甘蔗生物精炼厂中生物甲烷蒸汽重整与碳捕获的技术经济分析

本研究针对甘蔗生物精炼厂如何实现低碳转型与价值提升的核心问题，探讨了集成生物甲烷蒸汽重整(SMR)与碳捕获(CC)技术的可行性。通过Aspen Plus流程模拟与技术经济评估(TEA)，研究发现该集成路径可年产4.1万吨氢气，最低售价可低至2.46美元/千克，结合碳捕获后价格升至2.70美元/千克，但仍远低于当前绿氢市场价。该研究为农业工业系统提供了一条可扩展的可持续制氢路径，显著提升生物质资源利用效率与减排潜力。

　　

随着全球向低碳经济转型的力度不断加大，生物质能作为可再生能源战略的重要支柱，因其与现有基础设施的兼容性以及成熟的技术经济可行性而备受关注。生物质燃料，特别是生物乙醇，在交通领域碳减排方面发挥了关键作用，在中国、美国、印度和巴西等主要经济体取得了显著成功。这些国家展示了将生物质资源整合到国家能源系统中如何有效支持脱碳目标，同时增强能源安全和促进农村发展，使生物能源成为全球可再生能源转型的关键贡献者。

甘蔗是世界上最重要的生物能源作物之一。多年来，甘蔗厂已经从只生产糖演变为在现代甘蔗生物精炼厂中生产乙醇、生物电和沼气。这一转变始于乙醇的生产，随后利用蔗渣发电以满足工厂需求，进而通过厌氧消化酒糟（一种称为vinasse的废水）来生产沼气。在此背景下，沼气可能是甘蔗能源中最未得到充分利用和低估的能源之一。尽管许多现代生物精炼厂对酒糟进行处理以满足环境法规要求，但由于将沼气升级为生物甲烷的经济困难，以及与运输和商业化相关的其他挑战，它们并未投资沼气基础设施。然而，许多研究表明，将沼气用作生产更有价值化学品的中间体，而不是生物甲烷，可能是一个潜在的解决方案。在各种可能性中，利用沼气生产氢气（H₂）或许是增值这种副产品的有力替代方案。

氢气是化学工业的关键元素，并被认为是难以减排行业脱碳的有力替代方案。它也是生产化学品和先进生物燃料（如甲醇、氨和可持续航空燃料（SAF））的重要中间体。大多数氢气来自化石资源，如煤炭和天然气（NG），而通常通过水电解获得的绿氢则比化石燃料制氢昂贵得多。最成熟和最常用的制氢方法之一是蒸汽甲烷重整（SMR），该方法将天然气和水结合，产生氢气和二氧化碳（CO₂）。由于沼气主要由甲烷组成，这使其成为可再生氢生产的强大原料选择。

考虑到实现净零排放和创建碳负价值链对于应对气候变化挑战至关重要，通过开发碳捕获、利用和封存技术已经做出了许多努力。化学吸收法，利用胺类，是捕获燃烧前和燃烧后气流中碳的最成熟和最常用的工艺之一。然而，碳捕获面临着与运营成本和建立CO₂利用市场相关的经济挑战。就技术成熟度（TRL）而言，单乙醇胺（MEA）是基于胺的碳捕获工艺中最成熟和商业上可用的技术。尽管能耗很高，但MEA反应性强且高效。大部分能量需要作为热量，为胺回收塔提供低压蒸汽，从而释放CO₂以供利用或封存。

石油和天然气炼油厂以及燃煤电厂已将碳捕获与SMR相结合，受益于炼油厂的热整合以降低过程的能量损失。类似地，在甘蔗生物精炼厂中整合沼气的蒸汽重整与碳捕获，可能受益于甘蔗加工过程中产生的过剩低压蒸汽。酒糟浓缩（即在生物消化前蒸发酒糟以降低运营成本并优化整体处理）是产生过剩低压蒸汽最多的工艺之一。考虑到酒糟的巨大体积，这种低压蒸发蒸汽或许可以为甘蔗生物精炼厂中与沼气蒸汽重整相结合的碳捕获系统的再沸器提供全部热量需求。

