沼气燃料纯氧燃烧发电系统耦合海水淡化及CO?液化：4E分析与多目标优化

《Biomass and Bioenergy》：Biogas-fueled oxy-fuel power system integrated with desalination and CO 2 liquefaction: 4E analysis and multi-objective optimization

　　

**摘要要点**

- 提出了一种新型以沼气为燃料的多联产系统，集成了多效蒸馏（MED）脱盐和二氧化碳（CO2）捕集技术。
- 进行了热力学、火用经济性和生命周期评价（LCA）火用环境分析。
- 在四种不同情景下开展了基于人工智能的软计算优化。
- 系统的火用效率为50.63%，单位成本为29.73美元/GJ。
- 系统的环境影响为4309 mPts/GJ，液化二氧化碳产量为12327 m3/h。

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**引言**

数十年来，化石燃料在现代城市发展及全球能源供应中发挥了核心作用[1,2]。然而，化石燃料存在重大弊端，如温室气体排放和长期环境退化[3,4]。这些影响加剧了城市基础设施的负担、增加了公共卫生系统的压力，并加速了全球气候危机[5,6]。因此，许多城市正转向可再生能源，以增强可持续性和能源安全[7,8]。在现有替代方案中，沼气作为新兴选项脱颖而出[9,10]。沼气由有机废物生产而来，体现了能量生产的循环方法，在减少垃圾填埋依赖的同时，提供了可靠的低排放燃料来源[11,12]。其在多联产应用中具有广泛的适用性——从城市交通到电力和供热——使其成为可再生能源组合中的实用贡献者[13,14]。此外，沼气的利用既支持环境目标，也有助于社会经济韧性[15,16]。基于这一潜力，近期研究已探讨将沼气应用于多联产系统。以下章节对部分相关研究进行了评述。

Cao等人[17]提出了一种季节性多联产系统，采用了燃气轮机、朗肯循环和喷射制冷循环。该研究进行了热力学和财务评估以及优化流程。系统在寒冷气候条件下的火用效率为37.0%，在炎热气候条件下为45.6%，对应成本分别为17.6美元/GJ和21.7美元/GJ。Arslan和Yilmaz[18]开发并优化了一种基于沼气的三联供系统，包括发电、吸收式制冷和供热单元。结果表明，火用效率从34.6%提升至50.1%。此外，供热成本降至17.8美元/MWh，制冷成本为35.2美元/MWh。Haghghi等人[19]提出了一种以沼气为燃料的S-Graz系统，结合蒸汽重整生产电力、氢气和热能。他们进行了热力学、火用经济性和可持续性评估。系统优化后产品单位成本为15.56美元/GJ，火用效率为52.7%，凸显了系统在经济和火用方面的可行性。Wu和Xu[20]设计了一种以沼气为燃料的多联产方案，结合了卡林纳循环、氨循环和有机朗肯循环，并配套吸收制冷、电解槽和海水淡化装置。在优化条件下，系统火用效率达到55.2%，产品单位成本为17.65美元/GJ，二氧化碳排放量为0.3吨/MWh。Pan等人[21]提出了一种以沼气为燃料的系统，集成了燃烧器、卡林纳循环、有机朗肯循环（ORC）、供热单元、吸收式制冷机和电解槽。评估结果显示，火用效率为23.71%，电力输出为2993 kW，氢气产量为40.32 kg/h。Moreira等人[22]将火用成本理论应用于一种多联产系统，该系统包含沼气发动机、吸收式冷水机组、光伏冷却板和热水箱。他们报告了38.2%的火用效率，以及电力、热水和冷水的成本率分别为2.69、1.7和1.73美元/h。分析还揭示，发动机和储罐组件的成本敏感性更高。Abdolalipouradl等人[23]研究了一种多联产配置，包括反渗透淡化、燃气轮机、电解槽、有机朗肯循环和家用热水生产单元。其热力学-经济调查和优化得出了32.5%的火用效率和28.98美元/GJ的电力单位成本，表明与传统配置相比具有更优的可持续性。Liu等人[24]研究了一种地热-沼气多联产配置，采用吸收式冷水机、卡林纳循环、有机朗肯循环和电解槽。其火用和经济分析表明，平准化能源成本为117美元/MWh，火用效率为23.7%。Qeshmi等人[25]探索了一种以生物质为驱动的多联产方案，利用气化器、热交换器和多个子系统。所提出的装置能够供应电力、热能、冷能、氢气和淡水。他们应用了热力学、火用经济性和火用环境分析，并结合多目标优化策略。优化结果表明成本和环境影响均有降低，强调了经济与环境性能之间的权衡。Yin等人[26]提出了一种以沼气为燃料的氧燃料涡轮机系统，配备了多级热回收装置。该系统集成了布雷顿循环、超临界CO2循环和有机闪蒸循环，并结合CO2捕集单元。该配置的火用效率达到42.15%，投资回收期为2.63年。在最佳运行条件下，该厂可输出1402 kW电力，产品单位成本达到34.83美元/GJ。Halawani等人[27]开发了一个面向CO2捕集的热回收网络。该系统采用氧-沼气燃烧、超临界CO2循环和有机闪蒸循环、改良燃气轮机和闭式布雷顿循环，以及压缩空气储能用于削峰。研究发现，往返效率为47.18%，净现值为1101万美元，产品单位成本为35.11美元/GJ。Yari等人[28]研究了一种基于沼气的可再生甲烷生产系统，采用电解槽和氯化钒制氢路线，并配备LNG冷却和CO2捕集。氯化钒配置取得了最佳性能，火用效率达到38.82%，产品成本为0.106美元/kWh，排放量为0.474 kg/kWh，投资回收期为5.96年。Laleh等人[29]开发了一种以沼气为燃料的多联产系统，集成了氧燃料燃烧、氯化钒热化学制氢、有机朗肯循环、光伏电池、甲烷化和氨合成。优化后的系统实现12023 kW净功率输出、47.60%的火用效率和19.21美元/GJ的产品成本。

