4E综合分析：利用太阳能辅助的生物质分段气化结合共电解技术生产绿色甲醇的过程

《International Journal of Hydrogen Energy》：4E comprehensive analysis of green methanol production from solar-assisted biomass-staged gasification with co-electrolysis

太阳能与生物质气化耦合制甲醇系统构建及多目标评价

　　将太阳能与生物质气化相结合以生产绿色甲醇，是一种利用100%可再生能源实现稳定供应的有前景方法。然而，由于涉及多个组分的复杂性，这种集成方法和整体性能尚未得到充分研究。本文提出了一种由太阳能和生物质驱动的甲醇生产系统，该系统结合了生物质分段气化与太阳能驱动的水和二氧化碳共电解过程。通过高效的气化，生物质被转化为合成气，而共电解过程则用于调节气体成分，最终通过催化反应合成甲醇。数值模拟和评估结果显示，该系统实现了69.55%的能量效率。共电解设备的耦合减少了对水气变换反应的需求，使得能效达到67.43%，比传统系统高出3.43%。独特的生物质分段气化布局在将生物质转化为燃料时实现了89.31%的碳效率。在整个生命周期内，该系统减少了全球变暖潜力达39.19%。此外，使用太阳能降低了系统的初始投资，将投资回收期缩短至6.56年，并在高资本利用和强盈利能力的背景下提高了净现值。所提出的系统展现了卓越的4E（能量、能损、环境和经济）性能，为基于生物质的甲醇生产提供了一条有价值的新路径。

全球范围内，化石燃料的枯竭和温室气体引发的气候变化对人类生存构成了重大挑战。各国工业正努力通过采用可再生能源和推动脱碳过程来减少对化石燃料的依赖。在众多可再生能源中，太阳能和生物质因其广泛的可用性和可持续性而脱颖而出。它们的互补性可以有效应对可再生能源供应的间歇性和波动性，确保更稳定可靠的能源系统。然而，太阳能的不确定性以及生物质的低能量密度也给工程应用带来了一些挑战。

通过优化其协同集成，这些可再生能源的开发和应用可以得到有效促进。将太阳能和生物质转化为氢气具有巨大潜力，因为氢气是一种稳定且高能量密度的燃料。Assareh等人研究了一种基于太阳能和生物质能资源的创新发电系统，用于液态氢气的生产。该系统使用带有废热回收功能的太阳能装置，减少了30.5%的二氧化碳排放，同时提高了系统的电力输出达44%。Liu等人将光伏（PV）质子交换膜水电解与生物质化学循环制氢过程相结合，实现了81.51%的能量效率，系统的平准化成本为2.47美元/千克。Hillestad等人将太阳能光伏水电解与生物质气化制氢过程结合，其中电解产生的氢气可用于调整气化合成的费舍尔-托普斯燃料成分。然而，由于氢气的低密度和易燃性，相关基础设施的成本较高，这给储存和运输带来了挑战。

作为一种有前景的能源载体，甲醇因其高能量密度和现有的液态燃料基础设施而受到越来越多的关注，这使得其储存和运输更加便捷。因此，进一步将氢气转化为甲醇作为可再生能源载体是一种可行的解决方案。在此背景下，本研究提出了一条通过多阶段过程将可再生能源转化为绿色甲醇的集成路径。该路径结合了太阳能辅助的生物质分段气化（BSG）、固体氧化物电解池（SOEC）中的水和二氧化碳共电解、吸附增强重整（SER）以及甲醇合成，并将废热回收整合到下游的燃气轮机-有机朗肯循环（GT-ORC）中。为了全面评估所提出系统的可行性，本研究建立了整合能量-能损分析、生命周期碳排放评估和技经评估的4E分析框架，从而深入探讨其效率、可持续性和盈利能力。

