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生物质气化耦合碳捕集系统的能流经济流协同优化1

生物质气化耦合碳捕集系统的能流经济流协同优化

摘要

本报告系统研究了生物质气化耦合碳捕集系统的能流经济流协同优化问题。生物

质气化技术作为可再生能源利用的重要途径，与碳捕集技术结合可显著降低碳排放强

度，实现负碳排放潜力。报告首先分析了国内外生物质气化与碳捕集技术的发展现状，

指出当前系统存在的能效与经济性平衡难题。通过构建多目标优化模型，建立了能流经

济流协同分析框架，提出了基于灵敏度分析的参数优化方法。研究结果表明，在典型工

况下，优化后的系统可使能源利用效率提高12.5%，碳捕集成本降低18.3%，投资回收

期缩短至6.8年。报告还详细设计了实施方案，包括技术路线选择、设备配置优化和运

行策略制定。通过风险评估识别了技术、市场和政策三类主要风险，并提出了相应的应

对措施。本报告为生物质气化耦合碳捕集系统的工程应用提供了理论依据和实践指导，

对推动我国能源结构转型和碳中和目标实现具有重要意义。

引言与背景

全球能源转型与碳中和目标

随着全球气候变化问题日益严峻，能源转型已成为各国共同面临的紧迫任务。根据

国际能源署(IEA)数据，能源部门占全球温室气体排放量的73%，其中电力行业贡献

约40%。为应对这一挑战，全球已有130多个国家提出了碳中和目标，中国也于2020

年宣布力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。在这一背景下，发展可再生

能源和碳减排技术成为关键路径。生物质能作为重要的可再生能源，具有资源丰富、分

布广泛、碳中性等特点，在全球能源结构中占比持续上升。据REN21报告，2022年全

球生物质能发电装机容量达到140GW，占可再生能源总装机的12%。中国作为农业大

国，生物质资源潜力巨大，年可利用量约4.6亿吨标准煤当量，但实际开发利用率不足

30%，存在巨大发展空间。

生物质气化技术发展历程

生物质气化技术是将生物质原料在高温缺氧条件下转化为可燃气体的过程，其发

展可追溯至19世纪。20世纪70年代石油危机后，该技术重新受到重视并取得快速发

展。现代生物质气化技术主要包括固定床、流化床和气流床三种类型，其中流化床技术

因其良好的传热传质性能和燃料适应性成为主流选择。气化产生的合成气主要成分为

CO、H2、CH4和CO2，热值通常在412MJ/Nm³之间，可直接用于燃烧发电或进一步

合成液体燃料。与直接燃烧相比，气化技术具有能源转化效率高、污染物排放低、产品

灵活等优势。根据美国能源部数据，先进气化系统的能源转化效率可达3545%，而传统

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燃烧技术仅为2025%。中国自”十五”期间开始布局生物质气化技术研发，目前已建成示

范项目50余个，但商业化应用仍面临经济性挑战。

碳捕集技术现状与挑战

碳捕集、利用与封存(CCUS)是实现化石能源低碳利用和负排放的关键技术。根据

捕集阶段不同，主要分为燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧三种技术路线。其中，燃

烧前捕集特别适用于气化系统，可在合成气进入燃气轮机前分离CO2。目前，化学吸

收法是最成熟的CO2捕集技术，胺溶剂(如MEA)被广泛应用，但存在能耗高、溶剂

降解等问题。物理吸收法(如Selexol)和膜分离技术也在不断发展中。据全球碳捕集与

封存研究院(GCCSI)统计，截至2022年全球共有27个大型CCUS项目在运行，年捕

集能力约4000万吨CO2。中国已建成10余个示范项目，但碳捕集成本仍高达300500

元/吨，成为制约商业化应用的主要因素。如何降低碳捕集能耗和成本，同时保持系统

整体经济性，是当前研究的重点和难点。

能流经济流协同优化的必要性

生物质气化耦合碳捕集系统是一个复杂的能源转化网络，涉及多能流转换、多设备

协同和多目标优化。传统研究往往单独关注能效提升或成本降低，难以实现系统整体最

优。能流经济流协同优化方法通过建立能源流与经济流的耦合模型，可同时考虑技术可

行性和经济合理性，为系统设计提供科学依据。这种方法特别适用于可再生能源与碳减

排技术结合的系统，因为这类系统通常具有投资大、运行成本高、政策依赖性强等特点。

研究表明，通过协同优化可使系统综合性能提升1525%，显著缩短投资回