捕集CO2对于提高多联产方案的环境绩效至关重要，因为它能减少能源生产过程中有害温室气体的排放[30,31]。由于这些系统通常依赖燃烧化石燃料、碳氢化合物或沼气，实施CO2捕集可减少其生态足迹并有助于满足严格的环保标准[32,33]。此外，引入CO2捕集技术可以通过实现碳再利用或封存来提高系统整体效率，从而促进更清洁的能源产出[34]。这种方法不仅支持全球减少碳排放的努力，还通过激励机制和更低的碳相关成本提高这些工厂的经济吸引力[35]。因此，CO2捕集在向可持续、低排放能源生产迈进的过程中发挥着关键作用[36]。

Ghorbani等人[37]提出了一种将沼气净化和液化相结合的配置，使用胺洗、低温分离和混合流体级联循环。该设计使用液化沼气作为燃料，同时以液态形式储存捕集的CO2作为生物CO2。热力学和经济评估显示火用效率高达72.6%，比能耗为0.4761 kWh/kg，反映了系统在能源和环境方面的良好表现。Menin等人[38]探讨了生物质驱动的合成气生物甲烷化（8.4–60.2 MW）在集成配置中的应用，包括电转气系统、氧气压缩、CO2去除和生物甲烷液化。其分析涵盖了四种系统布局，采用能源和经济指标。结果表明，冷燃气效率高达44.4%，生物甲烷最低价格为1.63欧元/m3。尽管文中强调CO2捕集的纳入至关重要，但作者指出，为进一步降低实现广泛市场竞争力所需的成本仍需努力。Varling等人[39]评估了17种不同基于沼气的系统配置的环境和能源效果，包括有/无CO2利用或储存的燃烧、升级和甲烷化选项。在这些选项中，带有CO2捕集和储存/利用的甲烷化方案带来了最大的气候效益，每吨沼气可减少多达2100 kg CO2当量。相比之下，升级工艺中的CO2利用在减排与能源效率之间实现了平衡的权衡。Full等人[40]研究了配备CO2捕集和储存策略的生物能系统，重点关注生物甲烷和生物氢气生产。其配置纳入了重整工艺、CO2捕集系统和能量回收组件。技术和环境分析揭示，基于氢气的路线实现了显著更高的CO2去除率——比生物甲烷路线高出多达五倍——尽管能源效率较低。该研究在不同运行情景下对火用性能、经济结果和环境权衡进行了详细比较。Ma等人[41]研究了使用沼气为燃料的固体氧化物燃料电池进行分布式发电，并集成了CO2捕集单元，如低温分离和碳酸钠循环。他们建立了20至200 kW的系统模型，具有燃料循环和热集成。热电经济评估结果显示，电力性能最高可达65%，平准化成本低至116欧元/MWh。加入CO2捕集显著改善了环境指标，表明在欧洲地区农业能源解决方案中具有巨大潜力。Feili等人[42]设计了一种以氧-沼气燃烧驱动的高级多联产方案。该装置包括氧燃料燃烧、超临界CO2、有机朗肯循环和NH3-H2O联合循环，以及电解槽和克劳德循环。该方案可产出电力、冷能、热能和液态氢。