新兴反应性碳捕集制甲醇技术路径的比较技术经济分析及生命周期评估

《Industrial & Engineering Chemistry Research》：Comparative Technoeconomic Analysis and Life Cycle Assessment of Emerging Reactive Carbon Capture-to-Methanol Pathways

甲醇生产双路径RCC技术经济与环境评估：直接RCC-甲醇路径（K/CZA催化剂）LCOM为0.78美元/千克，显著低于间接RCC-CO路径（0.84美元/千克），且碳强度（0.45 kg-CO2e/kg）和水消耗（6.1 kgH2O/kg）更优。间接路径虽催化剂用量减少57%且氢气效率提升10%，但需额外合成气压缩（电耗增加8.5倍）和冷却水（4.1倍），导致成本劣势。研究证实直接路径在规模化生产中更具经济和环境竞争力，其LCOM已接近传统CO2氢化法（0.72美元/千克）。

　　在当前全球能源转型与碳中和目标日益迫切的背景下，甲醇（MeOH）作为一种重要的清洁能源载体和化工原料，正成为替代传统化石燃料的重要方向。近年来，研究人员对非石油来源的甲醇生产技术展开了广泛探索，其中反应性碳捕集（Reactive Carbon Capture, RCC）和双功能材料（Dual-Function Materials, DFMs）的结合被认为是一条具有潜力的新路径。RCC技术通过将碳捕集与反应过程整合在一个反应器中，减少了传统甲醇生产过程中对分离、纯化和运输二氧化碳（CO?）的依赖，从而降低了整体成本与碳排放。本文旨在通过技术经济分析（Techno-Economic Analysis, TEA）和生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）对两种RCC路径进行比较，以评估其在可持续甲醇生产中的可行性与优势。

### 技术经济分析（TEA）概述

本文提出两种主要的RCC路径：一种是“直接RCC-to-MeOH”路径，另一种是“间接RCC-to-CO”路径。在“直接RCC-to-MeOH”路径中，RCC过程直接在反应器中将捕集的CO?转化为甲醇，而“间接RCC-to-CO”路径则首先将CO?转化为CO，再通过传统催化反应将CO与氢气（H?）合成甲醇。根据研究结果，“直接RCC-to-MeOH”路径的甲醇生产成本（Levelized Cost of Methanol, LCOM）为每千克0.78美元，显著低于“间接RCC-to-CO”路径的0.84美元。这种成本差异主要源于“间接RCC-to-CO”路径需要额外的步骤对合成气（syngas）进行压缩，以满足甲醇合成所需的高压条件。因此，尽管“间接RCC-to-CO”路径在催化剂成本和氢气使用效率方面具有优势，但由于额外的压缩需求，其整体成本仍高于“直接RCC-to-MeOH”路径。

另一方面，与传统的基于CO?氢化的甲醇生产（即“e-MeOH”）相比，这两种RCC路径的LCOM与基准值相近。传统的CO?氢化生产路径（即“e-MeOH”）的LCOM为每千克0.72美元，但其碳强度（Carbon Intensity, CI）为每千克甲醇0.54千克CO?当量（CO?e），高于两种RCC路径的0.45和0.51千克CO?e/千克甲醇。这表明，尽管RCC路径在成本上略高于传统方法，但在碳排放方面具有明显优势。这种优势主要得益于RCC技术减少了CO?的分离、纯化和运输步骤，从而降低了间接碳排放。

### 生命周期评估（LCA）分析

在LCA方面，两种RCC路径均表现出比传统CO?氢化生产更低的碳强度。对于使用可再生能源的路径，RCC-to-MeOH的碳强度为0.45千克CO?e/千克甲醇，而RCC-to-CO的碳强度为0.51千克CO?e/千克甲醇。相比之下，传统CO?氢化路径的碳强度为0.54千克CO?e/千克甲醇，这主要源于中间步骤中CO?的捕集、纯化和压缩所需的额外碳排放。值得注意的是，RCC-to-MeOH路径的碳强度略低于RCC-to-CO路径，这是由于在RCC-to-MeOH过程中，CO?的捕集与反应在单一反应器中完成，避免了CO?的中间分离与压缩步骤，从而减少了整体的碳足迹。

此外，两种RCC路径在水消耗（Water Consumption, WC）方面也优于传统方法。在使用可再生能源的情况下，“直接RCC-to-MeOH”路径的水消耗为每千克甲醇6.1千克，而传统CO?氢化路径的水消耗为每千克甲醇13.1千克。这种差异主要源于RCC技术减少了CO?的中间处理步骤，避免了传统方法中因蒸汽再生和冷却水需求而导致的高水消耗。相比之下，“间接RCC-to-CO”路径由于需要对RCC产生的合成气进行压缩，导致其水消耗略高于“直接RCC-to-MeOH”路径，为每千克甲醇11.5千克。因此，在环境影响方面，“直接RCC-to-MeOH”路径更具优势。

