具有代表性的运营和排放数据；(ii) 开发一个能够模拟逐步增加氢替代的静态建模框架；(iii) 通过参数评估计算碳减排潜力；(iv) 将工程结果纳入财务模型以进行成本效益比较。这一序列确保了技术分析的见解与工业应用的实际情况和经济限制相一致。

4.1. 能量平衡程序
4.1.1. 基线能量平衡公式
油炸系统中的能量流动（如图4所示）始于天然气向燃气燃烧器的供给（流1）。这种燃料与一次空气供应（燃烧空气，流2）混合，后者过量且足以实现燃料的完全燃烧。燃烧后的气体进入混合室，并与油炸过程中产生的废气（流3）混合。流3主要包含空气、从土豆中蒸发出的水分以及少量从油中蒸发出的水分。加入这一流体的目的有两个：首先是燃烧油炸过程中剩余的油以去除这种污染物；其次是降低火焰温度，使其在进入油热交换器之前的温度更加合理。在混合室的中间点测量了一个中间温度（TM），但具体位置不明确，而且从原始设计者的意图来看，这一测量的历史意义也不清楚，除了用于调试目的外[2]。

高温混合气体（TM）离开混合室后进入油热交换器，在那里将热量传递给循环的油炸油，以保持其所需的烹饪温度（170°C）。冷却后的燃烧气体离开油热交换器，进入燃烧空气预热器以预热进入燃烧器的空气。燃烧气体通过排放口（点4）排放到大气中。过程控制通过调节燃料气体流量来维持油炸油的温度（170°C）恒定。

研究采用了稳态能量平衡方法来计算主要的能量交换。使用温度传感器和流量计来收集所需数据。油炸系统中的能量流动可以总结如下：
- 来自燃料的总能量输入可以表示为：
\(Q_{in} = m_{\text{fuel}} \times (\alpha \times LHV_{H2} + (1-\alpha) \times LHV_{CH4})\)
其中：
\(Q_{in}\) 表示总输入焓率（kJ/s）；
\(m_{\text{fuel}}\) 表示燃料的总体质量流量（kg/s）；
\(LHV_{H2}\) 和 \(LHV_{CH4}\) 分别表示氢气和基准碳基燃料的低位热值（kJ/kg）；
\(\alpha\) 表示基于质量的氢比例（0 \leq \alpha \leq 1）。
方程式（1）考虑了使用可调节的传统燃料和氢的混合物的可能性，通过变量 \(\alpha\) 进行设置，该变量可以在油炸器运行过程中通过适当的控制系统设计进行静态或动态调整[4]。设施的燃烧器消耗的混合物的净热值随 \(\alpha\) 的变化而变化，使用非线性控制原理在操作范围内调节所需的油炸温度，即使氢的可用性或供应稳定性存在动态变化也是如此。\(m_{\text{fuel}}\) 的数据是通过符合国家或国际标准的流量计获得的。对腔内温度、排放成分和体积燃料用量的测量有助于在操作条件下验证 \(Q_{in}\)。

- 加到油热交换器的热量（\(Q_{addHE}\) 可以表示为：
\(Q_{addHE} = m_{\text{mix}} \times (T_{mix\text{inlet}} - T_{mix\text{outlet})\)
其中：
\(m_{\text{mix}}\)：混合物的质量（燃料的质量 + 一次空气的质量 + 蒸汽的质量 + 污染空气的质量）（kg/s）；
\(T_{mix\text{inlet}}\)：混合室后的混合物温度（°C）；
\(T_{mix\text{outlet}}\)：混合物温度（排气温度传感器测得的温度）（°C）。

- 加到油/油炸锅的热量（\(Q_{addoil}\) 可以表示为：
\(Q_{addoil} = m_{\text{oil}} \times (T_{\text{oil}\text{outlet}} - T_{\text{oil}\text{inlet})\)
其中：
\(m_{\text{oil}}\)：油的质量；
\(T_{\text{oil}\text{inlet}}\)：油进口温度（°C）；
\(T_{\text{oil}\text{outlet}}\)：热交换器出口油温度（°C）。

