《Energy》：Proposal and evaluation of a hydrogen-power-heat cogeneration system using solar-driven supercritical water co-gasification of sludge and coal
编辑推荐：
氢能高效转化与资源协同利用研究。采用太阳能驱动的高温超临界水处理污泥-煤混合原料，通过热化学互补实现太阳能与生物质能协同转化，系统能量效率达61.14%，燃料电池发电占比8.84%。创新点包括：1）煤-污泥协同气化使原料热值提升2.3倍；2）外加热源设计降低化学能损失至3.19%；3）燃料电池梯级利用余气使总效率提高12.66个百分点。
薛晓东|李光阳|孙云燕|韩伟|刘启斌|王玉林|侯彦荣|岳一茹|王树瑞
天津商业大学制冷技术重点实验室，天津，300134，中国
摘要
超临界水气化是一种清洁的污泥处理技术。然而，由于污泥含水量高，该技术仅能实现污泥的无害化处理，而无法实现其资源化利用。为了解决这一限制，本文提出了一种利用太阳能驱动的超临界水共气化污泥和煤炭的氢能-热能联产系统。该系统的特点是向低热值污泥中添加高热值煤炭，从而提高气化原料的热值，并建立了超临界水污泥-煤炭共气化技术，实现了污泥和煤炭的协同资源化利用。同时，利用聚光太阳能通过热化学互补为共气化过程提供反应热，从而将气化原料和太阳能协同转化为富氢合成气，并实现氢气的分离和储存以及 purge 气体的高效利用。基准系统结合了光伏系统和由合成气氧化燃烧热供应的传统污泥-煤炭共气化过程。结果表明，在相同的能量输入下，联产系统的氢化学能量输出达到 64.67 MW，而固体氧化物燃料电池的功率输出为 19.36 MW，占总能量输入的 8.84%。系统能量效率为 61.14%，熵效率为 47.22%，分别比基准系统高出 12.66% 和 19.00%。主要的改进在于热交换和能量转换过程中的熵损失降低，分别减少了 4.73% 和 3.19%。本文提出了一种创新的太阳能和污泥-煤炭协同利用方法。
引言
随着现代发展的持续，市政和工业废水的处理量迅速增加，导致来自这两类来源的污泥产量急剧上升 [1]。2025 年，国际标准化组织 (ISO) 在其《污泥作为辅助固体燃料的技术规范》中报告称，全球每年产生的市政污泥量已超过 1.5 亿吨 [2]。预计到 2030 年，这一数量还将增加 20-30% [3]。污泥（SS）被归类为有机固体废物，含有有机物、无机物、重金属和病原体 [4]。不当的处理方式会威胁土壤资源、公共健康和生态环境 [5]。因此，污泥的无害化处理是实现可持续发展的主要途径之一 [6]。污泥气化是一种热化学处理技术，它在高温和缺氧条件下将污泥中的有机物转化为可燃气体 [7]。然而，传统的污泥气化仍面临几个挑战：(1) 高含水量（75-85%）导致污泥干燥过程中消耗大量能量；(2) 产生的合成气中含有微量重金属污染物，如 Cu、Cr、Cd、Pb 和 Zn [8]；(3) 相对较低的热值导致污泥气化过程中的气体产率和气体成分不稳定 [9]。
超临界水气化 (SCWG) 提供了更清洁、效率更高、碳含量更低的污泥处理方法，具有巨大的发展潜力 [10]。该技术利用了超临界水的独特物理化学性质，其工作温度超过 374°C 和 22.1 MPa，具有高扩散性、强溶解能力和显著的反应性 [11,12]。与传统的污泥气化（约 800-1000°C）[13] 相比，超临界水污泥气化 (SWSG) 的反应温度较低（约 550-650°C），反应速率更快 [14]。此外，该技术还具有以下优势：(1) 利用污泥的高含水量，消除了高能耗的干燥过程，直接利用了污泥中的水资源 [15]；(2) 在超临界水条件下，重金属（如 Cu、Cd、Cr、Zn、Pb）以氧化物形式稳定沉积在灰分中，有效固定了重金属并避免了二次污染 [16]。然而，污泥的高含水量导致其热值较低，相应地碳质有机物的浓度也较低。这种低碳含量导致气化过程中可用反应物的不足，从而导致 CO、CH4 和 H2 的产率不稳定。
为了提高气化原料的热值，通过将高热值煤炭与低热值污泥混合，构建了超临界水污泥-煤炭共气化 (SSCG) 技术。这不仅提高了反应过程的稳定性，还实现了污泥和煤炭的协同资源化利用。目前，国际研究人员已经对基于 SSCG 的能源系统进行了初步探索。Ren 等人 [17] 提出了一种用于氢气和热能联合生产的内部燃烧 SSCG 系统。在气化炉内使用纯氧燃烧气化产物，为共气化过程提供必要的反应热。结果表明，该联产系统的熵效率和能量效率分别为 47.9% 和 79.5%，可产生高达 347.1 kg/h 的氢气。Hantoko 等人 [18] 建立了一种基于外部燃烧 SSCG 的能源系统。在外部燃烧器中用空气燃烧合成气，产生高温烟气，为共气化反应提供热能。结果表明，添加褐煤有助于解决 SS 气化的不稳定性。在 700°C 的气化温度和 10 wt% 的进料浓度下，随着褐煤添加比例从 10 wt% 增加到 50 wt%，合成气产量从 178.08 kg 增加到 200.81 kg。总体而言，这些研究表明，添加煤炭可以提高气化反应过程中的气体产率和气体成分的稳定性。然而，现有的共气化技术仍然依赖外部燃烧合成气来提供热能，直接将高能量水平的气体资源转化为较低能量水平的热能，导致整体能量转换效率相对较低。这表明，创新的加热方法对于进一步提高能量转换效率至关重要。
