利用优化的新型混合固体氧化物燃料电池和微型燃气轮机系统，结合集成式吸收式碳捕获技术，实现可持续的火炬气体增值利用

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Sustainable flare gas valorization using an optimized novel hybrid solid oxide fuel cell and micro gas turbine system with integrated absorption-based carbon capture

　　**Mostafa Mahboobi | Antoine Verhaeghe | Ward De Paepe**
**伊朗卡尚大学机械工程系**

**摘要**
火炬燃烧产生的相关气体导致了大量的能源损失和温室气体排放。虽然回收这些气体可以改善资源利用并减少环境影响，但直接将其用于燃气轮机和固体氧化物燃料电池（SOFC）仍会释放二氧化碳，因此碳捕获技术至关重要。本研究开发了一个详细的Aspen Plus模型，该模型包括了混合微型燃气轮机（mGT）和SOFC系统，以及一个火炬气体净化装置（GSU）和碳捕获（CC）系统。还研究了废气再循环（EGR）配置，以提高二氧化碳浓度从而增强捕获效果。每个子系统在集成之前都经过了验证。GSU通过30米的吸收器和0.29公斤/秒的溶剂流量实现了最小的再热器负荷，满足了硫化氢（H2S）去除标准。对于SOFC，电流密度、蒸汽与碳的比例和燃料利用率的最佳值分别为178毫安/平方厘米、2.5和0.85。这种混合mGT + SOFC系统的电能和能量效率分别达到了68.7%和66.1%。CC单元利用SOFC和mGT排气中的废热部分满足了再热器的需求。同时，1.8巴的压力、14米的吸收器以及1.0（无EGR时）和2.4（有EGR时为0.67）的液气比将能源需求降至最低。mGT + SOFC配置展现了最佳性能：无CC时的碳排放强度为288.5克二氧化碳/千瓦时，而使用CC后降至约30.5克二氧化碳/千瓦时，表明二氧化碳排放量减少了约89%。总体而言，所提出的混合系统为火炬气体的增值利用提供了有效的途径，实现了高效率和显著降低的二氧化碳排放。

**引言**
在过去几十年中，工业化和人口增长导致了全球对能源的巨大需求。目前，大部分能源仍依赖化石燃料，其大量使用不仅导致供应有限，还带来了严重的环境问题，如高水平的温室气体排放和全球变暖。此外，经济限制和国际法规要求减少污染物排放，这突显了在能源系统中应用新技术的必要性。有效利用现有资源和回收废弃能源流（如火炬气体）已成为提高能源效率和减少环境影响的必要策略。火炬气体是原油开采过程中产生的天然气副产品，由于缺乏适当的收集或回收基础设施，这些气体大多数在油田以可控方式燃烧，这种做法不仅浪费了潜在能源，还是大气污染物的主要来源[1]。全球范围内，火炬燃烧导致大约4亿吨二氧化碳的排放，相当于全球温室气体总排放量的1.5％，大约相当于欧洲天然气消费量的三分之一[2]。除了对环境的影响外，火炬燃烧还造成了巨大的能源损失——每年燃烧的约1400亿立方米天然气相当于7500亿千瓦时的电能，这个数值超过了整个非洲大陆的年用电量[3]。鉴于这一问题对能源和环境的影响，2015年世界银行和联合国联合启动了“2030年消除常规火炬燃烧”倡议，旨在在政府、石油生产商和发展机构的支持下到2030年彻底消除常规火炬燃烧[4]。这些数据强调了采取有效火炬气体回收措施的紧迫性，以减轻环境和经济影响[5],[6]。