近年来，已有多种可再生能源甲醇系统被提出。Bai等人设计了一个多输出系统，利用太阳能热生物质气化生产甲醇和电力，并采用回收方案提高甲醇生产率。Rabeti等人开发了一个结合气体、太阳能和生物质废弃物的多输出系统，用于电力、淡水和甲醇的生产，通过R曲线分析评估了三种类型生物质废弃物的甲醇生产性能，并验证了系统的经济可行性。Herdem等人研究了一种结合大型太阳能发电厂和碱性水电解系统的新型非燃烧热载体生物质气化炉系统，用于从合成气、水和二氧化碳中生产甲醇。该系统每消耗302.74吨生物质，可以生产103.94吨甲醇。与这些转化方法相比，本研究构建了一个生物质分段气化方法。分段气化通过物理隔离创造出不同的区域，为调节操作参数（温度、压力、气氛等）和优化每个子过程提供了更多的时间和空间机会，从而改变污染物的组成和形成路径。例如，在热解区生成高含量可降解成分的焦油，有助于后续气化阶段的焦油重整。Niu等人提出了一种新型的两阶段气化工艺，包括流化床（650–700℃）和旋风熔炉（1250–1400℃），用于气化低灰熔点和低杂质气体的生物质。与单阶段气化相比，合成气的低位热值（LHV）从4到6 MJ/Nm3提高至约8–11 MJ/Nm3，同时焦油含量减少了约97%。此外，BSG显著提高了高水分原料的处理能力。与传统气化炉不同，分段气化可以容纳高达30%的水分含量。因此，该技术可以同时提高合成气质量和生物质碳转化效率，从而增加甲醇产量。

生物质原料通常具有较低的氢碳比（H/C），而甲醇合成则需要较高的H/C比。因此，有必要采用各种方法提高H/C比，从而提高合成过程的效率。将电解设备引入生物质气化系统是一种有效的替代方案。与低温电解相比，高温SOEC通常具有更高的能量效率。先前的研究已经证实了将生物质气化系统与SOEC系统耦合的优势。Sun等人比较了在生物质转化到甲醇过程中使用或不使用SOEC设备的影响。结果显示，集成系统能效提升至60.8%，平准化利润达到38.64美元/吨，表现出更好的性能。Zhang等人从技经角度评估了SOEC在生物质制甲醇过程中的整合效果，并得出结论，整合SOEC提高了效率13%。Detchusananard等人发现，将生物质制甲醇过程与SOEC设备结合，能够提供更高的甲醇产量和整体效率，同时消耗的能源比传统生物质制甲醇过程更少。在325个单元和700℃的单元温度条件下，甲醇的最大生产率达到0.4995 kmol/h，整体效率为64.79%。Xin等人设计了一个太阳能-生物质混合气化系统，用于可持续燃料的生产。SOEC提供的氧气减少了对空气分离单元的依赖，提高了系统的能量转化效率和生物质-燃料碳效率分别达到10.45%和54.25%。与这些研究不同，本文将生物质气化与水和二氧化碳共电解技术相结合。二氧化碳既是前者的产物，又是后者的原料，这提高了生物质中碳的利用率，并可以获得更高的甲醇产量。与先前研究相比，它减少了对水蒸气转化设备的依赖，从而提高了能量效率。

在应用SOEC进行水电解的基础上，将水和二氧化碳共电解技术整合到生物质气化中呈现出进一步的前景。生物质气化系统与共电解技术的整合性能优于使用水电解的典型电力和生物质制X过程。它表现出更高的产品产量、碳效率和能量效率，从而成为可持续燃料生产的一种有前景的方法。Dossow等人开发了一种将共电解技术整合到生物质液化过程中的工艺，以促进可持续航空燃料的生产。模拟结果显示，与水电解相比，能量效率提高了8%。Monnaco等人研究了一种结合高温共电解和下游催化反应器的生物燃料生产过程，利用残余生物质气化产生的二氧化碳合成二甲醚、合成天然气和费舍尔-托普斯合成产物中的柴油部分。二甲醚的合成效率达到73%。Pozzo等人提出了一个结合木质生物质气化炉和高温共电解装置的新工艺设计，用于合成二甲醚和甲醇，系统的生物质转化为可持续燃料的效率达到69.5%。这些整合提升了系统的效率。与这些整合方法不同，本研究创新性地将BSG与共电解技术结合，提高了甲醇产量和能量转化效率，并在环境可持续性和经济效益方面取得了显著进展。

为了明确当前的研究现状并定义现有的研究空白，表1总结了生物质气化与电解结合用于甲醇生产的代表性研究。尽管这些研究在可再生能源甲醇路径的发展中取得了进展，但大多数仍然专注于传统气化技术或单一功能的电解（例如水电解），缺乏深入的系统整合和路径创新。更为关键的是，一些直接影响甲醇合成效率和系统稳定性的核心挑战，如原位焦油去除、精确控制H?/CO比例以及材料和能量流的高效耦合，尚未得到充分解决。特别是在现有文献中，BSG与高温共电解的协同集成研究较少，需要进一步深入探索。