研究发现火用效率为47.7%，产品单位成本为28.13美元/GJ。该研究强调了集成CO2捕集对生态和经济绩效的重要性。Mousavi等人[43]提出了一种集成风电-厌氧消化系统，用于共生产电力、甲烷、氨气和CO2，利用液化和钙循环技术。该系统火用效率为37.47%，净功率为4358 kW，产品成本为38.37美元/GJ；优化后火用效率提升至47%，功率输出增至4744 kW，成本降至35.96美元/GJ。Rabet等人[44]开发了一种以生物质为燃料的多联产系统，集成了燃料电池、光伏电池、闭式布雷顿循环、制氢和CO2液化。该系统净功率为2798 kW，火用效率为35.44%，氢气产量为0.01285 kg/s，CO2排放为0.6353 kg/kWh。优化改善了能源利用，投资回收期保持在7年以下。

淡水可通过海水或咸水淡化获得，这是一种去除溶解盐分和各类杂质以满足灌溉、饮用和工业用途水质要求的水处理过程[45,46]。将热法淡化方法集成到多联产方案中，为提高能源效率并应对能源密集型应用中的水资源短缺提供了一种实用途径[47]。此类配置利用各种动力循环的低温余热或废热生产淡水，而无需大幅额外燃料消耗。因此，整体火用效率得以提高，每单位产出的排放减少[48]。多效蒸馏（MED）装置尤其适用于此类应用，因其在中等温度水平下运行高效且能耗低[49]。

多项研究已对这些集成进行了探索并取得有前景的结果。Al-Hamzawi等人[50]提出了一种基于太阳的多联产方案，使用抛物面集热器结合MED。其优化在晴朗干旱地区实现了可观的淡水产出和经济效率。Abed等人[51]提出了一种结合燃气轮机、甲醇重整和热回收来驱动MED和吸收制冷的系统。该配置实现了66.6%的高火用效率，减少了排放，并提高了淡水产量。Kademi等人[52]评估了一种基于太阳的设置，将超临界CO2布雷顿循环与MED集成，识别了主要的火用损失，并强调了组件优化（尤其是分离器和太阳能集热器）的必要性。Zuo等人[53]研究了包含MED和制氢的混合多联产框架。他们应用机器学习动态优化运行变量，显著提升了效率和经济绩效。Cavalcanti等人[54]考察了一种由蒸汽热压缩微型涡轮机驱动的MED系统。其结果揭示回热器组件存在成本和火用低效问题。Haghghi等人[55]开发了一种以沼气为燃料的多联产系统，将MED、CO2捕集和先进热回收耦合。优化表明火用效率为49.3%，淡水产量为66.35 m3/天，产品单位成本为27.54美元/GJ。Rabet等人[56]开发了一种集成多联产系统，包含消化、气化、地热能、卡林纳循环、MED、闪蒸和有机闪蒸循环。该系统火用效率为31.97%，淡水产量为72.36 kg/s。MED占火用破坏的最大份额（4546 kW，37%），凸显了其占主导地位的热力学损失。优化将火用效率提升至33.96%，发电功率增至6398 kW。

