通过电热蒸汽裂解法生产乙烯的比较研究：反应器、工艺过程、技术经济性及生命周期排放评估

《Green Chemistry》：Comparative reactor, process, techno-economic, and life cycle emissions assessment of ethylene production via electrified and thermal steam cracking

乙烯生产蒸汽裂解过程脱碳研究：通过内部电加热反应器实现电加热蒸汽裂解（ESC），对比传统TSC及带CCS流程，分析ESC在反应器性能、过程整合、能源需求、成本及生命周期排放的影响，发现i-ERH可提升乙烯产率、缩小反应器体积，降低资本支出和原料消耗，但需依赖清洁电力供应以实现减排效益。

　　

减少碳氢化合物热蒸汽裂解（TSC）过程中的碳排放——这是生产乙烯的主要途径——对于降低全球化工行业的碳足迹至关重要。提出的脱碳策略包括二氧化碳（CO?）捕集与封存（CCS），以及使用电能代替化石燃料燃烧来为反应提供高温热量。在这里，我们对最近提出的内部电阻加热（i-ERH）反应器进行了多尺度评估，以支持电驱动的蒸汽裂解（ESC）技术，同时评估了反应器级别的性能和工艺层面的集成情况。我们将ESC工艺与传统的TSC工艺进行了对比，比较了在有无后燃二氧化碳捕集的情况下，使用乙烷作为原料时的工艺设计、产品产量、能源需求、成本和生命周期排放等方面的差异。反应器级别的建模表明，与使用燃料燃烧的传统外部加热反应器相比，i-ERH反应器可以提高乙烯产量，并且还能减小反应器的体积。这些反应器级别的改进使得工艺层面的资本支出降低（在我们的基准情况下比TSC低12%），原料消耗也减少了（比TSC低16%），这在评估的电力和燃料供应情景下可以部分或完全抵消因能源进口增加而产生的成本（能源进口成本增加了91%）。虽然更高的乙烯产量会降低ESC工艺的碳三烯类副产品的收入，但通过销售氢气和甲烷副产品可以缓解这一问题，因为这些副产品在TSC工艺中会被燃烧掉。ESC与TSC以及TSC-CCS的排放影响取决于电力供应的排放强度：在2022年德克萨斯州电网的条件下，ESC的排放量会比TSC高50%；然而，2035年的未来电网电力供应情景下，ESC的排放量将降低20.8%至47.7%。通过敏感性分析，我们确定了电价（每兆瓦时75-113美元）、ESC反应器资本成本和电力排放强度（每兆瓦时≤0.2吨二氧化碳当量）的组合，使得相对于TSC工艺，碳减排成本能够降至每吨二氧化碳100美元或更低。我们还发现，最大化乙烯产量的反应器配置并不总是对应最低的工艺平准化成本，这突显了在进行像ESC这样的新型工艺的经济和环境评估时，整合详细的反应器和工艺层面建模的重要性。