二氧化碳净化与分配的技术经济优化研究：基于两阶段模拟与优化框架的工业应用

《Additive Manufacturing》：Techno-economic optimisation of carbon dioxide purification and allocation for industrial sinks: a two-stage simulation and optimisation framework

本研究通过集成Aspen HYSYS过程模拟与非线性优化框架，提出了一种降低卡塔尔天然气液化（LNG）设施碳捕获、纯化和分配成本的方法。基于多阶段胺吸收系统，建立回归模型量化不同纯度CO?的净化成本，并通过优化模型确定最佳分流比例（6.61%）和回收率（74.2%），实现年总成本426万美元的最优配置。研究显示，高纯度CO?（>95%）应优先分配给尿素生产（99.9%）和EOR（95%），而中纯度（91.2%）适用于GTL和甲醇生产，避免过度净化，显著提升经济性。该框架为低碳工业区的CCUS规划提供了可扩展工具。

　　碳捕集、利用与封存（CCUS）技术是减少高碳排放地区温室气体排放的重要路径之一，尤其在像卡塔尔这样的国家，其能源产业的碳排放问题尤为突出。然而，CO?捕集和纯化过程的高能耗和成本依然是大规模应用的主要障碍。本研究提出了一种将过程模拟与优化相结合的方法，以降低纯化成本，从而更高效地匹配多个工业用途对CO?纯度的具体需求。通过Aspen HYSYS对两阶段胺吸收系统进行模拟，生成不同纯度的CO?流，随后将45个场景下的回归成本模型嵌入到GAMS实现的非线性优化框架中。优化结果表明，最佳经济策略的流分配比为6.61%，回收率为74.2%，系统年成本最低可达426万美元。CO?纯化成本从91.2%纯度下的73.89美元/吨，上升至99.9%纯度下的155.60美元/吨，这表明随着纯度的增加，纯化成本呈现非线性增长趋势。研究结果显示，将中等纯度的CO?导向煤气化液化（GTL）和甲醇生产，而将超纯CO?保留用于尿素生产和增强型油藏开采（EOR），可以提高整体的盈利能力。这一可扩展的框架为卡塔尔及类似工业环境中的战略CCUS规划提供了实用工具，将技术性能与经济决策联系起来。

全球气候变化是21世纪最紧迫的挑战之一，其主要驱动因素是温室气体（GHG）排放的迅速增长。CO?是其中最重要的贡献者，占总GHG排放量的大约76%。应对这一挑战需要有效的碳管理策略，这些策略要在环境保护和经济目标之间取得平衡。关键的缓解措施包括在源头减少排放、增强自然碳汇以及采用技术从大气中捕集和去除CO?。在这些策略中，CCUS技术已逐渐成为减少难以减排行业如水泥、钢铁和化工生产碳排放的基石。CCUS过程包括三个关键步骤：（1）从工业源或空气中捕集CO?；（2）运输捕集的CO?；（3）将CO?封存在地质结构中或用于工业过程。国际能源署（IEA）估计，到2050年，CCUS需要贡献约20%的总减排量以实现净零目标。

尽管CCUS技术潜力巨大，但其应用仍面临显著的技术和经济障碍。高资本和运营成本、长期CO?封存完整性方面的不确定性以及支持性的监管框架的缺乏，都阻碍了其大规模部署。为了激励投资，一些地区引入了碳信用和碳税等政策机制。碳信用通过允许公司为减少排放或参与碳移除项目获得信用，这些信用可以出售或交易，从而创造市场激励。而碳税则直接对碳排放征税，促使工业界采用更清洁的技术。CO?的利用为捕获的碳创造了经济价值，新兴技术使CO?转化为合成燃料、化学品、建筑材料和增强型油藏开采（EOR）成为可能。CCUS价值链的开发和优化，例如选择捕集地点、设计运输网络以及整合存储或利用，需要复杂的决策以平衡技术可行性、经济回报和环境影响。液化天然气（LNG）和气体处理链的生命周期可持续性评估也表明，酸气处理和硫回收单元对环境和社会影响不成比例，突显了整合优化与可持续性框架的必要性。