综合上述文献综述，从传统化石燃料向以沼气为燃料的多联产系统转型是构建公正且具韧性能源基础设施的关键一步。所评述的研究表明，将沼气与先进热力学循环和CO2捕集技术相结合，可显著提高火用效率、减少环境影响并支持多样化产出。特别是，MED已被证明是一种高度兼容且能源高效的附加方案，它有效地利用废热应对水资源短缺，且环境影响极小。

二氧化碳捕集与液化单元（CCLU）与多效蒸馏（MED）系统结合沼气供能、采用氧燃料燃烧的电厂，此前从未被研究过。针对这一研究空白，本研究提出并评估了一种新型多联产系统。主要创新点和贡献如下：

- **新型系统的开发与分析：** 对沼气驱动的多联产系统进行了全面评估，展示了其作为清洁能源生产、淡水制备和气候变化缓解的多功能解决方案的潜力。

- **先进的热回收与集成：** 系统采用了高效且环保的多级热回收策略，包括与燃气轮机循环（氧燃料电厂）集成的沼气氧燃料燃烧、采用跨临界二氧化碳（tCO2）循环的两级热回收单元、用于海水淡化的MED单元以及CCLU。

- **基于人工智能的优化与多准则分析：** 本研究采用人工智能（AI）进行详细优化，结合了热力学、?-经济以及基于生命周期评估（LCA）的?-环境视角。

该系统在工程方程求解器（EES）中进行模拟，并通过广泛的参数评估进行分析。随后，实施了基于人工智能的优化框架，探索了四种情景：?-成本、?-环境、成本-环境以及综合?-成本-环境目标。采用人工神经网络（ANN）对目标函数进行建模和训练，并将ANN输出与基于非支配排序的遗传算法II（NSGA-II）相结合，以寻找最优折衷方案。以下章节将描述系统配置、模拟方法、参数和优化结果以及结论性见解。

**流程描述**

图1展示了所提出的多联产系统配置，包含多个关键子系统。这些子系统包括与燃气轮机循环集成的沼气氧燃料燃烧（氧燃料电厂）、CCLU、tCO2循环和MED单元。tCO2和MED子系统与氧燃料电厂集成，以实现高效的多级热回收，支持电力和淡水的同步生产。CCLU允许生产液态二氧化碳作为副产品。

**模拟与方法**

模拟使用工程方程求解器（EES）开发，该工具是一款强大的计算工具，能够处理复杂的热力学和流体流动方程。EES提供了广泛的内置函数和全面的热物性数据，使其在分析能源系统和传热现象方面非常有效。在优化阶段，采用MATLAB中的ANN-NSGA-II框架，实现跨多种性能指标的优化。

**结果与讨论**

本章展示并分析了所提出的沼气驱动多联产系统的关键发现。结果分为两个主要部分：参数评估和优化结果。

**结论**

本文对集成了氧燃料电厂、CCLU、tCO2循环和MED单元的多联产能源系统进行了全面的热力学、?-经济和?-环境评估。采用详细的参数研究和基于人工智能的软计算优化方法来考察该系统在不同运行条件下的性能，并确定效率、成本和环境影响之间的最优折衷方案。参数研究表明……

**作者贡献声明（CRediT）**

Fu Ming：调查研究、概念构思。Motrih Al-Mutiry：指导、资源、项目管理。Saleh Alhumaid：方法学、概念构思。Mohamed Arbi Khlifi：形式分析、数据整理。Mohammad Abdulhadi O. Althobaiti：写作——审阅与编辑、写作——原稿撰写。Ashrf Althobaiti：调查研究、形式分析。Norah Alsairy：写作——审阅与编辑、数据整理。Zainab Ali Bu sinnah：调查研究、形式分析。Hanaa Abu-Zinadah：写作——审阅与编辑。

**致谢**

本研究由沙特阿拉伯利雅得诺拉宾特阿卜杜勒阿齐兹女子大学研究人员支持项目（项目编号：PNURSP2026R241）以及省级重点教研项目（2022jyxm026）资助。

Fu Ming | Motrih Al-Mutiry | Saleh Alhumaid | Mohamed Arbi Khlifi | Mohammad Abdulhadi O. Althobaiti | Ashrf Althobaiti | Norah Alsairy | Zainab Ali Bu sinnah | Hanaa Abu-Zinadah | Ibrahim Mahariq