从商业角度来看，化石氢气和二氧化碳的利用和市场是成熟的。生物精炼厂的主要挑战是改善其经济性，以与传统的石油和天然气炼油厂的产品竞争。产品组合的多样性和规模是使传统炼油厂相对于生物精炼厂具有显著技术经济优势的主要因素。此外，整合对于以低成本提供化石衍生产品至关重要。由于H₂和CO₂在传统炼油中具有重要性，将其生产整合到生物精炼厂中可能是提高与石化工业竞争力的步骤之一。

沼气重整，包括与碳捕获的集成工艺，由于其以有竞争力的价格提供氢气、CO₂和其他传统及先进生物燃料的潜力而被研究。然而，之前的工作尚未将沼气重整（特别是生物甲烷）应用于甘蔗生物精炼厂背景，以评估技术经济参数，分析其对产品价格的影响，并利用剩余电力和沼气等副产品。集成沼气蒸汽重整和碳捕获技术已被证明在脱碳方面具有巨大潜力。将其应用于甘蔗工业背景可能是解决技术商业瓶颈、扩大规模并为净零未来做出重大贡献的一个解决方案。因此，本工作的新颖之处在于基于生物甲烷蒸汽重整（无论是否包含碳捕获）的流程模拟，提出了全面的技术经济分析。通过系统评估两种配置的优势和局限性，本研究为甘蔗生物精炼厂的决策提供了宝贵的见解，并概述了增加收入同时推进脱碳努力的可行路径。

本研究通过技术经济评估（TEA）评估了将氢气生产与碳捕获整合到甘蔗生物精炼厂中的可行性。该技术经济研究基于甘蔗生物精炼厂背景开发，考虑了通过燃烧蔗渣产生剩余电力、蒸汽产生以及通过酒糟浓缩和酒糟厌氧消化产生沼气。利用先前甘蔗研究的数据来开发和优化氢气生产和碳捕获模型，用于分析能量和质量平衡，并确定设备的类型和规模，这是技术经济评估的基础。

评估了两个关键场景的技术经济视角。基础案例场景（a）涉及通过沼气蒸汽重整生产氢气。在此配置中，工艺原料包括来自酒糟浓缩的水和通过酒糟厌氧消化产生的沼气。假设一部分沼气被燃烧以提供重整反应器所需的热量。通过生物精炼厂热电联产产生的电力用于操作系统的空气和气体压缩机。沼气在进入蒸汽重整系统之前必须进行清洁，以去除CO₂和其他杂质（主要是硫化合物），以避免SMR催化剂失活。因此，假设采用酸性气体清洁系统将沼气升级为生物甲烷。大多数化学吸收酸性气体清洁系统由两级系统组成，包含吸收以将甲烷与杂质分离，然后是硫回收单元，以满足法律要求并通过商业生产硫产生收入。然而，考虑到硫占合成气成分的比例不到1%，并且本研究侧重于氢气和CO₂的商业化，因此该过程被排除在建模范围之外。重整后，采用压力摆动吸附（PSA）结合燃烧器来纯化产生的氢气，并利用尾气通过热集成网络预热水和生物甲烷流。

在对比场景（b）中，采用了相同的配置，但增加了碳捕获单元以在纯化前去除CO₂。通过酒糟浓缩产生蒸汽，假设用于向胺回收塔的再沸器提供低压蒸汽，通过利用当地废热流来满足高热量需求。系统边界仅考虑氢气生产和碳捕获，不包括最终压缩。采用此策略是为了让未来专注于氢气利用侧的工作能够根据目标市场的位置定义和满足产品标准或物流要求。