- 加到一次空气的热量（\(Q_{addair}\) 可以从排气气体中计算得出：
\(Q_{addair} = m_{\text{air}} \times (T_{\text{air}\text{outlet}} - T_{\text{air}\text{inlet})\)
其中：
\(m_{\text{air}}\)：空气的质量（kg/s）；
\(T_{\text{air}\text{inlet}}\)：一次空气的入口温度（°C）；
\(T_{\text{air}\text{outlet}}\)：一次空气的出口温度（°C）。

- 从烟囱排放到大气中的热量损失（\(Q_{exhloss}\) 可以表示为：
\(Q_{exhloss} = m_{\text{mix}} \times (T_{mix\text{exh}} - T_{\text{atm}}\)
其中：
\(m_{\text{mix}}\)：混合物的质量（燃料的质量 + 一次空气的质量 + 蒸汽的质量 + 污染空气的质量）（kg/s）；
\(T_{mix\text{exh}}\)：排气温度传感器测得的温度（°C）；
\(T_{\text{atm}}\)：大气温度（°C）。

- 所有表面的估计热量损失：
总表面热量损失 = 热传递系数 \(\times\) 总表面积 \(\times\) （平均表面温度 - 周围温度）（6）。

- 估计的整体效率定义为油吸收的热量与输入能量的比值。

4.1.2. 排放因子整合
可以测量含有碳的废气的一部分，并将其与标准排放因子相关联。基线碳流量来源于燃料的组成和化学计量反应路径。方程式（7）总结了二氧化碳的排放量：
\(CO_2_{\text{rate}} = (1-\alpha) \times EF_{CH4} \times m_{\text{fuel}}\)
其中：
\(EF_{CH4}\) 表示与碳基燃料相关的二氧化碳特定排放因子（kg CO_2/kg fuel）。在理想的燃烧条件下，氢气不会直接产生二氧化碳（CO2），因此排放量计算时需要乘以（1 - α）。实际烟气测量结果会确认一些微小变化，例如氧化不完全或夹带的其他物质，这些因素可能会对净二氧化碳排放量产生轻微影响。

4.2. 碳减排的静态估算
4.2.1. 碳减排情景
本文通过将α的值调整在0到1之间（以10%、30%、50%、70%和100%为增量）来定义多种情景。每种情景都会根据公式（7）计算出相应的二氧化碳排放量。基线情景（α = 0）与选定α值之间的差异代表了在该混合比例下的预期碳减排效果。同时还会监测次要排放物（如氮氧化物NOx），以确定火焰温度升高或化学计量比改变是否会导致氮基污染物的显著增加。

4.2.2. 敏感性评估
静态分析框架考虑了环境温度变化、食品吞吐量调整以及氢气纯度波动等因素。这些变化会影响公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（7）中的Qadd和Qloss值，从而修正Qin和二氧化碳排放量。这一参数特征对于理解报告的碳减排量的置信区间至关重要。数据集中存在的短期运行异常情况（如部分停产或产品负荷的快速变化）也被追踪并用于验证模型的稳健性。

4.3. 技术经济分析框架
4.3.1. 成本量化
资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）相结合，形成生命周期成本（LCC）计算公式。资本支出包括硬件改造、燃烧器改良、控制面板和先进监控系统。运营成本主要来源于燃料采购、潜在的氢气储存和额外维护费用。公式（8）表示一个简化的生命周期成本模型：
LCC = CAPEX + ∑(OPEXt / (1 + r)^t
其中：
- OPEXt表示第t年的运营成本。
- r是折现率。
- t是投资期限内的离散时间间隔，最长至项目预定寿命。

4.3.2. 经济绩效指标
通过比较资本和运营支出与减少碳排放带来的经济效益（如碳信用或避免的罚款）来计算净现值（NPV）、回报期（Payback Period）和内部收益率（IRR）。研究结果与公式（7）中的碳减排数据相关联。中等比例的氢气混合物（α < 0.5）通常可以在不大幅改变硬件的情况下实现适度的排放减少，而高比例或完全替代氢气的混合（α ≈ 1）则可能需要较高的资本成本，但可以实现接近于零的二氧化碳排放。

