一种新型的有机废物制氢工艺设计，该工艺结合了热泵辅助的嗜热厌氧消化技术，以提高经济性能

《Journal of Cleaner Production》：Novel process design for organic waste-to-hydrogen production incorporating heat pump-assisted thermophilic anaerobic digestion to enhance economic performance

热泵辅助高温厌氧消化提升生物气产率及氢能经济性研究，通过集成热泵系统优化工艺，实现81%的生物气产率提升和41%的氢气产量增长， techno-经济分析显示总成本降低8%，验证了该工艺在碳减排与经济效益上的可行性。

　　

作者：Subeen Wi、Eunhye Song、Seoyul Yang、Soo Young Kang、Hyungwoon Song、Jonghun Lim

韩国京畿道龙仁市Baegam-myeon Goan-ro 51beon-gil 175-28，先进工程研究所氢能解决方案中心

摘要

生物气制氢（H₂）是一种可持续且地区性可获得的能源。为了提高其能源和经济效率，改善厌氧消化过程中的转化率至关重要。因此，本研究设计了一种将有机废物转化为氢气的工艺，该工艺结合了热泵辅助的嗜热厌氧消化技术以提高经济性能。为了设计这一工艺，开发了一个工艺模型，主要包括以下五个步骤：（1）热泵辅助的厌氧消化；（2）生物气提纯；（3）H₂生产；（4）CO₂利用；（5）H₂压缩和供应。随后，基于仿真结果进行了详细的技术经济分析（TEA），以证明所提出的热泵辅助清洁H₂生产过程的经济可行性。此外，还通过案例研究分析了不同国家该工艺的经济可行性。结果表明，在厌氧消化过程中安装热泵后，生物气的产量增加了81%，H₂的产量也增加了41%。此外，TEA结果显示，由于H₂和液化CO₂产量的增加，总年成本（TAC）降低了8%。

引言

氢（H₂）被广泛认为是一种清洁的能源载体，对于难以减少碳排放的领域至关重要，因为其使用过程中仅产生水，不会直接排放CO₂（Rong等人，2024年）。然而，目前大部分H₂仍然来自化石燃料，主要是通过天然气的蒸汽甲烷重整和煤的气化产生的（Xu等人，2022年）。这种灰氢生产每年导致约8.3亿吨CO₂排放，占全球温室气体总量的约3%，这削弱了H₂的环境效益（Saha等人，2024年）。因此，转向低碳或碳中性的H₂对于实现H₂在气候变化缓解中的作用至关重要（Gao等人，2018年）。在这种情况下，来自有机废物的生物气已成为一种有前景的H₂生产原料。生物气主要由CH₄和CO₂组成，可以提纯为生物甲烷并进一步重整生成H₂，同时产生的生物源CO₂可以被捕获、利用或储存（Kougias和Angelidaki，2018年）。研究表明，使用生物甲烷代替化石天然气生产H₂可以大幅减少排放，甚至在结合碳捕获的情况下实现净负CO₂排放（Quintino等人，2021年）。因此，生物气制氢提供了一种可持续的绿色（或蓝绿色）H₂生产途径，既能实现废物资源的价值化，又能减少温室气体排放（Farghali等人，2022年）。

实现这一目标的一个关键挑战是提高通过厌氧消化（AD）生成生物气的效率。有机废物的厌氧消化通过微生物过程将复杂的生物质转化为生物气，但其效率可能受到复杂底物水解速度慢、反应器条件不佳以及其他动力学限制的影响。提高有机废物转化为生物气的效率对于提高H₂产量和生物气到H₂系统的经济可行性至关重要。因此，大量研究集中在提高AD反应速率和甲烷产量的方法上。一种方法是进行原料预处理，使废物更易于消化。例如，Boarino等人对城市有机废物进行了酶法和物理预处理，发现虽然所有测试方法在能源上都是可持续的，但酶法预处理后的消化物营养成分更丰富，氮含量增加了约80%，磷含量增加了200%，钾含量增加了150%，并且有机物降解程度也更高（Boarino等人，2024年）。通过提高消化物的质量和生物降解性，这些预处理方法可以间接提高甲烷产量。其他研究也报告了更直接的生物气产出增益。Zeng等人表明，对含有微塑料的活性污泥进行热处理或化学处理后，污泥的分解效果更好，甲烷产量增加了约17-20%（Zeng等人，2022年）。值得注意的是，热处理后的消化器中产甲烷古菌的相对丰度较高，约为13%，而对照组不到10%，表明生物甲烷化活性更强。Hajji和Rhachi观察到，将污泥在pH 10下加热至65°C并保持24小时的中等程度热化学预处理，可以显著提高底物的溶解度，从而使生物气产量增加180%，生物气中的甲烷含量增加约19%（Hajji和Rhachi，2022年）。这些例子表明，无论是通过机械、热处理、化学还是生物方法进行原料预处理，都可以显著加速AD动力学并提高生物气产量。