### 比较分析与路径优化

尽管“直接RCC-to-MeOH”路径在成本和碳强度方面表现出色，但“间接RCC-to-CO”路径也有其独特的价值。例如，在催化剂成本方面，“间接RCC-to-CO”路径的催化剂成本仅为每千克甲醇0.044美元，远低于“直接RCC-to-MeOH”路径的0.114美元。此外，在氢气使用效率方面，“间接RCC-to-CO”路径的氢气与甲醇的摩尔比为0.224，而“直接RCC-to-MeOH”路径的比值为0.248。这意味着“间接RCC-to-CO”路径在氢气使用方面更为高效，从而降低了整体的氢气成本。然而，这些优势被“间接RCC-to-CO”路径中甲醇合成过程所需的额外成本所抵消，导致其整体LCOM仍高于“直接RCC-to-MeOH”路径。

因此，未来的研究应更加关注“间接RCC-to-CO”路径作为直接合成气生产过程的潜力，而不是作为间接甲醇生产路径。通过将RCC产生的CO直接作为合成气原料，可以避免对甲醇合成过程的额外需求，从而进一步降低生产成本。此外，RCC技术的优化，包括催化剂的改进和反应条件的调整，将有助于提升甲醇生产效率，同时减少能源消耗和碳排放。例如，K修饰的铜锌铝（CZA）和锌铝（ZA）双功能材料在CO?捕集与反应方面表现出卓越的性能，分别为每克材料捕集CO?的量达到135.3 μmol和331.0 μmol，同时在甲醇选择性方面也分别达到46.3%和97.6%。这些材料的使用不仅提高了反应效率，还降低了催化剂成本，为RCC技术的商业化提供了有力支持。

### 氢气成本与可再生能源的影响

氢气成本是影响甲醇生产成本的关键因素之一。在使用可再生能源的情况下，氢气的生产成本较低，约为每千克1.50美元，这使得RCC路径的LCOM大幅降低。然而，氢气成本的波动对两种RCC路径的影响有所不同。例如，当氢气成本每千克增加1.00美元时，“直接RCC-to-MeOH”路径的LCOM将增加约0.25美元/千克甲醇，而“间接RCC-to-CO”路径的LCOM将增加约0.22美元/千克甲醇。这表明，尽管氢气成本对两种路径的影响较大，但“间接RCC-to-CO”路径在应对氢气价格波动方面更具弹性。

此外，氢气的生产成本还受到电力成本的影响。在使用可再生能源的情况下，电力的碳强度较低，约为每千瓦时0.028千克CO?e，这使得氢气的碳强度仅为每千克1.64千克CO?e。然而，如果电力的碳强度提高，例如达到每千瓦时0.081千克CO?e，则氢气的碳强度将上升至每千克1.82千克CO?e，从而影响RCC路径的整体碳强度。因此，为了实现RCC路径的环境优势，必须确保电力来源的低碳性，这为未来技术的发展提供了方向。

### 未来展望与研究方向

尽管当前的RCC技术在成本和碳强度方面仍存在一定的挑战，但其潜力不容忽视。随着可再生能源技术的进步和氢气生产成本的降低，RCC路径有望在未来实现更高的经济可行性。例如，如果氢气成本降至每千克1.50美元，并且天然气价格达到历史峰值（每百万英热单位10.00美元），则“直接RCC-to-MeOH”路径的LCOM将低于传统SMR路径，从而具备经济竞争力。此外，RCC路径还可以通过优化催化剂和反应条件进一步降低成本，提升生产效率。

同时，RCC技术的应用还应考虑其对水消耗的影响。在使用可再生能源的情况下，RCC路径的水消耗显著低于传统方法，这为减少水资源使用提供了新的思路。然而，如果使用传统天然气作为氢气来源，则水消耗的差异将不再明显，因为传统方法中的水消耗主要源于蒸汽再生和冷却水需求。因此，为了实现RCC路径的全面优势，必须确保氢气来源的可再生性，这不仅有助于降低生产成本，还能减少对环境的影响。

综上所述，RCC技术为甲醇的可持续生产提供了一条新的路径，其在成本和碳强度方面具有明显优势。尽管当前的RCC路径仍面临一定的挑战，但随着技术的进步和成本的降低，其经济可行性将逐步提升。未来的研究应进一步探索RCC技术的优化方向，包括催化剂的改进、反应条件的调整以及氢气来源的多样化，以实现更高效、更环保的甲醇生产。同时，RCC技术的应用应结合可再生能源，以确保整个生产过程的低碳性，这不仅符合当前的环保目标，也为未来的能源转型提供了支持。