5. 假设与限制
- 稳态运行：能源和排放计算基于稳态条件，可能无法完全反映启动或短暂停机的瞬态过程——有关这方面的更多信息可以在[24]中找到。
- 燃料组成：分析假设基线燃料的化学组成是恒定的。轻微的组成变化可能会影响公式（3）中的燃料能量密度（EFCH4）。
- 氢气供应：假设氢气供应稳定且纯度符合要求。偶尔的供应中断或物流变化可能会降低高混合比例的可行性。
- 资本支出/运营支出的外推：公式（8）中的成本组件基于供应商报价和参考项目。在全国或国际范围内的广泛采用可能会影响市场价格。
- 安全性和标准：研究假定遵循高温氢气燃烧的相关工业规范。与安全认证和危险评估相关的潜在限制已被纳入模型，但未进行详尽建模。关于这些（以及其他限制）的进一步讨论见后续章节。

通过结合严谨的能源平衡方程、特定的排放因子和财务分析，该方法为评估氢气在工业油炸生产线中减少碳排放的潜力提供了基于证据的分析。该建模方法提供了一个可扩展的模板，使其他能源密集型食品应用的利益相关者能够根据具体情景调整参数（如α、燃料能量密度EFCH4和运营限制），以获得更深入的见解。进一步的改进可能需要动态模拟或试点规模验证，以加强关于氢气在食品行业脱碳过程中的作用决策。

6. 结果
6.1. 能源平衡结果
最初根据KP Snacks提供的控制室截图进行了能源平衡计算，结果见表（1），以了解整个过程的总体情况。
表（1）- 稳态能源平衡变量快照
- 天然气流量：312 m3/小时
- 污染蒸汽流量：16,351 m3/小时
- 燃烧空气流量：7068 m3/小时
- 烟囱温度：165.3°C
- 燃烧热空气温度：134.4°C
- CNG温度：28.3°C
- 燃烧空气冷流温度：44.9°C
- 排气温度：136°C
- 换热器出口油温：169.1°C
- 污染蒸汽温度：99.6°C
- 主油流量：229.9 m3/小时
- 进油温度：150.6°C
- 天然气密度（15°C和标准大气压）：0.7 kg/m3
- 燃料热值：50,000 KJ/Kg
- 进气天然气温度（大气温度）：20°C

图5展示了生产线在监管控制措施实施期间12分钟内的能量流动情况（12,500个数据点）。观察到的燃料流量变化导致输入热量在6,000 MJ/小时到12,200 MJ/小时之间有显著波动（差值=6,200 MJ/小时），这一波动范围覆盖了总能量的三分之一。热传递到换热器的热量也在7,000 MJ/小时到11,600 MJ/小时之间波动（差值=4,600 MJ/小时），随后降至5,500 MJ/小时到8,800 MJ/小时（差值=3,300 MJ/小时）。可以看出，从燃料输入到的热量的最大值到传递到油的热量的最小值之间，能量波动有所减少，这有助于捕捉燃烧器/换热器的效率和热传递延迟在有效运行范围内的变化[24]。油炸锅油的动态过程可以用低阶延迟传递函数很好地近似描述，尽管这对当前研究不是必需的，但有助于验证双燃料方法的动态和调控控制行为[24]。

图5显示了生产线上瞬态操作期间的能量流动情况。表（2）给出了平均能量平衡变量：
表（2）- 平均能源平衡变量
- 静态计算：能量输入（kJ/小时）10,920,000
- 动态计算：能量输入（kJ/小时）9,346,571.01
- 加入油的热量（kJ/小时）8,550,585
- 加到油的热量（kJ/小时）6,588,120
- 总损失（kJ/小时）4,331,880
- 总效率（%）60.3375.78%

图6显示了不同氢气体积分数下通过换热器的总气体流量变化。由于流量大致保持恒定，因此热传递系数和传递率也会相似，前提是驱动温度变化的幅度不大；模型表明情况应如此。

6.2. 碳减排估算
本研究的关键 aspect 是估算二氧化碳排放量的减少，这对其经济和环境意义具有重要意义。较低的排放量可以减少碳税负担，并有助于实现更广泛的可持续性目标。研究结果证实，增加燃料混合物中的氢气比例会导致排放量显著下降。然而，研究也考虑了氢气运输过程中产生的排放，认识到整体碳影响超出了直接燃烧的部分。由于研究未包括完整的氢气生命周期评估，因此仅考虑了氢气运输过程中的排放，未包括氢气生产过程中的排放。分析结果表明，从附近港口（约11英里）获取氢气时，碳减排效果仍然显著。然而，当氢气从更远的地点运输时，运输过程中的排放可能会超过通过替代天然气所避免的排放量。