根据多项研究，火炬气体的主要回收方法包括发电、再注入、天然气制液体（GTL）、压缩天然气（CNG）、合成气生产、液化天然气（LNG）和氢气生产[7]。研究表明，发电是火炬气体利用的有效且经济可行的方法，尤其是在电力网络覆盖有限的地区，为能源回收提供了可持续的解决方案[8]。
一种特别有效的火炬气体利用策略是通过分布式能源装置（尤其是小型微型燃气轮机）在现场发电。这类装置的优势在于它们能够在火炬燃烧发生的地方直接将废气转化为电能，从而减少运输损失、提高可靠性，并显著降低二氧化碳排放。然而，基于现有研究，利用微型燃气轮机回收火炬气体的应用仍然有限，相关研究很少。此外，固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种有前景的技术也出现了，它们能够高效地将化学能直接转化为电能[9]。研究表明，将SOFC应用于火炬气体系统不仅可以产生额外的电能，还能减少温室气体排放[10]。经济评估显示，使用SOFC进行火炬气体回收的成本低于其他技术（如传统燃气轮机）[10]。因此，以下部分将重点介绍应用SOFC进行火炬气体回收的研究。

根据Saidi等人的研究[11]，模拟了伊朗Asalouyeh天然气处理厂中SOFC的运行情况。在该模型中，净化后的火炬气体直接输入SOFC，所需的蒸汽通过阳极气体循环系统提供。结果显示，该系统可产生约1200兆瓦的电能，并显著减少了温室气体排放，从1700公斤/秒降至68公斤/秒。参数分析进一步表明，提高 operating temperature 和燃料利用率以及降低阳极循环比例能显著提升系统性能和电能效率。Al-khori等人[10]研究了SOFC与海上和陆上工厂火炬气体流的集成。通过将大量净化气体输入SOFC单元，系统既能发电又能减少排放。结果显示，在陆上案例中，使用约350万标准立方英尺的气体可产生近20兆瓦的电能，并将二氧化碳当量排放量从每天263吨降至101吨；在海上案例中，输入约105,000标准立方英尺的气体可产生约600千瓦的电能，并将排放量从每天9吨降至3吨。Al Jabri等人[12]提出了一种使用Aspen Plus开发的SOFC模型进行火炬气体发电的替代方法。该模型包含了混合器、冷却器、反应器和换热器等现有单元操作模块，并根据已发表的文献数据进行了验证。研究重点分析了温度、压力和燃料利用率等关键操作参数对系统性能的影响。结果显示，在1050°C的运行温度和0.85的燃料利用率下，系统实现了818毫伏的整体电池电压。Bargo[13]的另一项研究设计了一种SOFC联合热电（CHP）系统，用于回收西苏丹Neem-Field地区高二氧化碳含量的火炬气体。模拟结果表明，该系统可产生1兆瓦的电能和0.068兆瓦的热能，整体效率达到43.3%（基于低位热值LHV）。能量分析显示，系统中38%的损失发生在空气预热器。通过使用火炬气体而非传统燃烧方式，系统减少了80%的二氧化碳排放。Nezhadfard[14]的研究指出，SOFC + 燃气轮机配置是一种可行的选择，尤其在提高效率和减少排放方面。该研究指出，要进一步提高性能、降低成本并在实际条件下测试运行，还需要进一步研究[14]。

为了确保火炬气体在微型燃气轮机（mGT）和SOFC等敏感设备中的安全高效利用，气体预处理是必不可少的。化学溶剂是常用的天然气净化方法，占所用技术的95%以上[15]。Jafari等人[16]证明，集成膜基净化装置可以有效提高火炬气体的质量，适用于GTL工艺。膜不仅能有效去除酸性气体，还能提高下游装置（如重整器和费托合成）的稳定性和性能。尽管这一步骤使电能消耗增加了约47%，但总体能源需求降低了近26%，二氧化碳排放减少了23%，液体燃料生产成本降低了约12%[16]。Dinani等人[17]的研究使用净化装置去除火炬气体中的二氧化碳和硫化氢（H2S），确保气体符合再注入或转化的质量标准。研究结果表明，净化和NGL回收显著减少了排放（每年超过600万吨二氧化碳），并保持了系统的经济效益，净现值为15亿美元，回收期为1.6年[17]。Kumar等人[18]提出了一种热经济模型，结合集中太阳能和富氧燃烧循环来回收火炬气体，同时生产电能和净水。尽管该模型侧重于效率和太阳能集成，但假设火炬气体必须在净化装置中预处理以去除酸性气体。结果表明，与传统回收方法相比，该系统效率提高了26%，燃料使用量减少了33%，排放量也有所下降，突显了气体净化装置（GSU）的重要性。

