集成多种转化技术的可再生城市固体废物生物质制能；基于智能多情景白鲸优化的热 - 环境 - 经济及全球变暖潜值评估

首页今日动态人才市场新技术专栏中国科学人云展台
BioHot
云讲堂直播会展中心特价专栏技术快讯免费试用

生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏

生物通首页 > 今日动态 > 正文

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Renewable Municipal Solid Waste Biomass-to-Energy Integrating Multiple Conversion Technologies; Thermo-Enviro-Economic and Global Warming Potential Assessment with Intelligent Multi-Scenario Beluga Whale Optimization

【字体：大中小】 时间：2026年09月09日 来源：Journal of Environmental Chemical Engineering 7.5

编辑推荐：

　　 # 摘要稳定可靠的能源和淡水资源供应对于满足不断增长的全球需求至关重要，多联产配置作为可靠解决方案，通过整合多种转换技术来生成有价值的产品。本研究提出了一种新型多联产配置，将脱盐装置、吸收式制冷机、闭式空气布雷顿循环与生物质燃烧器相结合。该系统独特的特点在于利用闭式空气布

　　

# 摘要

稳定可靠的能源和淡水资源供应对于满足不断增长的全球需求至关重要，多联产配置作为可靠解决方案，通过整合多种转换技术来生成有价值的产品。本研究提出了一种新型多联产配置，将脱盐装置、吸收式制冷机、闭式空气布雷顿循环与生物质燃烧器相结合。该系统独特的特点在于利用闭式空气布雷顿单元高效地将生物质燃烧产生的热能转化为电能，并将该单元与两级脱盐循环相结合，确保淡水生产与电力生产的同等优先地位。本研究将评估范围拓展至传统4E之外，采用全球增温潜势（GWP）评估、多目标优化、参数研究和敏感性分析，以更深入地了解系统性能。系统高效能量转换由其能量输出效率47.82%和?输出效率38.95%得以体现。此外，从经济角度来看，该系统接近综合能源项目的可行性阈值，在其20年生命周期内实现14.66百万欧元的利润，并以12.15年的较短回收期予以支持。此外，该系统平准化总年排放量为0.7011 kg/kWh，凸显其低GWP，其GWP测量值为10232 kgCO?-eq/kWh。在优化过程中，本研究利用智能白鲸优化算法进行高效搜索空间探索，结果显示?效率为42.79%，总产品单位成本为35.09 €/GJ，平准化排放量为0.65 kg/kWh，GWP为1.51 kgCO?-eq/kWh。

# 引言

由于快速的城市化、人口增长和消费模式变化，城市固体废物（MSW）的数量不断增加，同时带来了废物管理、资源可用性和环境保护方面的挑战[1, 2, 3]。传统的MSW管理方式，包括无管理的填埋和不进行能量回收的处置，需要大量土地资源，并可能导致大量可回收能量或材料的损失，同时产生温室气体排放和空气污染。因此，从废物处置向废物-to-能源（WtE）和资源回收范式的转变已成为循环经济战略的重要组成要素[4, 5]。近期的评估强调，MSW应越来越多地被看作不仅是废物流，更是一种复杂的资源，具有回收有机物和能量的潜力，无论是以可燃形式还是以化学能的形式，可用于发电、余热回收、燃料生产以及各种其他增值产品[6, 7]。

特别是，燃烧、气化、热解和混合技术等热化学转化过程对于MSW可燃部分的能量回收非常有前景[2, 6]。MSW的化学能可以通过直接燃烧转化为高温热能，随后高温热能可以被回收用于发电和其他有益的余热利用。然而，WtE系统的效率不仅取决于一次转换技术，还取决于可用热集成到下游能源和公用事业生产系统中的效率。在现有的单输出WtE系统中，大量潜在的热能可能未被利用，特别是如果它未被梯级利用到其他低温和中温热流中。然而，将MSW转化与多种能源和公用事业生产技术进行集成，可以提供更好的废物原料利用和增强的废物原料价值[8, 9]。

为了克服这一问题，提出了一种多能系统，即从同一能源生产两种或更多种有用的能源形式，这被称为综合多能系统或多联产系统。废物燃烧过程中产生的高温热能可以通过适当的热力学循环转化为电能，剩余的热能可以用于冷却、脱盐、供热等热过程。这可以减少被排放到环境中的废物能量比例，并提高可用能量的利用。以往已在综合WtE系统的背景下研究了单产品方法，证明其在资源方面比单产品方法更灵活和高效[3]。此外，WtE系统的性能高度依赖于原料特性、工艺流程、运行条件和当地能源需求，因此不能使用单一的性能指标来评判，而是需要通过同时的热力学、经济和环境评估。