图7展示了不同情景下氢气燃烧和运输过程中的二氧化碳排放情况。结果显示，随着氢气比例的增加，总排放量呈明显下降趋势，其中情景1对应于纯天然气的基准情况，情景31代表最高的氢气含量。蓝色条形代表燃烧过程中的直接排放，随着氢气比例的增加而减少；红色条形表示运输过程中的排放，尤其在运输距离较长时这一因素更为显著。这些发现强调了优化氢气供应链以最大化碳减排效益的重要性。

6.3. 技术经济评估
经济分析比较了本研究考虑的三种氢气储存配置下的燃料采购、运输和储存成本。财务评估基于10年内的折现现金流分析，折现率为8%。结果表明，虽然增加氢气比例导致燃料成本上升（基于基准天然气价格0.21英镑/立方米（约6.00英镑/吉焦），但二氧化碳税收的减少总体上降低了运营成本。项目的财务可行性主要受碳税政策影响，在此假设为每吨二氧化碳64.42英镑的税率。回报期分析显示，固定储罐氢气储存需要超过25年才能实现投资回报。这是因为氢气需求巨大和基础设施成本较高。相比之下，移动和管道式氢气储存方法具有更可行的回报期，表明这些选项在工业热应用中更具经济可行性。

图8展示了不同情景下的运营支出（OPEX）明细，突出了燃料、劳动力、材料和二氧化碳税收等成本构成的贡献。结果表明，随着氢气比例的增加，由于氢气价格高于天然气，燃料成本成分增加。然而，用红色表示的二氧化碳税收负担显著减少，显示出氢气混合在减少碳相关运营成本方面的财务优势。高氢气比例的情景显示出更平衡的成本分布，总体OPEX有所降低。

6.4. 敏感性分析
鉴于未来能源市场、氢气基础设施和生产投资以及政策环境的不确定性，进行了敏感性分析以评估经济指标的稳健性。重点关注的参数包括碳税率、氢气燃料价格和运输距离，这些变量被调整以评估其对净现值（NPV）和碳减排潜力的影响。分析表明，经济可行性对碳税率的波动最为敏感。如图9所示，将碳税率从基准的64.42英镑/吨降至30英镑/吨会显著削弱氢气替代的成本优势，使得高比例混合的情景在经济上吸引力降低。相反，如果碳税率上升到100英镑/吨或更高，回报期将显著缩短。

7. 讨论
研究结果表明，系统中的换热器在整个氢气混合比例范围内（从0%到100%）都能有效运行。能源传递分析表明，尽管燃料组成发生变化，换热器内的流量基本保持不变。因此，需要适应氢气燃烧的主要组件是燃烧器。将传统燃烧器替换为兼容氢气的替代品是确保稳定高效运行的唯一必要硬件改造。这一观察简化了转换过程，意味着现有的热管理系统可以在不进行重大重新设计或投资新换热器基础设施的情况下容纳氢气。此外，不同混合情景下的稳定热行为证实了基本的热传递机制基本上不受氢浓度的影响，这进一步增强了其整合的可行性。CO2排放分析假设通过卡车运输到现场的氢来自大约11英里外的一个邻近港口。虽然考虑了其他来源距离，但涉及更长运输路线的情景导致物流方面的CO2排放增加，超过了替代天然气燃烧所实现的减排量。图7和图8展示了氢运输排放与直接燃烧排放和成本之间的权衡，表明更长的运输距离降低了氢整合的环境效益。结果强烈表明，通过管道输送100%的氢是最有效的策略，以最小化CO2排放。这种方法不仅最大化了环境效益，还通过减少碳税责任增强了经济可行性。CO2税收的降低进一步促进了氢的采用，突显了发展大规模氢部署所需管道基础设施的重要性。