**废气再循环（EGR）**将部分废气重新引入进气系统，有效降低燃烧温度并减少氮氧化物（NOx）排放，从而提升排放控制效果[19]。Thielens等人[20]在2025年的一项研究中调查了外部EGR循环对MTT EnerTwin?微型燃气轮机的影响。系统经过改造，允许废气循环进入燃烧室直到火焰熄灭。结果显示，EGR使废气中的二氧化碳浓度增加了7.9％，减少了NOx排放，并略微提高了联合热电输出。然而，较高的气体循环率也会增加一氧化碳（CO）浓度，在达到火焰熄灭点之前存在限制。该研究展示了EGR作为提高微型燃气轮机碳捕获效率的方法的潜力。De Paepe等人[21]的研究探讨了在湿润环境中使用EGR的影响。模拟结果显示，EGR可以通过减少碳捕获过程中的能耗和增加废气中的二氧化碳浓度来提高系统效率。此外，结合EGR和湿润技术可以支持更清洁、更高效的发电。

**碳捕获、利用与储存（CCUS）**已成为减少温室气体排放和推动向低碳能源系统转型的关键策略。它涉及从工业和发电源分离二氧化碳并将其储存起来，防止其释放到大气中。据预测，到2050年，CCUS可贡献高达13%的全球减排目标。同时，CCUS还能将捕获的二氧化碳转化为有价值的产品，带来环境和经济效益[22]。在现有技术中，基于胺类的燃烧后捕获方法是应用最成熟、应用最广泛的方法之一，尤其是在化石燃料和天然气发电系统中[23]。单乙醇胺（MEA）因其与二氧化碳的强反应性、良好的热力学性能和相对较低的成本而成为标准溶剂[24]。此外，将先进的胺基燃烧后捕获配置与联合循环燃气轮机集成，可显著提高净功率输出，相比传统配置提高效率高达30%[25]。Snytnikov和Potemkin[26]的研究中将碳捕获单元与低温蒸汽重整过程结合，用于火炬气体的处理，实现二氧化碳的分离并重新注入油藏。这种方法被证明既能提高石油回收率，又能减少大气中的二氧化碳排放，同时允许捕获的二氧化碳作为“蓝色”氢气生产的排放配额在那些无法实施碳捕获的场所使用。Verhaeghe等人[27]展示了溶剂选择在减少基于胺的碳捕获在微型燃气轮机系统中的能量损失方面起着关键作用。他们的结果表明，用混合的甲基二乙醇胺/哌嗪（MDEA/PZ）溶剂替代传统的MEA可以将再沸器的特定负荷降低约15%，并提高整体的热性能和电性能。该研究还发现，先进的工艺配置仅能带来小幅度的改进，这证实了溶剂优化比工艺修改更能有效提高低二氧化碳含量燃气轮机应用中的碳捕获效率。Qian等人[28]开发了一种新型的天然气和燃煤联合系统，该系统将燃气轮机的排气直接引入燃煤锅炉中，以提高发电效率和碳捕获性能。结果显示，来自燃气轮机排气的发电量增加了19.90%，而天然气发电的净效率达到了61.49%，比传统系统提高了4.09个百分点。此外，烟气中二氧化碳浓度增加了2.40倍，使得碳捕获系统的能耗降低了22.03%。在Li和Zhang[29]的研究中，提出了一种新颖的选择性废气再循环（S-EGR）策略，以提高部分负荷条件下带燃烧后二氧化碳捕获的燃气轮机联合循环（GTCC）系统的效率。所提出的方法消除了对废气压缩和冷却的需求，从而降低了能耗并改善了整体系统性能。结果显示，在50%的负荷下，系统实现了90%的二氧化碳捕获率，并使废气中的二氧化碳浓度增加了一倍多，减少了MEA的捕获负荷31.67%。因此，部分负荷效率提高了0.93个百分点，底部循环的功率输出增加了12.57 MW，展现了改进的热力学性能。Moosazadeh等人[30]提出了HydraCap-FF系统，该系统将碳捕获与火炬气的利用相结合用于氢气生产。碳捕获装置在整个过程中分离并重新注入二氧化碳，从而提高了石油回收率并减少了二氧化碳排放，增强了资源的利用效率。下一代版本HydraCap-RE还结合了太阳能热辅助，进一步减少了碳足迹并增加了氢气产出，同时在环境和经济方面相比传统方法具有显著优势。尽管人们对利用火炬气越来越感兴趣，但目前尚未提出详细的mGT + SOFC混合系统。mGT或SOFC的独立运行仍然会导致大量的二氧化碳排放，而传统的碳捕获解决方案通常需要大型 installations，且整体效率相对较低。将SOFC与mGT集成可以提高电效率，从而增强了碳捕获的技术可行性和有效性。本研究的主要创新和贡献如下：•开发了一种新型系统，整合了GSU、mGT、SOFC、EGR和基于吸收的碳捕获（CC），以解决火炬气的价值利用问题，这是以往研究中未报告过的。•研究了SOFC和mGT的联合运行，利用它们的互补特性，使得电效率和熵效率都高于各自独立运行时的效率。•利用混合mGT + SOFC系统的高温排气来为碳捕获单元供能，减少了CC过程的能量损失并提高了整体系统性能。•评估了预处理和辅助单元（包括GSU、EGR和CC）对系统效率和二氧化碳排放的影响，为它们的最佳集成提供了见解。•提出了一种适合海上或偏远地区的紧凑型系统，能够实现独立运行，占地面积小，最大化能量回收并最小化二氧化碳排放。