另一个活跃的研究领域是优化消化器的设计和操作，以提高AD性能。改进混合和反应器配置可以缓解质量传递限制，提高微生物与底物之间的接触。计算流体动力学（CFD）模拟已被用于确定高固体含量消化器中的有效混合策略。例如，研究表明，使用C形或Z形叶片并在大约10-20°的倾斜角度下运行，以约3-5 rpm的低速度，可以实现更均匀的固体分布和更高的发酵效率。Hua等人表明，在总固体含量为20%的消化器中，通过CFD指导的混合器几何结构调整可以防止污泥分层并提高甲烷产量（Hua等人，2025年）。同时，还提出了新的反应器配置。Li等人设计了一种带有内部固液分离系统和短轴机械搅拌的模拟肠道反应器，用于处理高固体含量废物（Li等人，2024年）。这种设计保持了更高的有效固体含量，反应器内的固体含量增加了44-55%，并且混合效果比传统的垂直消化器提高了50%以上。过程集成技术也可以强化AD过程。Xu等人在低固体含量的AD过程中引入了废水循环和分离单元，以延长固体停留时间（Xu等人，2025年）。优化后的配置实现了比标准单级消化器高出39%的甲烷产量，并通过增加生物气生产和利用提高了整体盈利能力。这些方法，从原料预处理到反应器工程，都体现了最大化AD系统中甲烷生成的共同努力。

尽管取得了这些进展，传统的预处理和反应器优化策略仍存在某些局限性。许多预处理方法需要额外的能源和化学投入，增加了运营成本，有时还会产生溶剂或抑制性化合物等不良副产品，这些副产品必须进行管理。某种预处理方法的效果也可能因原料类型而异；对一种废物类型有效的方法可能对另一种废物类型的效益较低，从而限制了其广泛应用。在反应器方面，复杂的混合装置所需的高固体含量反应器需要进行大规模改造或专门设计，这可能需要较高的资本支出，对于现有设施来说可能不可行。此外，如果原料特性或负荷率发生变化，精细调整的反应器配置可能需要重新优化，否则可能表现不佳。最重要的是，外部环境因素（如环境温度波动）可能会影响消化器的性能，这些因素仅靠改进混合或预处理是无法完全解决的。例如，在寒冷气候下维持嗜热条件可能具有挑战性且能耗较高。这些限制促使人们寻找能够普遍提高AD效率、降低能源消耗并提高运营灵活性的替代方案。

最近，提出了热泵辅助的厌氧消化作为一种有前景的方法来克服这些限制。通过将热泵与消化器集成，可以更高效地满足热能需求，同时减少相关排放。Zahra Hajabdollahi Ouderji等人提出了一种集成系统，其中厌氧消化的热能需求由空气源热泵提供（Hajabdollahi Ouderji等人，2023年）。他们的生命周期评估显示，与基线系统相比，该系统的碳减排量分别提高了28.1%（嗜热条件）和36.8%（中温条件）。同样，Lulin Luo等人开发并验证了一个基于TRNSYS的仿真模型，使用综合生命周期评估和生命周期成本分析来评估该集成系统的经济和环境性能（Luo和Chen，2025年）。结果表明，该集成系统在各种操作温度下总成本降低了19-29%，总体上优于独立配置。

在这项研究中，提出了一种新的有机废物制氢工艺设计，其中集成了热泵来管理厌氧消化器的热能。该工艺不依赖于化学或强烈的物理预处理，而是在嗜热条件下通过热泵加热方式运行厌氧消化。这种策略有效地回收和提纯了低品位热能，将消化器温度维持在65°C左右，从而显著提高了甲烷产量，而无需直接燃烧化石燃料。

本研究的新颖之处在于其集成系统设计，该设计将热泵辅助的嗜热厌氧消化与下游的生物气提纯、氢气生产和CO₂液化结合在一起，并在统一的技术经济框架内进行了评估。虽然之前的研究分别探讨了嗜热消化、生物气提纯或H₂重整，但本研究首次系统地展示了如何利用热泵技术来提高生物气产量、降低碳强度并最大化经济可行性。这种综合集成不仅提高了能源效率和H₂产量，还为废物制氢提供了一种可扩展的、碳中性的解决方案。

方法

在本节中，详细介绍了结合热泵辅助的嗜热厌氧消化的有机废物制氢工艺，以及热力学和工艺模型的假设。第2.1节介绍了热泵辅助的厌氧消化，第2.2节描述了整个工艺的配置，第2.3节说明了热力学假设，第2.4节详细描述了工艺过程。

结果与讨论

本节展示了所提出工艺的仿真结果，并与基准案例进行了比较。基准案例对应于未集成热泵的厌氧消化，而提出的案例代表了具有提高的生物气和氢气产量的热泵辅助嗜热消化。随后通过详细的技术经济分析（TEA）证明了经济可行性。最后进行了敏感性分析，以评估关键操作参数的影响。

结论

本研究探讨了结合热泵辅助的嗜热厌氧消化的有机废物制氢工艺。研究结果总结如下：将热泵集成到厌氧消化中，使消化器能够在约65°C的稳定嗜热条件下运行，与基准中温案例相比，生物气产量增加了81%。这一改进直接使H₂产量增加了41%，表明热泵辅助的嗜热消化具有潜力

CRediT作者贡献声明

Subeen Wi：撰写——初稿、方法论、调查。 Eunhye Song：撰写——初稿、方法论、形式分析。 Seoyul Yang：撰写——初稿、可视化。 Soo Young Kang：撰写——审阅与编辑、方法论。 Hyungwoon Song：撰写——审阅与编辑、资金获取。 Jonghun Lim：撰写——审阅与编辑、形式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了韩国能源技术评估与规划院（KETEP）的资助，该机构由韩国政府（MOTIE）资助（项目编号：RS-2025-02313376，项目名称：开发用于碳中和建筑的超高效供暖、制冷和热水热泵技术）。