运营支出（OPEX）分析显示，在所有评估的情景中，总OPEX都低于基准情景（100%天然气燃烧）。然而，在评估氢整合的经济可行性时，必须考虑三个关键方面：

**固定氢储存投资的可行性：**分析显示，对于固定氢储存罐，所需的资本投资、法规合规性和安全协议导致回收期超过25年。如此长的回收期使得这些情景在经济上不可行。此评估假设供应商负责融资将氢输送到工业设施的管道，从而将资本投资限制在现场基础设施改造上。降低的基础设施成本显著提高了可行性，特别是对于依赖管道输送的情景。

**氢定价和政府政策的影响：**氢的生产成本会根据所采用的生产技术而有很大差异。然而，本研究假设当前的政府政策是将氢的价格保持在与天然气相当的水平，不包括税收。在这种假设下，氢的价格大约比天然气高出20%。这一定价假设对于评估项目的可行性至关重要，因为任何由于未来政策变化或生产成本变动而导致的偏差都可能显著影响经济结果。因此，氢采纳的经济可行性高度依赖于政府激励措施和定价机制。

**CO2税收变动和财务敏感性：**过去两年中，碳税收出现了显著波动，每吨CO2的税率在30英镑到180英镑之间。根据近期趋势，本研究采用了每吨80英镑的平均CO2税率。如果碳税接近较低的30英镑/吨，那么没有一个评估的情景在经济上是可行的。然而，如果税率接近180英镑/吨，氢采纳的财务收益将大幅增加，使得转型更具吸引力。CO2税收的变动凸显了政策稳定性在促进长期氢投资方面的重要性。

**限制：**氢生产、储存和运输的假设。当前分析的一个关键限制是，尽管它考虑了供应链中的氢运输排放（例如，从储存到油炸设施的运输），但如前所述，它并未完全包括与氢生产路径相关的上游排放（例如，来自电解、蒸汽甲烷重整或其他路径），也未包括与氢液化、压缩相关的排放和能源成本，或者完全包括所有长距离运输的方面。相反，本研究假设使用的是绿色氢生产，并采用了每单位距离的简单成本/排放成本。鉴于英国工业集群中对工业绿色氢的日益增长的兴趣和活动，以及英国东北部新兴的氢经济，这两个假设都是合理的。尽管如此，报告的碳节约和净排放减少应被视为部分成本和排放平衡——仅反映了下游和运营链条——而不是完整的生命周期评估（LCA）。然而，在这些上游条件下行获得的模型和结果仍然具有启发性，模型和下游路径可以在不久的将来用于此类完整生命周期评估中。

包括上游生产和供应链排放可以显著改变净排放结果，并且在氢生产碳税放宽的某些情景下也可能降低成本。例如，如果氢是用化石原料生产的或由不可再生电网电力驱动的低效电解产生的，从摇篮到大门的排放可能相当大，可能会抵消部分运营碳节约，同时降低氢的采购成本。同样，能源密集型的液化、压缩和运输——尤其是在长距离上——可能会引入非微不足道的“隐藏”碳和能源成本。这些效应需要进一步研究，以评估关于供应绿色性和生产与使用之间地理耦合的假设的敏感性。

像[29]这样的研究强调了这些上游和供应链影响：液化能源需求、复合曲线约束以及能源投入的不确定性可能会侵蚀氢的环境和经济优势，如果供应链效率低下或上游来源是化石燃料的话。尽管我们目前对上游路径的假设是合理的，但如果计划的英国氢生产路径和地点发生变化，我们的分析可能会高估碳节约并低估整个系统的能源消耗。因此，为了进行更全面和稳健的评估——特别是如果氢是通过更长范围的工业规模供应链供应的——未来的工作应进行完整的生命周期分析，包括生产路径排放、液化/压缩能源成本、供应链物流，以及相关的氢储存和分配基础设施的影响。