**模拟方法**
本节提供了本研究中考虑的每个循环和子系统的概览，这些循环和子系统都分别进行了介绍和验证。模拟使用Aspen Plus V14.0软件进行。子系统的介绍顺序如下：气体净化单元、固体氧化物燃料电池、微型燃气轮机、废气再循环，最后是碳捕获。所研究的混合系统的整体示意图如图1所示。

**结果与讨论**
在进行了详细的系统特性分析和单元验证程序之后，本节系统地检查了模拟结果，追踪了从上游火炬气净化到下游二氧化碳捕获操作的整个过程链。

**能量分析**
在评估每个子系统、进行敏感性分析并确定最佳运行点之后，现在有必要从能量角度分析整个系统并计算其效率。相应地，电效率定义如下：
ηel = W?el - W?auxm?sg,LHVsg
其中，W?el代表系统的电功率输出（mGT + SOFC），而W?aux表示泵、电加热器和鼓风机等辅助组件所需的功率。

**结论**
本研究调查并模拟了一个由火炬气净化单元、固体氧化物燃料电池、微型燃气轮机和碳捕获组成的混合系统。模拟使用Aspen Plus软件进行，所有子系统最初都是独立建模和验证的。获得的结果表明：

●填料高度和稀溶剂流量对H2S去除效率有显著影响。填料高度为30 m且溶剂流量为0.29 kg/s时，可获得最低的CRedI值。

**作者贡献声明**
Mostafa Mahboobi：撰写——原始草案、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。
Antoine Verhaeghe：撰写——审阅与编辑、验证。
Ward De Paepe：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

**致谢**
作者感谢Kashan大学为在Mons大学的热能与燃烧部门进行的短期交流项目提供便利。作者还想感谢Mons大学在研究期间的宝贵合作和热情款待。部分研究是在RESTORE项目的框架内进行的，项目编号分别为2410153和2450340，属于CETP-2023-1研究计划。