生物精炼厂是生产糖和生物燃料（特别是乙醇）的甘蔗厂。假设的甘蔗加工率为3000吨/小时，这是一个大规模，是传统甘蔗厂加工率的四到五倍。当生产乙醇时，会产生大量的酒糟，因此在处置前必须进行处理。在本研究中，假设在我们的甘蔗生物精炼厂案例研究中实施两步酒糟浓缩 followed by 厌氧消化（AD）。将氢气生产与碳捕获整合到这个甘蔗模型中采用了棕地策略，包括改造现有的生物精炼厂资产，利用来自热电联产（CHP）和酒糟处理系统的水、沼气、电力和废物流来生产H₂并捕获CO₂。然而，本工作的边界不考虑没有此类基础设施的生物精炼厂模型。

使用 Aspen Plus V14.0 开发了氢气和碳捕获模型。该软件广泛用于工业规模的化学加工，包括蒸汽甲烷重整和碳捕获系统。除了 Aspen 中可用的全面物理化学性质和热力学数据库外，它还包含节能和经济分析工具，这是本工作的重点。

本研究中的氢气生产涉及在化学吸收系统中清洁来自酒糟厌氧消化的沼气，在高温反应器（909°C）和高压（17 bar）下用水加热生物甲烷以产生含有氢气、一氧化碳（CO）、二氧化碳和甲烷（CH₄）的合成气。然后将合成气冷却（250°C）并送入水煤气变换（WGS）单元，其中一氧化碳和水以95%的效率转化为氢气和二氧化碳。可以使用多种技术分离氢气，但在这项工作中，采用压力摆动吸附来获得高纯度氢气，就像大多数 SMR 设施中所做的那样。热量、电力和冷却水通常是蒸汽甲烷重整过程的主要公用工程。在本研究中，满足主要 SMR 热量需求的工业热量假设通过燃烧沼气在传统工业燃烧器中获得。空气和气体压缩机所需的电力假设由生物精炼厂 CHP 系统提供。由于采用了热集成策略，该场景不需要专用的冷却水。SMR 催化剂是成熟的，考虑到该技术的 TRL。然而，催化剂的影响未在本工作中考虑，重点是将此过程整合到甘蔗生物精炼厂中的新颖机遇和挑战。

本研究中考虑的碳捕获配置采用基于单乙醇胺的化学吸收系统，参考了先前关于蒸汽甲烷重整与 CO₂ 捕获集成的研究。该过程涉及两个关键塔，一个吸收塔和一个汽提塔（再生器）。在 CO₂ 去除之前，合成气被引导至脱水单元以去除多余的水分，否则这会由于更大的塔尺寸和蒸发水所需的额外能量而增加资本成本。干燥的合成气从底部进入吸收塔，其中 CO₂ 被从顶部引入的 MEA 溶液选择性吸收。富氢气体从吸收塔顶部排出，用于下游纯化。富 CO₂ 的溶剂随后被送至汽提塔，在那里进行热再生，释放出适合封存或利用的高纯度 CO₂，并回收 MEA 以继续操作。

采用了有针对性的能量集成策略以节省能源，最大限度地减少冷却水的使用，并最终产生蒸汽用于工业用途。该方法旨在通过实施热气体再循环（HGR）进行废热回收，来利用高温工艺流。这是通过重新利用压力摆动吸附（PSA）尾气（包含蒸汽重整过程中产生的可燃成分，如 CO、H₂ 和 CH₄）作为热源来实现的。该尾气流通过一系列管壳式换热器，用于在进入主重整器之前预热生物甲烷和水原料，从而减少外部加热需求。使用 Aspen Plus 优化工具和敏感性分析设计换热器网络，以确保在高温条件下的热力学可行性。水物流依次使用两个换热器（HEX-1–HEX-2）进行预热，将其温度从 35°C 升高到 702°C。生物甲烷类似地通过两个换热器（HEX-3–HEX-4）从 49°C 预热到 641°C。水煤气变换（WGS）反应器出口流，初始温度为 468°C，用于将生物甲烷和水流分别预热到 366°C 和 120°C，之后在 HEX-5 中冷却到 43°C 以进行压力摆动吸附。SMR 反应器出口处于高温，用于将水流从 120°C 进一步加热到 702°C，同时将 SMR 合成气流冷却到 250°C 以满足 WGS 反应器的低温要求。燃烧器的高温出口流用于在 HEX-3 中将生物甲烷温度从 366°C 升高到 641°C。此外，HEX-4 的 534°C 出口流在 HEX-6 中用于产生低压蒸汽。这股废流可用于甘蔗加工，例如浓缩酒糟，甚至作为碳捕获系统的公用工程。实施逐步预热和热回收配置是为了减少外部能量需求并提高热效率，确保生物甲烷、水和合成气流达到所需的工艺操作温度。