**限制：**氢处理的安全性和风险评估。本研究的另一个限制是缺乏与氢储存、处理和现场操作相关的全面安全性和风险评估，以及这可能带来的任何相关的技术经济约束。尽管从能量平衡和技术经济角度评估了氢的替代，但额外的基础设施、合规要求和与安全相关的资本支出/运营支出影响尚未完全纳入。这种遗漏可能导致对部署成本的低估和对实际可行性的高估。氢具有独特的危险性：广泛的易燃性范围、低点火能量、快速扩散性以及可能存在看不见的火焰，所有这些都需要强大的泄漏检测、通风和监控系统。当前的工业安全标准（例如，高压气体容纳、通风设计、危险区域划分和材料兼容性）提出了严格的设计和认证要求。这些措施增加了成本和运营复杂性，而这些在当前的TEA中并未体现。最近的实验工作强调了氢富集系统中爆炸行为的重要性[30]。这项工作表明，管道阻塞可以显著加速火焰并提高含氢混合物中的爆炸压力——这直接关系到工业气体输送管线。同样，[31]展示了上游燃料处理和热处理特性如何影响系统的安全性和稳定性，强调了在整个氢供应链中进行全面 hazard 评估和相关成本及约束的必要性。

除了个别实验之外，对氢安全标准和事故建模方法的更广泛审查强调了基于CFD的扩散/爆炸评估、定量风险分析以及在整个生产、储存和最终使用过程中遵守国际氢安全规范的重要性[32]。这样的框架通常会识别额外的缓解成本——例如，工程通风、爆炸缓解面板、泄漏检测阵列、与氢兼容的材料——这些也可能显著影响氢燃料转换的经济吸引力。由于当前研究没有量化这些与安全相关的要求，TEA可能相对于全面工业部署的情况过于乐观。因此，未来的工作将把安全驱动的资本支出/运营支出、定量风险评估和合规成本纳入技术经济框架中，特别是在靠近封闭空间、高压系统或可变混合管道的操作情况下。

**结论和未来工作：**本研究专注于分析在英国米德尔斯堡的一个工业现场部署双燃料氢解决方案用于工业高温油炸食品生产的能量平衡和技术经济评估。在现实假设下，研究表明，可以使用新颖的气体喷枪设计将氢有效整合到工业燃烧系统中，仅需最小程度的修改和可行的投资回收时间。通过适当的控制系统改进，热交换器在所有氢混合水平上都能高效运行，只需更换燃烧器即可确保稳定性能。这简化了向氢的过渡，同时保持了系统的可靠性。CO2排放分析表明，氢可以减少与燃烧相关的排放，但需要注意氢的运输物流，因为增加的距离（对应于非本地生产）会导致经济和排放方面的效益下降。管道输送是减少排放和通过碳税减少经济利益的最有效策略。当氢通过卡车长途运输时，物流排放可能会抵消环境收益。总的来说，获得的结果表明，在对氢生产路径做出合理假设的情况下，混合高达100%的氢在技术上是可行的，只需要更换燃烧器，可实现高达97.3%的排放节省。

技术经济评估表明，在大多数情景中，氢的整合减少了运营成本，主要是由于较低的CO2税收。然而，由于回收期超过25年，固定氢储存在经济上不可行。氢采纳的可行性取决于稳定的定价政策和碳税率，这对经济结果有显著影响。碳税和定价政策的波动也可能导致经济可行性的降低，这说明了需要政策稳定性来鼓励英国工业中氢技术的规模化采用。未来的工作将包括使用移动氢储罐和提出的双燃料气体喷枪及燃烧器/控制系统进行全点火试验，测试不同的氢混合百分比，以评估实际燃烧性能、供应灵活性和经济可行性。此外，将进一步研究政策驱动的价格变化，并进行完整的生命周期评估（包括氢生产路径和健康与安全，如限制部分所讨论的），以完善所进行的敏感性分析，并进一步了解工业氢在英国工业中的长期环境和财务影响。

**作者贡献声明：**
Michael Short：撰写——原始草稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化、撰写——审稿和编辑。
Edgar Segovia：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、撰写——审稿和编辑。
Faik Hamad：撰写——原始草稿、验证、监督、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、撰写——审稿和编辑。
Dipal Patel：验证、方法论、调查、资金获取、数据管理。
Dawood Huda：监督、软件、项目管理、资金获取、数据管理。
Paul Russel：方法论、调查、资金获取。
Craig Tether：撰写——原始草稿、验证、监督、方法论、资金获取、数据管理、概念化。