《International Journal of Hydrogen Energy》：A novel Allam cycle-based polygeneration system with solid oxide electrolysis for carbon-neutral electricity and methanol production
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摘要本研究提出了一种新型的氧燃料燃烧联合生成系统，该系统整合了固体氧化物电解槽、二氧化碳加氢制甲醇反应器以及Allam循环，旨在实现电力与甲醇的高效联产且无碳排放。研究通过能量分析和?分析，并运用响应面方法优化系统性能。结果表明，该系统的能量利用效率为50.11%，?利用效率为5
摘要
本研究提出了一种新型的氧燃料燃烧联合生成系统，该系统整合了固体氧化物电解槽、二氧化碳加氢制甲醇反应器以及Allam循环，旨在实现电力与甲醇的高效联产且无碳排放。研究通过能量分析和?分析，并运用响应面方法优化系统性能。结果表明，该系统的能量利用效率为50.11%，?利用效率为58.48%。各子系统之间的紧密质量与能量耦合使得可以针对内部参数进行优化。?流分析显示，富含氢气的废气是最大的?损失来源，占比达30.13%，这为进一步改进提供了关键方向。这项工作为将绿色燃料生产与低碳发电相结合的高度集成系统提供了可行的路径。
引言
随着全球能源需求的不断增加，温室效应也日益严重。因此，大力发展并利用可再生能源已成为全球趋势[1]。由于可再生能源具有间歇性和波动性，因此需要有效的能源存储解决方案。通过电解产生氢气是一种可行的长期能源存储方式，可用于储存可再生能源产生的电能[2]。目前，根据所使用的电解质不同，主流的电解技术可分为三类：碱性电解槽、质子交换膜电解槽以及固体氧化物电解槽。其中，固体氧化物电解槽相比另外两种电解槽具有显著优势。它的工作温度在600℃到1000℃之间[4,5]，因此相比低温电解槽，其电能消耗更低。相关研究表明，固体氧化物电解槽的氢气生产效率是质子交换膜电解槽的1.5倍[6]。因此，固体氧化物电解槽是极具前景的氢气生产方法。不过，氢气本身的物理化学性质也给其应用带来了一些挑战[7]。氢气的体积能量密度较低，导致存储和运输成本较高，通常需要将其压缩到15个大气压或冷却至-200℃以下使其液化[8]。与直接存储和运输氢气相比，通过氢气与二氧化碳的加氢反应合成液态甲醇则能有效解决这些问题。此外，甲醇在工业领域有广泛的应用，需求量也很大。作为重要的化学原料，甲醇可用于生产甲醛、烯烃和醋酸[9]。作为能源燃料，甲醇的燃烧性能优异，且相比传统化石燃料，产生的污染物更少[10]。预计到2030年，全球对甲醇的需求量将从2018年的1.4亿公吨增加一倍，达到约2.8亿公吨[11]。
同时，在现有的研究中，固体氧化物电解槽产生的氧气常被用于医疗领域或金属冶炼[12]。对于满足低碳发电的需求，氧燃料燃烧提供了一种解决方案。2013年，Allam等人[13]提出了一种氧燃料燃烧燃气轮机循环。该循环以碳氢化合物为能源，通过半封闭式、高压力比低压力比的回热布雷顿循环，实现了59%的发电效率。而且，氧燃料燃烧后的气体产物仅为水和二氧化碳，经过冷凝处理后几乎可以实现100%的二氧化碳捕集。
Allam循环因其高效率和无排放的特点而受到了大量研究关注。目前关于Allam循环的研究主要围绕两个方向展开。第一个方向是对循环本身进行优化，以提高系统效率。Scaccabarozzi等人[14]根据Allam循环的特点改进了涡轮冷却模型，通过参数敏感性分析评估了循环参数对热力学性能的影响，经过优化后，该循环的最高效率达到了54.80%，并且实现了100%的二氧化碳回收。回热器对Allam循环的热力学性能有着重要影响。Chan等人[15]提出了一种新的回热器结构，由两个双流换热器和一个三流换热器组成。与原始的仅有一个多流换热器的Allam循环相比，Chan的设计在工程应用中更为实用。