为应对这些挑战，一系列优化工具已被开发用于支持CCUS系统的战略规划和运行。这些方法能够建模复杂的决策问题，这些问题涉及经济、技术和环境目标之间的权衡。在CO?捕集、纯化和分配方面，这些工具在识别成本效益配置、提高系统效率和支持明智决策方面至关重要。尽管以往的研究已将优化模型应用于CCUS优化，但许多研究假设固定的纯化成本，未能考虑不同用途对CO?纯度需求的变化。本研究通过扩展Sawaly等人提出的多用途线性优化框架，解决了这一限制。该模型整合了从Aspen HYSYS模拟中得出的可变纯化成本函数，反映了CO?纯度、流量和回收率之间的关系。这些函数被嵌入到非线性优化结构中，从而能够生成更真实且对成本敏感的CO?分配结果，反映用途特定的技术和经济条件。

本研究提出的方法将源侧捕集性能与用途侧纯度和需求约束联系起来，生成在卡塔尔工业背景下技术可行且经济可行的分配策略。该方法的三个主要目标是：通过确定最经济的纯化路径，最小化整体系统成本；通过战略性地将CO?分配给最具有财务可行性的用途，最大化经济盈利；通过整合纯化、运输和排放考虑，减少环境影响。研究采用了一种非线性优化框架，该框架结合了Aspen HYSYS过程模拟和基于回归的成本估算，以设计一种经济高效的利用策略，满足七个具有不同纯度和流量要求的工业用途。通过这种优化，研究者能够识别出在不同纯度需求下，实现最低纯化成本的分配方案，从而优化整个系统的经济效益。

在CO?管理方面，本研究提出了一个全面的生命周期视角，涵盖了从捕集和纯化到运输、利用和封存的全过程。然而，由于CO?源的特性差异、不同用途的技术要求以及将它们高效匹配的物流复杂性，存在诸多挑战。为解决这些复杂性，开发了多种决策支持工具，包括优化模型、指标方法、博弈论和基于代理的建模。这些方法在设计成本效益、环境可持续性和可扩展性的CCUS系统方面发挥着重要作用。本研究综述了六个核心领域的最新进展：碳捕集技术、CO?运输、利用路径、存储选项、源-用途匹配和CO?分配的决策支持框架。该章节探讨了碳管理过程中如图1所示的每个阶段，重点介绍了碳捕集技术、运输方法、利用路径、存储选项、源-用途匹配以及CO?分配的决策工具的最新发展。

在碳捕集、利用和封存（CCUS）方面，碳管理需要考虑从捕集和纯化到运输、利用和封存的全过程。然而，由于CO?源的特性差异、不同用途的技术要求以及将它们高效匹配的物流复杂性，存在诸多挑战。为解决这些复杂性，开发了多种决策支持工具，包括优化模型、指标方法、博弈论和基于代理的建模。这些方法在设计成本效益、环境可持续性和可扩展性的CCUS系统方面发挥着重要作用。本研究综述了六个核心领域的最新进展：碳捕集技术、CO?运输、利用路径、存储选项、源-用途匹配和CO?分配的决策支持框架。该章节探讨了碳管理过程中如图1所示的每个阶段，重点介绍了碳捕集技术、运输方法、利用路径、存储选项、源-用途匹配以及CO?分配的决策工具的最新发展。

CO?的利用是迅速发展的领域，具有减少净排放和创造经济价值的潜力。捕获的CO?可以作为各种工业过程的原料，包括化学合成、燃料生产、建筑材料制造和增强型油藏开采（EOR）。这些路径通过替代化石燃料输入或使碳封存成为可能，从而支持脱碳。在化学利用路径中，尿素生产是最具商业价值的途径之一，每年消耗约1.12亿吨CO?，通过氨和CO?在高压高温下反应生成尿素。甲醇合成则通过CO?氢化（CO? + 3H? → CH?OH + H?O）形成另一个主要路径，为燃料、能源载体或甲醛和醋酸的前体提供了灵活性。类似地，费托合成工艺将从CO?衍生的合成气转化为蜡、汽油、柴油和航空燃料，使碳回收融入燃料生产系统。矿物化提供了一种永久性的CO?利用形式，通过将CO?与富含钙或镁的材料（如橄榄石、蛇纹石、钢渣）反应生成固体碳酸盐，这些碳酸盐可以作为建筑材料，从而有效脱碳水泥和混凝土行业。这一路径能够容忍含有杂质的CO?流，避免了昂贵的纯化和降低能源投入。