作为一种清洁的可再生能源，太阳能具有丰富的资源和环境友好性 [19,20]。目前，商业化的中央接收器（太阳能塔）系统可以达到 565°C 的温度。基于塔式的聚光太阳能系统可以实现超过 700°C 的热收集温度 [21]，但这仅在研究和预商业化安装中实现。Yin 等人 [22] 提出了一种太阳能驱动的 SWSG 系统，结合固体氧化物燃料电池 (SOFC) 用于发电，系统的能量效率和熵效率分别为 63.16% 和 56.20%，其中 SOFC 的最大效率达到 48.76%。Xue 等人 [23] 提出了一种太阳能驱动的超临界水煤炭气化 (SWCG) 系统，用于氢气和电力联产，利用聚光太阳能热能驱动 SCWG。他们的结果表明，36.15% 的太阳能用于驱动燃料气化反应，并协同转化为合成气化学能，使整个系统的熵效率达到 49.84%。结果表明，外部加热的太阳能驱动气化为提高污泥等燃料中化学能的高效利用提供了巨大的研究潜力。因此，本研究采用了一种利用聚光太阳能提供反应热的外部加热气化方法。将太阳能与污泥-煤炭化学能转化为合成气化学能，实现了污泥-煤炭的协同资源利用，并提高了太阳能的质量和效率。
高温固体氧化物燃料电池表现出广泛的燃料适应性，能够高效地将天然气、氢气、合成气和沼气化学能直接转化为电能 [24,25]。通过 SOFC 合理利用 purge 气体的化学能在能源系统中可以进一步提高整体能量转换效率。目前，国内外研究人员都在探索将 SCWG 与 SOFC 结合的能源系统。Wei 等人 [26] 设计了一种 SWCG-SOFC 联合发电系统。该系统利用 SOFC 的废热驱动蒸汽甲烷重整 (SMR)，并利用重整后的合成气进行发电，从而提高了发电效率。整个系统的发电效率达到 42.61%。Patcharavorachot 等人 [27] 提出了一种氢气和电力联产系统，结合了超临界水甘油气化与 SOFC。结果表明，最大发电效率达到 71.56%。该系统利用重整后产生的合成气的化学能，通过 SOFC 将其转化为电能。总体而言，参考文献 [26,27] 表明，将 SCWG 技术与 SOFC 结合可以进一步提高整体能量转换效率，实现燃料化学能的高效利用。
在本研究中，提出了一种太阳能驱动的 SSCG 系统，主要用于解决 SWSG 技术中能量转换效率低和反应性能不稳定的问题。主要创新点如下：(1) 向低热值污泥中添加高热值煤炭，有效提高了原料的热值，形成了能够高效利用污泥的协同共气化技术；(2) 利用聚光太阳能驱动 SSCG 过程的热需求，建立了外部加热的气化路线，最大限度地减少了燃料化学能的损失，并实现了太阳能的协同利用；(3) 从富氢合成气中分离出氢气后，剩余的 purge 气体被引入 SOFC，进一步利用燃料化学能，更高效地转化为电能，从而实现了燃料化学能的级联利用。
系统描述
本研究提出了一种基于超临界水气化煤炭和污泥的太阳能驱动联产系统。主要创新在于采用了热化学互补方法，利用太阳能为煤炭-污泥共气化和 SMR 过程提供热能，从而显著减少了化学能转换中的不可逆性。相比之下，基准系统依赖于合成气的氧化燃烧来提供热能，这会导致相当大的能量损失
仿真与评估
在本节中，详细介绍了仿真过程的关键参数和主要假设，定义了联产系统和基准系统的评估标准，并将建立的模型与基准系统模型进行了验证。
仿真结果与能量分析
表 3 显示了联产系统流体的关键热力学参数，包括温度、焓、质量流量、熵和压力。根据参考文献 [17] 中的敏感性分析，当干煤与干污泥的比例为 3 时，氢气产量最大。因此，在当前系统中采用这一比例以最大化氢气产量。表 4 展示了联产系统和基准系统的能量平衡数据。对于这两个系统，当来自太阳能的能量输入
结论
超临界水污泥气化技术存在能量转换效率低和反应稳定性差的问题。本研究提出了一种利用太阳能驱动的超临界水污泥-煤炭共气化的氢能-热能联产系统。该联产系统具有两个显著特点：首先，将高热值煤炭与低热值污泥混合，提高了原料的热值，建立了超临界水污泥-煤炭共气化技术
作者贡献声明
薛晓东：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，软件，项目管理，方法论，资金获取，概念化。李光阳：撰写 – 原稿，可视化，软件，方法论，数据管理。孙云燕：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督。韩伟：验证，监督，项目管理。刘启斌：可视化，验证。王玉林：验证。侯彦荣：可视化，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了 天津市自然科学基金（编号：25JCQNJC00200）、国家科技重大专项（编号：J2019-I-0009-0009）、学生创新创业培训计划（编号：202510069135 和 202410069113）以及 国家自然科学基金（编号：72404263）的支持。
