基于生物质燃气轮机与蒸汽电解过程集成的新型级联系统：技术与经济优化

《Renewable Energy》：A new cascade arrangement integrated with a biomass-based gas turbine and a steam electrolysis process: Technical and economic optimization

　　

迄今为止，已有多种多联产配置被提出用于回收顶层燃气轮机的余热。在产氢的系统布局中，固体氧化物蒸汽电解槽(SOSE)在系统设计中被忽视了。本研究提出并分析了一种集成SOSE的新型级联系统，用于电力、氢气、热水和饮用水的多联产。为此，采用生物质燃气轮机作为顶层系统，其废热通过蒸汽发生器、家用热水换热器(DHW HEX)以及由有机朗肯循环(ORC)、斯特林发动机(Stirling engine)和液化天然气(LNG)子系统组成的级联系统进行回收。饮用水和氢气分别在反渗透(RO)装置和SOSE中生产。根据优化结果，制氢单位成本为7.77 $/kg，远低于先前提出的多联产系统。值得注意的是，所提出的系统实现了51.2%的最佳?效率(η_ex)，超越了现有系统在该方面的性能。该系统可发电6.62 MW，供热5.53 MW，生产氢气79.3 kg/h和淡水28.2 m3/h。系统与经济和环境相关的总成本为577.7 $/h。

随着全球对可持续能源解决方案需求的增长，开发高效、低碳的多联产系统已成为能源工程领域的重要研究方向。多联产系统通过综合利用一次能源，能够同时生产电力、热力、淡水、氢气等多种产品，与仅生产单一能源的传统系统相比，可显著提升总体能源利用效率并减少排放。燃气轮机循环(GTC)因其高温排气特性，常被用作此类系统的顶层循环，其高温废热可用于驱动下游的余热回收蒸汽发生器(HRSG)或其他能量转换装置。特别是，以生物质为燃料的燃气轮机，因其原料的可再生性，在构建可持续多联产系统中具有关键作用。然而，现有研究存在一些不足：尽管已有工作探讨了生物质燃气轮机的废热回收、电解制氢以及斯特林发动机或热电发电机(TEG)的应用，但缺乏将生物质燃气轮机、高效SOSE、斯特林发动机和LNG冷能利用同时整合在单一多联产框架内的综合性系统。此外，现有研究常依赖于成本较高且产率有限的质子交换膜电解槽(PEME)或碱性电解槽，对使用更经济的电解技术（如SOSE）以同时优化多种产品输出并兼顾热经济性能的研究尚存在空白。因此，本研究旨在填补这一空白，通过创新集成来提升系统效率、降低成本并促进可再生能源的利用，为可持续能源技术的发展做出贡献。

为实现上述目标，研究人员开展了以下研究：设计并模拟了一种集成了生物质气化、燃气轮机发电、SOSE制氢、斯特林发动机、ORC、RO制淡水以及LNG冷能利用的新型级联系统。系统以生物质燃气轮机为顶层动力循环，其高温排气余热通过一系列级联的热力装置逐步回收：首先用于产生蒸汽驱动汽轮机（在图示的GTC内部循环中隐含），随后依次流经蒸汽发生器、家用热水换热器，最后进入由ORC、斯特林发动机和LNG子系统构成的级联废热回收单元。SOSE利用来自系统中部的中温蒸汽和电力进行高效制氢，其工作温度范围与燃气轮机排热温度具有良好的匹配性。RO装置利用部分电能生产饮用水。整个系统从热力学和经济性两个维度进行了详细建模与优化分析。

该研究得出以下结论：所提出的级联多联产系统在技术可行性和经济性上均表现优异。在最佳运行工况下，系统实现了51.2%的?效率，这一数值超越了文献中报告的同类生物质基多联产系统。经济性分析表明，系统的制氢单位成本仅为7.77 $/kg，显著低于以往基于低温电解技术的系统。环境方面，系统在高效产出多种有用能源产品的同时，通过充分利用可再生生物质和回收各环节废热，有助于减少化石燃料消耗与相关排放。本研究证明了将先进电解技术、高效余热回收动力循环（斯特林发动机与ORC）以及LNG冷能梯级利用相结合，是提升生物质基能源系统综合性能的有效途径，为工业界寻求高效、低成本、多产出的能源解决方案提供了新的设计思路。该论文发表于《Renewable Energy》。

研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几个关键技术方法：一是系统集成与级联设计策略，将生物质燃气轮机、固体氧化物蒸汽电解槽(SOSE)、斯特林发动机、有机朗肯循环(ORC)、液化天然气(LNG)冷能利用子系统及反渗透(RO)装置有机整合，构建了多级余热回收与多产品协同生产的流程框架；二是基于平衡方程的组件热力学建模，对气化炉、燃烧室、SOSE、斯特林发动机等关键设备进行了详细建模；三是采用多目标优化方法，以?效率和总成本为目标，对系统关键运行参数进行了寻优，确定了最佳工作点。

研究结果部分首先介绍了建议系统的描述。如论文中图1所示，所提系统布局包含通过管道连接的多种设备。生物质气化炉接收生物质和加压空气产生合成气。合成气进入燃烧室与空气反应。燃烧室所需空气来自环境，经空气压缩机(AC2)和回热换热器1(RHEX1)压缩与预热。燃烧室产物通过燃气轮机发电。

研究接着说明了系统的建模过程。系统各组件从热力学和经济性角度在以下小节中建模。生物质气化炉、燃烧室、热电发电机(TEG)、SOSE、RO装置和斯特林发动机的建模在补充材料文件中呈现。论文中图2的流程图说明了所研究系统的建模程序。

研究分析了关键参数变化对系统性能的影响。关键参数的变化会显著影响能量转换系统的性能。理解和控制这些关键参数对于优化能量转换系统性能、确保可靠性和提高整体效率至关重要。基于表3中的输入值，评估了关键参数变化的影响。

论文的讨论与结论部分总结了本研究的核心贡献。本论文提出了一种新颖的多联产配置，旨在增强生物质驱动燃气轮机的余热回收。该系统提供了一种技术可行、经济有吸引力且环境可持续的多联产方案，符合工业界对高效率、低成本和多产品输出的需求。其创新性在于整合了可再生能源、废热回收与先进电解技术，提供了一种引人注目的解决方案。研究表明，所提系统的最佳?效率(η_ex)达到51.2%，优于已报道的类似系统。经济性分析表明，氢气的单位成本显著降低，凸显了采用SOSE的技术经济优势。系统在产出电力、热水、氢气和淡水的同时，实现了资源的高效梯级利用和环境效益的提升。该研究证实了所提出的级联集成方案在提升生物质能源系统综合性能方面的巨大潜力。