对于基于MSW的能源系统而言，环境维度尤为重要。WtE的环境性能不仅受最终处置废物量的影响，还受所用废物类型、转换过程、能源效率、排放以及残余物和辅助材料处理方式的影响。生命周期评估研究表明，由于系统边界、技术配置和废物管理场景的不同，WtE系统的环境影响存在显著差异。因此，在MSW资源回收系统的可持续性评估中，环境评估应与能量、?和经济评估一并考虑[2, 10]。具体而言，测量全球增温潜势（GWP）对于理解不同系统配置的气候变化影响以及实现热力学和环境效益的运行条件至关重要。

除环境性能外，在结合多种转换和公用事业生产技术时还存在许多经济和运营方面的权衡。更多的子系统可能改善能源和资源使用，但也可能导致更多设备、更复杂的运营和更高的运营成本。因此，必须采用系统优化与技术经济分析和热力学分析相结合的方法，以找到实现所需效率、经济可行性和环境影响的配置组合。近期的MSW-to-能源系统研究中，综合技术经济环境评估和多准则决策的需求日益受到关注，相较于仅基于能源效率的优化方法[2, 9]。

已有几项研究涉及综合废物和沼气基多联产系统[11, 12]，这些研究为多输出MSW转化系统的开发提供了有用的基础。为了优化能量回收，Shao等[13]创建了一种改进的三联供框架，整合了多种热力学循环并使用填埋沼气作为主要燃料。与传统能源系统相比，该系统显示出显著的环境效益，最突出的是CO?排放减少了51.02%。同样，Ebrahimi-Moghadam等[14]探索了一种由沼气驱动的燃气发动机三联供系统。所建议的布局被发现能够达到25.24%的?效率，同时展现出可行的经济可行性。所有这些工作都表明，三联供系统可以提高能源利用并减少生态影响。然而，这些研究并未涉及异质性MSW，而是展示了将废物衍生燃料与多种能源转换和公用事业生产单元集成的潜力。

第二个研究方向是向转化沼气以增强产品输出发展，例如使用化学转化过程增加产品多样性[15, 16]。Farhang等[17]提出了一种基于沼气蒸汽重整的电力、淡水、氢和氨生产系统，该系统结合了朗肯循环、脱盐装置、电解槽和氨生产单元。Sun等[18]设计了一种重整一体化沼气系统，用于协同生产电力、供热/制冷和淡水，?效率达到约36%。Wu和Li[19]提出了一种集成沼气过程，包括部分燃烧、合成气生产以及随后利用朗肯循环、制冷、燃气轮机和脱盐等子系统回收能量。尽管这些研究强调了热集成和产品多样化的优势，但它们主要关注沼气，并未涵盖异质性MSW原料的技术问题和MSW直接热化学转化。

此外，多循环多联产系统也已被研究以提高系统的能量回收、灵活性和可持续性。Yang等[20]提出了一种集成填埋气基多联产系统，能源效率为23.62%。Wu[21]研究了一种沼气增值配置，包括低温升级、生物甲烷燃烧、Kalina循环、再气化和脱盐，能量和?分析分别为59.82%和13.40%。Akci Turgut和Dincer[22]研究了沼气系统以同时生产电力、饮用水和氢气。参数研究表明参考温度和压缩比显著影响系统性能。Halawani等[23]设计了一种多级沼气发电厂，其往返效率达到53.66%，表明灵活性和效率之间取得了良好的平衡。Abdolalipouradl等[24]设计了一种沼气燃气轮机系统，配有电解槽、加热器、脱盐系统和朗肯循环，?效率为32.52%。Haghghi等[25]还分析了包括富氧燃料燃烧和级联热回收的沼气多联产系统。所有这些研究都展示了多循环和多产品组合实现废物最大能量利用的能力。然而，这些研究大多关注填埋气或沼气，关于高效利用MSW可燃生物质部分并同时回收电力、冷却和淡水的集成系统研究相对较少[26]。

然而，仍有若干未回答的研究问题。首先，目前的多数MSW-to-能源项目主要关注发电，回收热的潜在梯级利用于其他产品（冷却、淡水等）尚未被充分探索。其次，转换和公用事业生产子系统内的热集成不足可能导致能量和?损失。第三，已有的大量文献仅考虑单一热力学或经济准则，未尝试在单一优化框架中同时解决热力学性能、经济可行性和GWP。第四，在综合MSW多联产系统中，运行变量之间的相互作用使得仅使用单一场景的优化可能不足以找到具有不同性能优先级的稳健运行条件。因此，需要广泛的多目标和多场景优化框架来确定优化能源/?、经济和环保性能的系统配置。