蒸汽甲烷重整和胺基碳捕获是成熟的技术，在文献中拥有广泛的实验和建模研究基础。因此，本研究的关键输入参数参考了与本文考虑的系统边界和工艺配置密切相关的、经过同行评审的 SMR 和碳捕获模型。虽然专门针对沼气作为重整原料的研究有限，但确定了一项中试规模的建模研究，并用于为建模条件提供信息，确保工艺假设反映了实际运行场景下经过实验验证的性能。这种方法增强了模拟结果的可靠性和适用性。

使用 Aspen Plus 模拟环境开发了工艺配置，选择了与软件标准库一致的单元操作块来表示氢气和碳捕获系统的主要组成部分。流程图包括关键设备，如泵、换热器、重整反应器、压缩机和蒸馏塔，以准确复制工艺条件。氢气生产模型特别结合了离心水泵、蒸汽重整和水煤气变换反应器、通过换热器的热集成、气液分离器、用于供热量的燃烧器以及多级压缩机以调节产品流。这种设置使得能够对所有工艺单元进行详细的质量和能量平衡计算。

SMR 反应器使用 RGibbs 反应器块进行建模，该块适用于涉及复杂、多相平衡反应的系统。该反应器类型基于吉布斯自由能最小化确定产物分布，允许预测热力学平衡下的物种形成。RGibbs 反应器中考虑的组分包括 H₂O、H₂、CO₂、CH₄ 和 CO，从而能够评估生物甲烷转化和重整性能。对于水煤气变换（WGS）反应，使用了 RStoic 反应器，因为反应化学计量是明确的。基于文献数据指定了一氧化碳的固定分数转化率，以确保在典型重整条件下具有代表性的 CO 和 H₂O 相互作用建模。至于其他操作单元，沼气中 H₂S 的去除在分离块中进行评估，根据先前的清洁研究确定了 97% 的分数。氮化合物和氧是燃烧反应的元素，在 RStoic 反应器中指定，以模拟尾气燃烧，通过热集成网络为过程提供热量。

使用 Heater 块实现了整个过程的初始热调节，该块允许简单指定目标出口温度。在初步能量评估之后，识别出热集成机会，随后使用 HeatX 块重新配置相关单元，应用短路逆流流动模型。这种修改使得能够评估气体工艺流之间的热交换，并支持过渡到设计模式，模拟管壳式换热器配置。指定了特定的热和冷出口温度，最小温度接近值为 1°C，以确保现实的热回收潜力。通过 Aspen Plus 中的敏感性分析仔细定义了热集成温度，确保了模型的稳健性。这种方法使得能够验证模拟保持无错误和无警告，同时准确反映实际的操作约束。为了进一步优化热集成，使用了 Aspen Energy Analyzer 工具，允许验证节能效果并获得基于工具的建议。这为系统的可行性提供了额外的验证，并使我们能够识别进一步降低能耗的机会。

使用 MCompr 和 Compr 块为两种工艺场景实施了气体和空气压缩系统。气体压缩机被建模为等熵压缩机，并配置为三级压缩，固定排放压力为 17 bar，每级使用相等的压力比。调整压缩压力以满足沼气清洁、SMR、碳捕获和氢气纯化的要求。电力输入和冷却水被指定为过程公用工程，最终出口温度为 49°C。较高的出口温度确保操作高于冷凝阈值以防止液体形成。空气压缩系统也被建模为等熵，排放压力为 1 bar，为燃烧压力摆动吸附（PSA）单元的废气流提供燃烧空气。这种方法促进了废热回收，并用于预热工艺流，有助于整体节能。PSA 单元使用 SEP 块建模，氢气回收效率为 90%，基于先前 Aspen Adsorption 研究报告的最高性能值。PSA 尾气燃烧的热回收使用 RStoic 反应器块建模，该块允许在模拟环境中自动生成燃烧反应。