另一个研究方向是将Allam循环与其他能源转换过程相结合，形成联合生成系统。通过引入水电解制氢[16,17]、加氢反应等工艺，可以进一步提升整个系统的效率。Wang等人[12]通过将Allam循环与制气技术相结合，构建了一个高效的联合生成系统。该系统还与多效海水淡化-热蒸汽压缩装置相连接，从而有效利用了Allam循环产生的废热，使得新系统能够同时产出电力、甲烷和淡水。最近，也有不少研究致力于将Allam循环与甲醇合成相结合。Xin等人[18,19]提出了一种基于煤炭的联合生成系统，该系统包含了甲醇合成和Allam循环，但没有采用固体氧化物电解槽。Abousalmia和Karagoz[20]则将Allam循环与固体氧化物电解槽结合起来用于生产二甲醚。不过，他们的热量整合并没有特别针对二氧化碳加氢反应产生的废热。Kim等人[16]研究了16种不同的将电解槽与Allam循环结合用于生产甲醇的方案，但他们的研究重点在于技术经济分析，而非热力学优化。
上述内容在表1中进行了量化总结，可以看出，虽然之前的研究分别探讨了Allam循环、电解以及甲醇合成的部分内容，但尚未有研究将三者结合起来，同时对从二氧化碳加氢到固体氧化物电解槽水预热的整个过程进行明确的量化热耦合分析。为弥补这一不足，本研究提出了一种全新的联合生成系统，该系统将Allam循环、固体氧化物电解槽以及甲醇合成这三个模块进行整体协同整合。在这一创新框架的基础上，本研究通过能量分析和?分析，并结合响应面方法进行优化，以全面评估该系统的可行性和性能。
章节节选
系统描述
所提出的系统通过三个核心模块的协同运行来实现设计理念，这三个模块分别是固体氧化物电解槽模块、甲醇反应器模块以及Allam循环模块，其结构示意图如图1所示。如图1(a)所示，这些模块相互连接，形成了一个具有闭环物质流的完整系统。固体氧化物电解槽利用可再生能源从水中分解出氢气和氧气。这些可再生能源包括风能、光伏发电等
仿真与方法
本研究采用Aspen Plus V11软件进行建模与仿真，由于Redlich-Kwong-Soave状态方程适用于含碳氢化合物的系统，因此本研究采用了该方程来描述系统的热力学性质。在Aspen Plus中，通过依次连接各个模块来构建完整的系统模型。后续章节将详细介绍各关键组件的建模细节。仿真基于以下假设：所有过程均处于稳态条件下进行
结果与讨论
表5展示了在基准情景下该系统的计算结果，结果显示，该系统的能量利用效率和?利用效率分别达到了50.11%和58.48%。当甲烷的输入量为16千克/秒时，该系统可产出28.3千克/秒的甲醇，从理论上来说，其二氧化碳排放量为零。不过需要明确的是，“零二氧化碳排放”这一表述只是定性的，它仅指在本研究定义的系统边界内的直接排放量。此外
结论
本研究提出了一种基于Allam循环的新型联合生成系统，可用于同时生产电力和甲醇。该系统整合了氢气生产、甲醇合成以及Allam循环功能，实现了电力和甲醇的零碳联产。通过能量分析和?分析，本研究明确了系统内部的耦合机制和能量流动关系，并运用响应面方法优化了系统的运行参数
关于写作过程中生成式人工智能及人工智能辅助技术的声明
在撰写本文的过程中，作者们使用了ChatGPT和Gemini工具来提升文本质量。在使用这些工具之后，作者们对内容进行了必要的审核和修改，并对本文的内容负完全责任。
CRediT作者贡献说明
谭晓歌：数据整理、形式分析、方法设计、结果可视化。秦江：资源协调、研究指导。王静怡：概念构建、方法设计、研究指导、文本润色与编辑。
利益冲突声明
作者们声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益或个人关系：王静怡表示获得了深圳市科技创新委员会的财政支持；王静怡还表示获得了国家自然科学基金的财政资助；王静怡还提到得到了香港理工大学的资金支持。如果还有其他作者，他们则表示自己不存在已知的利益冲突
致谢
作者们感谢深圳市科技创新委员会（项目编号：GXWD20220811165757005）、国家自然科学基金（项目编号：52306236）以及香港理工大学（项目编号：P0056058、P0061665）给予的支持。
Xiaoge Tan|Jiang Qin|Jingyi Wang
哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，中国哈尔滨，150001