为了克服这些不足，本研究提出了一种利用MSW的综合多能系统，包括生物质燃烧器、闭式空气布雷顿循环、吸收式制冷装置和两级脱盐系统。所提出的配置利用MSW生物质燃烧产生的热能通过闭式布雷顿循环发电，并将剩余可回收热能梯级利用于冷却和淡水生产。这些子系统的设计旨在最大化MSW资源中可用热能的利用和有用产品的生产数量。所提出的系统因此创建了一条从单一能源（源自MSW）出发的电力、冷却和淡水生产综合路径，这与单输出WtE系统不同。

本研究进一步通过考虑能量、?、经济和GWP评估的统一框架，推动了当前热力学和经济评估的发展。进行了详细的参数分析以阐明主要运行变量对系统性能的影响，并利用敏感性分析确定主要性能指标的最有影响参数。此外，采用基于机器学习的多场景多目标白鲸优化算法来发现和评估各种性能目标的最佳解决方案参数。该方法旨在成为评估综合MSW资源回收系统技术经济环境潜力的更全面基础。

本文的其余部分按以下结构安排：第2节描述所提出的系统配置和主要组件；第3节提供方法学，包括系统模拟和优化方法；第4节提供系统性能评估中应用的数学建模，包括热力学、经济、环境和GWP分析；第5节呈现并讨论系统验证、性能评估、机器学习分析、多目标优化、参数分析和敏感性分析。

最后，第6节提出了研究的主要结论，并总结了主要发现。

系统描述：所提出的方法以市政固体垃圾生物质为主燃料，同时生产淡水、冷却和电力，其组成如表1所示。该系统包含一个两级脱盐装置、一个吸收式制冷机、一个闭式空气布雷顿循环以及一个生物质燃烧器。布雷顿循环由燃烧气体驱动运行，燃烧气体的余热用于制冷机产生冷冻水。此外，压缩空气的多余热量……

方法论：所提出的方法在图2中有详细的说明。首先，研究在Aspen HYSYS中创建系统的虚拟模型，并在预设假设和边界条件下捕捉系统的运行和热力学响应。在此基础上，结合4E框架、全球变暖潜能值考量和参数分析，提供了全面的性能评估，突出了系统的优缺点。

能量与?数学建模：基于热力学第一定律，能量分析的数学建模涉及系统的质量与能量平衡，如式(6)[52]：

Q? - ? = Σ???h?? - Σ????h???

其中，热量（Q?，kW）和功率（?，kW）与质量流量（?，kg/s）和比焓（h，kJ/kg）相关联。

此外，当热传递到环境可忽略时，?分析的数学建模涉及系统的?平衡，如式(7)[53]：

??????? - ??????? - ??????? = 0

验证结果：验证过程在补充文件中完成，以确保所提出系统模拟的准确性。

性能评估结果：根据图6，燃烧器中燃烧生物质产生的?为712722 kW。该能量通过热烟气输送至闭式空气布雷顿循环和吸收式制冷机部分。通过这种热能转换，产生了29 kW的冷却?和5295 kW的电力。脱盐部分还接收了4238 kW的燃料?。

结论：本研究提出了一个多联产系统，通过整合生物质燃烧器、闭式空气布雷顿循环、吸收式制冷机和脱盐装置，利用市政固体垃圾生物质进行发电。所提出系统的独特之处在于采用了闭式空气布雷顿循环，该循环将生物质燃烧产生的热能高效地转化为电力，并减少了不可逆性。此外，该系统将闭式布雷顿循环与两级脱盐循环相结合，从而实现了更……

作者贡献声明：
Mohamed Arbi Khlifi：调查、形式分析。
Yasmin Khairy：资源、调查、资金获取。
Hind Albalawi：项目管理、资金获取。
Zuhair Jastaneyah：撰写——初稿、资源、调查。
Allanazar Qutlimurotov：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿。
Ibrahim Mahariq：撰写——审阅与编辑、验证、数据管理。
Yasser Fouad：监督、方法论、资金获取、概念设计。
Lei Chang：

利益冲突声明：作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢：沙特阿拉伯利雅得沙特国王大学持续研究资助计划（ORF-2026-698）。

Lei Chang|Ali Basem|Hyder H. Abed Balla|Mohamed Arbi Khlifi|Hind Albalawi|Yasmin Khairy|Allanazar Qutlimurotov|Zuhair Jastaneyah|Yasser Fouad|Ibrahim Mahariq

安徽三联学院新商业科学学院，中国安徽省合肥市禾岸路47号，邮编230601

联系信箱：

粤ICP备09063491号

热点排行