生物质驱动集成多联产系统用于电力、氢气和淡水生产的热力学评估

《Energy Exploration & Exploitation》：Thermodynamic assessment of a biomass-driven integrated multigeneration system for power, hydrogen, and freshwater production

　　

高效利用生物质同时生产能源和水仍然是可持续能源系统中的关键挑战，这主要是由于显著的热力学不可逆性。在本研究中，提出了一种新颖的生物质驱动集成多联产系统，并通过详细的能量分析和火用分析进行了评估。该系统将生物质气化与燃气轮机循环、回热式有机朗肯循环（RORC）、质子交换膜电解槽以及蒸发式海水淡化装置相结合，以同时生产电力、氢气、热能和淡水。研究人员在Aspen HYSYS中对系统进行了稳态建模，并采用火用分析来识别不可逆性的主要来源。结果表明，所提出的配置实现了84%的整体能量效率和44.68%的火用效率。火用分析揭示，气化和燃气轮机子系统主导了总不可逆性，占总火用破坏的82%，其中燃烧室是主要贡献者。参数研究表明，提高RORC运行压力和进入燃烧室的空气温度可增强净功率输出和整体火用效率，但由于低品位热量的可用性降低，淡水产量相应减少。

在当前全球能源需求急剧增长、能源安全与环境问题交织的背景下，传统的单一输出能量转换系统因大量中低品位废热耗散而面临显著的热力学效率瓶颈。仅基于能量分析的方法无法揭示能量品质退化，而火用分析能够量化不可逆性并定位效率损失源。生物质因其碳中性潜力、广泛可得性和可存储性而备受关注，但气化系统固有的巨大火用破坏，尤其是在气化炉和燃烧室中，要求采用先进的集成策略。同时，清洁氢气与淡水需求日益增长，质子交换膜电解与热法海水淡化均需有效整合低品位热能。然而，现有文献中鲜有在单一热力学集成框架内同时实现发电、制氢、供热和淡水生产的研究，且缺乏组件级火用破坏分布与参数敏感性分析。

针对这一研究空白，研究人员提出了一种以松木锯屑气化为核心的新型集成多联产系统，旨在同时生产电力、氢气、热水和淡水。该系统通过精心安排的热管理策略整合了生物质气化炉、燃气轮机循环、回热式有机朗肯循环（RORC）、质子交换膜（PEM）电解槽和蒸发式海水淡化（EVD）单元。研究在Aspen HYSYS稳态条件下完成建模，并开展了全面的能量与火用分析以及参数研究。结果表明，系统整体能量效率达84%，火用效率为44.68%，净输出电力3373.65 kW，同时产出629.27 kW热功率、3137.4 kg/h淡水和6.35 kg/h氢气。火用分析显示，总火用破坏为4268.25 kW，其中气化系统占48%、燃气轮机系统占34%，两者合计82%，燃烧室是最主要的不可逆性来源，占总破坏的25.2%。参数研究表明，RORC运行压力从2100 kPa升至5800 kPa时，热效率从84%增至93%，火用效率从44.8%升至47.3%，净功率从3.32 MW增至3.48 MW，淡水产量从0.85 kg/s增至1.08 kg/s，而供热功率略有下降；燃烧室空气温度从1000°C升至1300°C时，净功率从3.35 MW增至3.65 MW，整体火用效率从42.6%升至45.6%，但淡水产量从0.87 kg/s降至0.71 kg/s，这一权衡通过帕累托前沿予以呈现。与文献中其他SOFC基多联产系统相比，该研究的CPI（综合性能指标）达73.32%，高于对比基准值。该研究证明，基于级联热回收的深度集成策略能显著提升生物质基多联产系统热力学性能，为面向电-氢-水联产的可持续系统设计提供了数据支撑和决策工具。

研究人员开展研究主要采用了以下关键方法：首先，使用Aspen HYSYS软件构建完整的稳态系统模拟框架；其次，采用非化学计量吉布斯反应器对生物质气化过程进行建模，通过最小化吉布斯自由能确定合成气组分；再次，基于能量平衡与火用平衡方程对各组件进行热力学评估，量化不可逆性分布；此外，整合电化学模型对PEM电解槽进行模拟，包括电流密度、欧姆过电位和活化过电位计算；最后，通过引入综合性能指标（CPI）对不同系统进行归一化比较，并开展参数敏感性分析。所有模型均与文献数据进行了验证，误差在7%以内。

以下为研究结果的主要内容：

**整体系统性能**：系统在基准工况下将7968.45 kW生物质能转化为多种有用产品，整体能量效率达84%，火用效率为44.68%，电效率为44.45%。这证明了所采用的集成策略在减少热力学不可逆性方面的有效性。

**火用分布与不可逆性分析**：通过组件级火用分析，确定了总火用破坏为4268.25 kW。气化炉、燃烧室和PEM电解槽是主要不可逆性来源，分别占总火用破坏的48%、25.2%和5.67%，其中燃烧室因化学反应不可逆性和大温度梯度成为最关键部件。级联热回收布局有效利用了多级热能，回收火用包括RORC的1173.9 kW、海水淡化单元的273 kW及冷凝器E-106的284.55 kW。

**子系统火用效率分析**：气化系统火用效率最高（81.21%），表明生物质化学火用向合成气的有效转化。燃气轮机系统火用效率为48.3%，RORC为58.04%，PEM电解槽为49.99%，而蒸发式海水淡化单元火用效率最低（22.22%），这是因为低热品位相变过程固有不可逆性，但该单元仍对系统级资源利用发挥了重要作用。

**RORC运行压力敏感性**：提高RORC工作压力可同时提升热效率、火用效率、净功率和淡水产量，但会略微降低供热功率，反映了回收热能在不同产品间的再分配。

**燃烧室空气预热温度敏感性**：提高空气预热温度使净功率和火用效率单调增加，但淡水产量显著下降，揭示了电-水生产之间的固有热力学权衡。帕累托前沿提供了根据需求偏好选择最优运行温度的决策依据。

讨论部分对系统热力学性能与文献数据进行了比较。采用综合性能指标（CPI）可平衡能量效率、火用效率和净功率输出，该指标显示本系统性能优于对比的SOFC基系统。同时强调CPI仅作为补充性比较工具，其有效性受限于所选基准案例。

研究结论部分指出，所提出的生物质驱动集成多联产系统在稳态工况下实现了高效的多产品联产，验证了通过级联热回收和各子系统热力学集成能够显著减少不可逆性，同时揭示电和水生产之间需要根据实际需求进行权衡。该项工作发表在《Energy Exploration & Exploitation》。