生物路径，如微藻培养，利用光合作用将CO?转化为生物量。微藻展现出比陆地植物快50倍的生长速度，其高脂含量适合生物燃料生产。同样，CO?在温室中的富集通过提高光合速率增强了作物生产力，证据表明在CO?浓度升高情况下，产量可提高30%。CO?的直接利用指的是非转化应用，利用其物理性质。食品和饮料行业是主要用户，全球每年消耗约10–20万吨CO?用于饮料碳酸化和食品包装。高纯度CO?（≥99.9%）是这些应用的必要条件，以防止污染，尽管饮料瓶装所需的压力要求较低（通常为1–2巴）。另一种快速增长的应用是在暖通空调（HVAC）系统中，超临界CO?（R-744）作为一种环保制冷剂，因其卓越的冷却性能而受到关注。使用CO?制冷剂混合物的原型已实现了高达40%的性能系数（COP）提升。

增强型油藏开采（EOR）是CO?利用的最大工业应用。超临界CO?（≥95%纯度）被注入油藏以降低原油粘度并提高提取效率，额外回收10–20%的原油。尽管EOR主要用于增加石油产量，但注入的CO?中有一部分会留在油藏中，使其成为一种利用与存储的混合形式。EOR已有几十年的实践历史，目前是CO?利用的最大体积应用，每年使用数千万吨CO?，主要来自天然CO?井。当利用路径不足以吸收所有捕获的CO?时，长期存储变得至关重要。地质存储是最成熟和广泛使用的选项，涉及将CO?注入深层盐水层、废弃油气田或不可开采的煤层。关键要求包括足够的注入性、不渗透的盖层和地球化学稳定性以确保封存。尽管矿物化和海洋存储也被探索，但它们的应用较少。海洋存储通过将CO?注入深海层，引发环境和监管方面的担忧。相比之下，原位矿物化通过将CO?与地下岩层反应，提供永久存储，但仍处于示范阶段。

在某些情况下，CO?-EOR作为混合策略，使石油生产和长期CO?保留成为可能。然而，纯存储项目，尤其是在盐水层中的纯存储，正在全球范围内因政府规定或碳定价方案而获得越来越多的关注。在CO?源与用途匹配方面，有效碳捕集和利用（CCU）依赖于基于数量、纯度、压力、位置和时间等因素的战略匹配。CO?源在浓度、杂质含量和操作条件方面差异显著，这直接影响捕集技术的选择和CO?用于特定利用路径的适宜性。将合适的源与合适的用途匹配是实现运营效率、降低成本和减少环境影响的关键。

CO?源与用途匹配的复杂性源于多种实际和物流因素。地理和物流限制增加了CO?源与用途之间的运输复杂性和成本。源与用途之间可能存在时间与操作上的不匹配，这会导致供需不平衡，破坏CO?利用的连续性。净温室气体排放和能源效率是CCU系统整体碳足迹的重要组成部分，优化源与用途匹配应旨在最小化直接和间接排放，同时最大化能源效率。基础设施和技术限制也影响了源与用途整合的可行性。为了应对这些复杂性，开发了多期优化模型用于气体变现，强调在设计分配策略时考虑市场条件的不确定性与操作灵活性。

本研究提出的方法结合了Aspen HYSYS过程模拟和基于回归的成本估算，以设计一种经济高效的利用策略，满足七个具有不同纯度和流量要求的工业用途。通过这种优化，研究者能够识别出在不同纯度需求下，实现最低纯化成本的分配方案，从而优化整个系统的经济效益。研究结果表明，高纯度CO?（约99.9%）最适合用于需要严格纯度规格的用途，如尿素生产和增强型油藏开采，而中等纯度流（约91.2%）更适合用于GTL和甲醇生产。这种区分避免了不必要的过度纯化，降低了整体系统成本。研究还突出了规模经济的作用：更高的流量降低了每吨CO?的成本，而更高的回收率则带来了显著的能源和成本负担。

本研究的成果推动了当前CCUS建模的进步，明确地将纯化成本与用途特定的纯度和需求联系起来，超越了早期研究中假设统一CO?成本或单一用途分配的局限。该框架表明，卡塔尔的CO?-EOR经济可行性受到纯化成本超过115–147美元/吨的限制，而GTL和甲醇生产在中等纯度供应下仍具盈利性。该提出的框架具有可扩展性和适应性，为在不同技术和市场条件下进行系统级CO?管理提供了实用工具。未来的工作应扩展模型以涵盖多个源、额外的利用路径（如矿物化、藻类培养）以及更广泛的工业部门，如水泥、钢铁和氢能。整合动态市场情景、政策激励和全生命周期环境评估将进一步增强模型为可持续和经济稳健的CCUS部署提供信息的能力。