带级联热回收的废弃物驱动环境友好型多联产能源系统的元启发式优化：用于同时生产电力、氢气、氧气、淡水和供热

《Process Safety and Environmental Protection》：Metaheuristic Optimization of a Waste-Driven Environmentally Friendly-Multigeneration Energy System with Cascade Heat Recovery for Simultaneous Power, Hydrogen, Oxygen, Freshwater, And Heating Production

　　

摘要

城市固体废物是一种丰富但尚未充分利用的能源资源，可以同时缓解废物处置难题并为低碳能源生产做出贡献。本研究提出了一种基于级联热回收的多联产系统，将固体废物转化为多种有价值的产品，包括电力、氢气、氧气、淡水以及有用的热量。该集成配置将增湿-除湿脱盐装置、质子交换膜电解槽、燃气轮机和超临界CO?布雷顿循环整合在一个统一的热力学框架内。通过与已发表的数据进行模型验证，所有预测变量的偏差均低于3%，证实了模拟方法的稳健性。系统考察了燃料质量流量、透平进口温度和燃气轮机压比对整体系统行为的影响。为了确定最佳运行条件，实施了一种多目标蚁群优化算法，其目标是在最大化效率的同时最小化比排放。在压比为15、透平进口温度为800°C、燃料质量流量为1.75 kg/min时获得了最优解。在这些条件下，工厂产生509 kW的电力、105 L/h的淡水、4.15×103 m3/h的热量、3.74 kg/h的氢气和29.7 kg/h的氧气，同时实现82.6%的总效率并将排放限制在397 g/kWh。这些发现表明，将集成热力学设计与元启发式优化相结合，对于开发高效且环境可持续的废物制能系统具有潜力。

引言

全球能源需求的不断增长，加上化石燃料资源的逐步枯竭和人们对温室气体排放日益增长的担忧（Wahab等人，2024；Balat等人，2003），加速了向可持续和低碳能源技术的转型（Hoang和Nguyen，2021；Hoang等人，2022）。在现有的可再生能源和替代能源途径中，废物制能（WtE）技术（Appiah等人，2026；Mohammad等人，2026）因其能够同时解决两个全球性主要挑战（Rashad等人，2025；Adu等人，2025）——能源生产和固体废物管理——而脱颖而出。通过将城市和工业固体废物转化为有用的能源载体，WtE系统可以减少垃圾填埋场中的废物处置，减轻相关的环境污染，并在循环经济框架内提高资源利用率（Ayazi等人，2026；Imran等人，2026）。因此，越来越多的注意力被引向将先进热力学循环与废物基能源转化技术相结合，以提高废物资源的整体利用。

近期的发展已将WtE研究的焦点从传统的发电转向了能够从单一废物衍生能源中生产多种有价值产品的集成多联产系统（Li等人，2026；Wang等人，2026）。这类系统可以将发电与氢气和氧气生产、淡水脱盐、热能回收以及其他有用输出相结合，从而提高整体资源利用率并提供更大的运行灵活性。超临界二氧化碳（sCO?）布雷顿循环（Gong等人，2026；Zhang等人，2026）、质子交换膜（PEM）电解槽（Bai等人，2026；Tuhi等人，2026）以及热能驱动脱盐工艺（Gomaa等人，2026；Aboelmaaref等人，2025）等先进技术的纳入进一步扩展了集成WtE配置的潜力。与此同时，废物增值越来越多地超越直接热化学能源回收，转向将废物衍生原料转化为可再生燃料。例如，污水污泥已被研究作为生产生物柴油的可持续原料，近期在转化技术和催化应用方面的进展展示了有机废物流作为可再生燃料资源的更广泛潜力（Selvam和Devarajan，2025）。此外，还探索了催化剂辅助和纳米工程方法来增强可再生燃料转化性能并改善排放特性，为进一步提高能源转化效率和降低环境影响提供了补充途径（Selvam等人，2026）。这些发展表明，废物增值可以涵盖直接能源回收和可再生燃料的生产，具体取决于废物流的特征和预期的能源途径。

