集成电化学二氧化碳转化为乙醇的工艺设计及技术经济分析

《Industrial & Engineering Chemistry Research》：Process Design and Technoeconomic Analysis of Integrated Electrochemical CO2 Conversion to Ethanol

本研究针对水泥等难减排行业，构建了CO?捕获-电化学转化-下游分离联产乙醇的系统模型，采用Cu3Sn膜电极组装和抽提蒸馏工艺实现≥99.5%乙醇纯度， techno-economic分析显示NPV为-2008美元/吨CO?，通过降低电解电压和电价至25美元/MWh以下可提升经济性。关键协同优化捕获、转化和分离技术是突破点。

　　

由于迫切需要减少来自难以减排行业（如水泥制造）的人为二氧化碳（CO₂）排放，人们对碳捕获与利用（CCU）技术的关注日益增强。本研究解决了在系统层面整合二氧化碳捕获、电化学转化以及下游乙醇生产过程中的关键问题。研究人员开发了一个集成过程模型，将基于速率的Aspen Plus模拟（用于模拟水泥烟气中的二氧化碳捕获过程）与一个基于Excel的定制电解槽模型相结合，该电解槽使用了Cu₃Sn催化剂膜电极组件。在工业相关的电流密度（900 mA cm^–2）下，电化学转化产生的乙醇法拉第效率达到了64.3%。通过提取蒸馏等下游分离技术，实现了燃料级乙醇的纯度（≥99.5 wt %）。技术经济分析显示，在基准假设条件下，该项目的经济可行性较低，每吨二氧化碳的净现值（NPV）为-2008美元，主要原因是电力需求较高（每吨乙醇需要120 GJ的电能）。敏感性分析表明，在某些条件下，降低电池电压并将电价控制在25美元/MWh以下可以使该项目具备盈利能力。这些发现强调了协同优化捕获、转化和分离技术的必要性，并突显了电解槽效率和电价在决定二氧化碳转化为乙醇的商业可行性方面所起的关键作用。