碳捕获系统中使用的蒸馏塔使用 RadFrac 块建模。吸收塔配置为具有 20 个平衡级的填料塔，使用来自 MTL 供应商数据的 25 mm 金属鲍尔环。填料段高度为 12.19 m，塔直径为 3.13 m。汽提塔使用相同类型的填料材料，但尺寸为 50 mm，总共 22 个塔板，填料段高度为 15.24 m，直径为 5.19 m。为了满足分离过程要求，汽提塔配置包括分凝器和釜式再沸器。初始设计改编自 Aspen Plus 的集成气化联合循环（IGCC）碳捕获演示文件，该文件旨在用于工业规模应用。然后使用水力分析工具修改此基准模型，以反映 SMR 过程中产生的合成气的特定流量和组成。调整确保了水力可行性并准确表示了 CO₂ 吸收和再生部分内的气液相互作用。

基于使用 Aspen Plus Economic Analyzer (APEA) 的流程建模输出进行了经济评估。所有成本估算均以美元进行，并调整为反映 2022 年第一季度价值。为了确保与当前成本趋势一致，应用了化学工程工厂成本指数 (CEPCI) 值 799.5，将所有资本成本数字更新至 2024 年。通过根据 APEA 框架内的类型、材料和工艺要求映射、确定规模和配置设备来评估资本支出 (CAPEX)。沼气清洁系统、重整反应器、燃烧器和 PSA 使用美国国家可再生能源实验室 (NREL) 一项研究的参数和 Peters 等人的规模因子进行缩放。使用既定的基于文献的转换因子得出额外的直接和间接成本，开发了总资本投资，包括总安装成本和营运资本，考虑了安装、管道、电气、仪器仪表和控制、建筑和场地、服务和设施、工程和监督、施工、承包商费用、法律和应急等作为交付设备成本的百分比。运营支出 (OPEX) 根据模拟的质量和能量平衡结果确定，成本值通过电子表格工具外部计算，并辅以研究机构和政府出版物的开源数据集。鉴于商品市场中缺乏标准沼气定价，沼气基于与天然气等效的能量进行评估。经济模型中采用的假设总结在表 3 中。

假设该工厂在澳大利亚开发。然而，所有成本数据均以美元计算，以保持与经济建模框架的一致性。关键财务假设，如天然气和电力价格、通货膨胀率和贴现率，源自澳大利亚市场数据和政府来源。使用估计的资本和运营支出 (OPEX)，进行了折现现金流 (DCF) 分析以确定氢气的最低售价 (MSP)。MSP 定义为项目净现值 (NPV) 等于零时的价格。还进行了敏感性分析，以评估关键变量对 MSP 和 NPV 的影响，包括规模、沼气、氢气和 CO₂ 价格、氢气产量和资本投资。这些评估提供了在不同市场条件下沼气重整制氢的经济稳健性和可扩展性的见解。

本研究在甘蔗生物精炼厂内开发了一条集成的氢气生产路径，以扩大产品组合，回收废物流并增值剩余能量。选择酒糟衍生沼气中所含甲烷的蒸汽重整作为制氢技术，因为其有潜力以有竞争力的成本提供可再生氢，特别是在拥有成熟甘蔗生物精炼厂基础设施的地区。将碳捕获单元纳入 SMR 配置，以评估低碳氢气生产的技术和经济影响。使用 Aspen Plus 对拟议的场景进行建模，并进行了全面的技术经济分析以评估系统性能并确定未来的研发需求。虽然该模型是针对甘蔗生物精炼厂的背景量身定制的，但必须注意，输入数据来源于最佳可用文献，包括先前的建模研究、实验数据以及中试到商业规模的报告。