Wang等人（Wang等人，2025）提出了一种将沼气发电与污水污泥热解相结合的集成废物制能系统。他们的热力学和经济评估表明，级联热回收和热解气再循环大大增强了能源利用，而敏感性分析揭示了污泥流量对系统性能的重要影响，强调了优化废物驱动的集成能源系统的重要性。Mojaver等人（Mojaver和Izadi，2026）开发了一种完全由内部产生的废物流供能的智能医院能源系统，集成了蒸汽气化、固体氧化物燃料电池、压缩空气储能和燃气轮机。通过热力学建模、基于回归的参数分析、多准则决策和TOPSIS优化，确定了能够同时满足电力和供暖需求的最稳健运行场景。Dihan等人（Dihan等人，2026）通过详细的技术经济、可持续性和敏感性分析评估了一座基于水热碳化的城市固体废物发电厂。他们的研究重点是评估经济可行性、能源投资回报和环境性能，证明了大规模废物增值的可行性，但主要侧重于发电而非集成多联产。Zhou等人（Zhou等人，2025）引入了一种太阳能辅助的废物制能系统，集成了再压缩超临界CO?布雷顿循环、有机朗肯循环和PEM电解槽，同时生产电力和氢气。综合4E分析结合基于遗传算法的多目标优化证明了级联能源回收的优势；然而，所提出的配置中未考虑淡水生产和热能利用。Yan等人（Yan等人，2025）使用以回归为中心的机器学习算法研究了一个集成塑料废物气化-固体氧化物燃料电池系统以优化其热力学性能。建立了各种回归模型来预测系统行为，并通过人工智能技术确定了最佳运行条件，突出了数据驱动优化在废物制能技术中日益增长的作用。Hossain等人（Hossain等人，2026）对孟加拉国达卡的一座基于焚烧的城市固体废物发电厂进行了技术经济评估。他们的研究使用传统财务指标和环境效益评估了经济可行性，证明了政策支持和监管激励对于发展中国家废物制能设施的大规模部署仍然至关重要。Sifakis等人（Sifakis等人，2026）提出了一种纵向性能和可持续性框架，用于在乳清废物制能设施中运行的混合可再生能源系统。他们的基于模拟的方法将技术经济建模与可持续性指标相结合，以监测系统的长期演变，为在分阶段实施策略下评估可再生能源系统提供了有效的框架。Dafalla等人（Dafalla等人，2026）对不同收入水平国家中源头分类计划与废物制能系统相结合进行了集成的技术经济和环境评估。他们的比较研究表明，最佳废物管理策略强烈依赖于区域经济条件，突出了综合评估在设计可持续废物增值途径中的重要性。Naghizadeh等人（Naghizadeh等人，2026）开发了一种生物质驱动的废物制能系统，集成了碳捕集与利用技术，同时生产电力和可再生天然气。通过热力学建模、过程模拟和参数分析，调查了水-能源-碳纽带，证明了通过集成碳捕集与利用技术显著减少碳排放的效果。

尽管取得了这些进展，但在系统集成和多目标优化的交叉领域仍存在一个明显的研究空白。现有研究已经调查了废物基能源转化的各个要素，包括多联产、级联热回收、氢气生产、脱盐和优化，但在单一固体废物驱动的配置中同时集成这些功能仍然相对有限。特别是，本研究并不声称开发了一种全新的蚁群优化（ACO）算法；相反，其贡献在于将双目标ACO框架应用于级联热回收基础的多联产架构的系统级集成。所提出的配置通过集成燃气轮机、sCO?布雷顿循环、增湿-除湿（HDH）脱盐装置和PEM电解槽，从固体废物中同时生产电力、氢气、氧气、淡水和有用热量。与主要优化发电或电力-氢气生产的配置不同，本框架将级联热回收与多种能源和公用事业输出耦合，并将运行条件选择公式化为同时最大化总热力学效率和最小化比排放。首先进行全面的热力学建模，随后进行参数分析以确定主导运行变量，然后应用基于ACO的多目标优化来确定Pareto最优运行条件。因此，本研究的主要新颖性在于在统一热力学框架内集成级联热回收、固体废物驱动的多联产和基于双目标ACO的运行优化，而不是对底层ACO方法本身进行修改。

系统概述与说明

所提出的多联产工厂（如图1所示）围绕以城市固体废物为燃料的燃气轮机构建，其中废物-空气混合物的燃烧作为整个系统的主要能源。透平产生的电力被分为两路：一路导出供外部消费，另一路供应质子交换膜（PEM）电解槽，将水转化为氢气和氧气以供后续储存。电解过程……

热力学建模验证

超临界二氧化碳布雷顿循环的验证程序涉及在八个预定义的最大压力、透平温度和预热温度组合下系统性地比较压比输出。这些组合由P_max为200或300 bar、T_max为550或750°C以及T?等于32°C或50°C形成，即与（Sarkar和Bhattacharyya，2009）相同的条件。在每个案例中计算模型的压比并进行比较……

结论

本研究表明，通过级联能源回收，固体废物可以作为高效集成的多联产平台的有效原料。所提出的架构利用了燃烧产物在不同温度水平的热能潜力，而不是将其耗散到环境中。这种集成利用策略使得比仅设计用于发电的传统废物制能设施能够回收更多资源。

CRediT作者贡献声明

Hanaa Abu-Zinadah：验证，数据整理。Raymond GHANDOUR：方法学，概念化。Minh Thai Duong：写作——审阅和编辑，形式分析。Tirumala Uday Kumar Nutakki：形式分析，数据整理。Manwen Tian：资源，调查。Mohamed Arbi Khlifi：写作——审阅和编辑，监督，调查。Nawal Abdalla Adam：写作——原始草稿，项目管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

Princess Nourah bint Abdulrahman University研究人员支持项目编号（PNURSP2026R788），Princess Nourah bint Abdulrahman University，利雅得，沙特阿拉伯。

Manwen Tian | Tirumala Uday Kumar Nutakki | Nawal Abdalla Adam | Mohamed Arbi Khlifi | Raymond GHANDOUR | Hanaa Abu-Zinadah | Minh Thai Duong