为填补这些空白，本文提出了一种由太阳能驱动的BSG与共电解技术结合的绿色甲醇生产系统。本研究的主要创新可以总结如下：

首先，构建了一种新型的绿色甲醇生产系统。太阳能驱动的BSG与共电解技术的耦合实现了不同能源来源的协同和互补，提高了生物质的碳转化率，并减少了系统的碳排放。

其次，设计了多单元整合方案以提高系统效率。BSG被整合以实现焦油的原位去除，提高甲醇生产所需的合成气产量，同时不同子系统的废热被回收并用于驱动有机朗肯循环。

最后，获得了新甲醇合成系统的4E性能。对能量和能损的破坏与损失进行了分析，获取了系统每吨甲醇的生命周期环境排放，并讨论了系统的经济性能，包括总投资和生产成本。

本文的结构如下：第2节提出甲醇合成系统；第3节展示组件模型和验证；第4节展示4E评估方法；第5节讨论综合性能；第6节总结主要结论。

在图1中展示了结合太阳能驱动的BSG和共电解技术的新型集成系统。该系统包括五个部分：BSG、SER、SOEC、甲醇合成（MS）以及GT-ORC。这些部分系统性地整合，以实现太阳能和生物质能的联合使用。这种整合旨在提高生物质的利用率和甲醇与电力多产过程的效率。

该过程从太阳能驱动的BSG子系统开始。BSG技术通过分段操作，使生物质在不同温度和气氛条件下逐步气化，从而有效控制合成气的成分和质量。通过调节气化温度和压力，可以优化气体的热值和纯净度，提高后续合成过程的效率。同时，BSG过程中产生的焦油可以在特定条件下进行重整，以减少焦油对后续工艺的干扰。这一过程不仅提高了合成气的质量，还显著提升了甲醇的产量。

在共电解子系统中，水和二氧化碳在高温条件下被同时电解，以生成氢气和一氧化碳。这一过程能够有效调节气体成分，提高合成气的H/C比，从而满足甲醇合成的需求。共电解技术的引入，使得系统能够更高效地利用太阳能和生物质能，同时减少了对传统水气变换反应的依赖，提高了整体的能源效率。

SER子系统通过吸附剂的加入，进一步优化合成气的成分，提高其纯度和热值。这一过程能够在较低的能耗下实现高效的气体净化，从而为甲醇合成提供更优质的原料。SER技术的使用，使得系统在提高甲醇产量的同时，减少了对高能耗净化设备的依赖，提高了整体的经济性。

GT-ORC子系统则负责回收和利用不同子系统的废热，以提高系统的能量利用效率。通过将废热用于驱动有机朗肯循环，系统能够实现能量的高效回收和再利用，从而降低整体的能源消耗和碳排放。这一过程不仅提高了系统的能量效率，还增强了其环境可持续性。

本文的研究方法包括对系统能量流的评估，计算每个环节的能量输入、输出和损失，并识别能量效率的瓶颈。同时，通过能损分析，关注能量的等级，分析能量转化为实际工作的比例，以优化能量的高效利用。经济分析则关注系统的投资回报和盈利能力，通过综合评估不同子系统的成本和收益，为系统的经济可行性提供支持。

在Aspen Plus中的模拟结果表明，该系统能够有效提高甲醇产量和能量效率。通过详细的热力学分析，各环节的热力学性质被获取，并进行了能量和能损平衡。关键流体的详细组成和摩尔分数见补充信息中的表A10-14。各模块的模拟结果汇总在表12中，显示了在生物质进料率为1 kg/s的情况下，该系统能够实现高效的甲醇生产。

此外，该系统在环境和经济方面也表现出显著的优势。通过生命周期评估，系统的环境排放被量化，显示出其对全球变暖潜力的降低效果。经济分析表明，太阳能的引入降低了系统的初始投资，提高了净现值，并缩短了投资回收期。这些结果表明，该系统在实现绿色甲醇生产的同时，具备良好的经济性和环境可持续性。

综上所述，本文提出的系统不仅在技术上实现了创新，还在经济和环境方面展现出显著的优势。通过将BSG与共电解技术结合，该系统能够有效解决传统方法中存在的诸多问题，如焦油去除、H?/CO比例控制以及材料和能量流的高效耦合。这一集成路径为基于生物质的绿色甲醇生产提供了一条新的可行方案，具有重要的应用前景。