使用文献中可用的数据验证了 SMR 与碳捕获集成的模拟结果。验证针对各种来源进行，包括实验研究、建模研究以及中试和商业规模设施的报告。关键性能指标，如产品产量、能耗、物流组成和流量，进行了比较以确保模型准确性。Aspen Plus 模拟结果与报告的文献值之间的高度一致性支持了本研究中采用的建模方法的可靠性。

模拟中获得的氢气产量与文献中报道的值一致，包括使用天然气和沼气作为原料的综合综述和实验分析。虽然天然气蒸汽甲烷重整 (SMR) 是一个成熟的过程，以提供高氢气产量而闻名，但基于沼气的 SMR 呈现出更大的可变性。这种可变性主要源于沼气成分的波动以及杂质的存在，特别是二氧化碳和硫化合物，这些杂质可能对催化剂性能和整体转化效率产生不利影响。这项工作假设纯化的生物甲烷作为输入原料，结合优化的蒸汽碳比 (S/C) 和精心选择的操作条件（温度和压力）。因此，模拟的氢气产量与常规 SMR 设施报告的一致，而不是在使用预处理最少的原始沼气的实验研究中通常观察到的较低值。这些发现表明，沼气纯化和预处理技术的进一步进步对于提高生物甲烷重整系统的氢气生产效率可能至关重要。

本研究中建模的碳捕获系统实现的 CO₂ 捕获效率处于文献报道值的上限。这一结果是通过有效去除合成气流中的水来实现的，这导致入口成分约为 78% H₂ 和 19% CO₂，其他合成气成分的浓度可忽略不计。高捕获性能伴随着资本支出和能量需求的增加，这主要是由于吸收塔的尺寸和汽提单元所需的高再沸器负荷。如果捕获的 CO₂ 获得的市场价值能够抵消资本和运营支出，这些权衡可能在经济上是合理的。在基于胺的碳捕获系统的最新发展中，已有报告捕获效率超过 99%，证明了实现深度 CO₂ 去除以与新兴脱碳目标保持一致的可行性。此外，模型中观察到的 MEA 补充率远低于文献中通常报告的降解水平。这一结果可能归因于重整气成分，主要不含促进降解的杂质。尽管蒸汽重整耐受的少量硫和氮化合物痕迹可能导致 MEA 降解，但由于系统中产生的高纯度合成气，降解率很低。通过将汽提塔再沸器温度维持在 125°C 以下，也减轻了 MEA 的热降解，高于此温度 MEA 降解率往往会增加。

图 4 说明了在 Aspen Plus 中开发的工艺流程，代表了蒸汽甲烷重整与碳捕获系统的集成。流程图包含了与氢气生产和 CO₂ 捕获相关的所有主要工艺单元和物流。输入流，包括沼气、工艺水、压缩空气和 MEA，以粉色突出显示。与有用产品相关的输出流以蓝色表示，包括用于压缩和使用的纯化氢气、可能可回收用于碳捕获或精炼厂公用工程的蒸汽以及用于压缩的捕获 CO₂。红色标记的流代表未在模型边界内回收或增值的废物或吹扫流。

虽然模型包含了氢气纯化和 CO₂ 捕获，但系统边界未扩展到包括下游过程，如运输、储存或利用。氢气的潜在储存途径，如压缩、液化或转化为氨等载体，已得到承认但被排除在本次分析之外。类似地，CO₂ 压缩和捕获后调节以用于潜在利用或储存超出了当前范围。鼓励未来的研究扩展此框架以涵盖下游处理，从而能够在集成生物精炼厂系统内对氢气和 CO₂ 价值链进行更全面的评估。

表 5 总结了两种模拟场景的流量和组成。结果表明，生产 1 公斤纯化氢气需要大约 6.4 立方米的沼气。为了实现 10 吨/小时的氢气生产率，需要来自四个或五个位于相同或附近地点的大型甘蔗生物精炼厂的原料。结果还考虑了纯化过程中 10% 的氢气损失。虽然损失的氢气支持物流的预热能量需求，但用低价值燃料（如沼气）替代它可以在经济上提高整体氢气回收率。如果压力摆动吸附 (PSA) 系统能够由于未来 PSA 研究工作的改进而实现更高的分离效率，则这一点尤其重要，从而提高了从沼气生产氢气的可行性。完整的质量和能量平衡流程图可在补充信息部分的表 S1 和 S2 中找到。

