近日，山东省化工过程模拟与工业软件实验室研究生在化工领域国际顶级期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》发表题为“Exergy, economic and life cycle assessment of novel cogeneration systems based on chemical heat pumps”的研究论文。该研究针对工业低品位余热回收效率低、能量形式单一的技术瓶颈，创新性地开发了四种基于化学热泵的新型联产系统，为实现工业节能降碳提供了重要的理论依据和技术路径。我校化工学院2023级硕士研究生侯艳为第一作者，王丽丽、夏力、陶少辉为通讯作者，青岛科技大学为第一通讯单位。
图1 四种新型低温废热回收热电联产系统框架
工业领域80-130℃低温余热占比大、潜力高，但传统回收技术存在能效低、输出单一等问题，制约了工业节能增效。团队创新将有机朗肯循环（ORC）与异丙醇/丙酮/氢气化学热泵（IAH-CHP）耦合，开发出4种新型热电联供系统，通过热集成策略将低温余热转化为200℃高温化学热与电能，突破了传统系统能源输出单一的局限。
经参数优化，确定内置式系统NORC-IAH1为最优方案，有机朗肯循环效率从15%提升至17%，系统总效率从1.31%提升至2.44%。全维度评估表明：㶲分析识别出精馏塔T1、泵P1为能量损失关键节点；经济分析表明系统平准化度电成本低至0.08美元/千瓦时，投资回收期4.74年，具备良好的工业应用经济性；生命周期评价揭示了系统全生命周期的环境影响热点，为绿色优化提供了方向。
图2 NORC-IAH1 中各模块的㶲效率
该研究建立了㶲分析、经济评价与生命周期评价相结合的全维度评估框架，为工业低温余热回收及可持续发展提供了理论与技术支撑，助力我国工业领域实现“双碳”目标。
图3 各阶段对 NORC-IAH1 生命周期评价的贡献
生命周期评价结果表明，建设阶段对环境的影响最显著，主要源于不锈钢等设备材料生产过程中产生的硫化尾矿、矿渣等污染物，对生态系统和人体健康构成潜在风险。运行阶段的影响次之，主要来自工质制备过程的能源消耗与排放。运输阶段影响较小，而回收阶段通过资源回用可产生正向环境效益。该分析为系统的绿色设计与优化指明了关键环节。
该研究得到国家自然科学基金、国家青年自然科学基金、山东省重点研发计划等项目的资助。该团队长期致力于工业能源高效利用、化工过程系统优化等领域研究，此次成果是团队在低品位余热回收技术领域的又一重要突破。
文章DOI号：10.1021/acssuschemeng.5c10606