先前的研究报告了在 909°C 下 SMR 的实验氢气产量。在高于 900°C 的温度下运行 SMR 反应器与热力学预测一致。将 SMR 与 WGS 耦合进一步将氢气产量从 9.6 提高到 10.3 吨/小时，因为 SMR 出口处 27.7 吨/小时的一氧化碳中有 95% 被转化为氢气，而无需额外的水，因为蒸汽碳比 (S/C) 在过程开始时经过敏感调整至 3:1。在沼气容易获得的情况下，高温操作优化了氢气生产，而不会影响甘蔗能量平衡。

在场景 2 中，由于与碳捕获相关的损失，氢气产量略有下降。然而，CO₂ 是作为有价值的副产品产生的，大约捕获了 61 吨/小时。这种 CO₂ 可以替代目前用于食品加工和其他关键行业的化石来源 CO₂，以生产可持续航空燃料和甲醇。尽管 CO₂ 捕获看起来很有前景，但纯化和压缩过程超出了本研究的范围。这些步骤值得进一步的技术经济评估，特别是考虑到工业对捕获的 CO₂ 用于原位或异地利用的需求。

热集成策略在降低整体能耗方面被证明非常有效。通过使用工艺气流进行预热和冷却，热需求被最小化，显著减少了氢气生产中对外部加热和冷却水的需求。主要的电力消耗归因于沼气压缩，需要 8.5 兆瓦时。尽管如此，特定电力消耗仍然相对较低，每公斤氢气生产大约消耗 0.86 千瓦时，这比电解制氢所需的电力少近 50 倍。然而，SMR 的热量支出约为 381.3 千兆焦耳/小时，这需要在侧重于比较不同制氢技术（包括甘蔗背景下的电解）的研究中进一步分析。

这些发现突显了热集成在降低基于生物质的氢气系统的运营成本和提高能源效率方面的优势。然而，未来的研究应考虑在标准化条件下氢气输送的电力需求，以便与绿氢路径进行公平比较。考虑原料成本、热集成潜力和当地能源价格的全面技术经济分析将为系统的可行性提供进一步的见解。

表 6 总结了集成和非集成条件下的热量和电力消耗，展示了通过战略性过程集成实现的显著节能效果。

表 6 中的值突出了影响集成过程的热力和电力需求。辅助设备（如泵）的电力使用相对较低，场景 A 为 18.5 千瓦时，场景 B 为 365 千瓦时，与总功耗相比可以忽略不计。碳捕获的热量需求虽然很高，但与文献中估计的每吨捕获 CO₂ 约 5.25 千兆焦耳一致。模拟的汽提塔再沸器需要大约 145 吨/小时的蒸汽，这可以通过过程集成来提供。有两个内部来源可用，例如从氢气生产废热中回收的低压蒸汽（360.3 吨/小时，120°C），以及在用于 SMR 之前从酒糟浓缩中回收的蒸汽（158.4 吨/小时），假设水蒸发率为 5%。两种选择都被认为在不增加过程额外成本的情况下做出贡献，从而提高了能源效率。这些集成策略通过利用内部热回收减少对外部公用工程的依赖，支持可持续氢气生产。

表 7 并列呈现了两种场景的资本和运营支出以及关键经济指标。虽然存在一些关于从沼气生产氢气的技术经济评估，但由于系统边界的差异，特别是先前研究中缺乏甘蔗工厂集成和碳捕获，直接比较 CAPEX 和 OPEX 是有限的。然而，本研究中呈现的经济指标为基准测试提供了基础，并揭示了与集成配置相关的机遇和挑战。鉴于拟议的系统目标是碳中和或净负排放，将其性能与绿氢生产路径