基于膜技术的燃气-液体转化过程的综合性环境与技术经济评估，旨在实现火炬气的高效绿色利用

《Fuel Processing Technology》：Integrated environmental and techno-economic assessment for membrane-based gas-to-liquid process to green flare gas valorisation

该研究通过集成 techno-economic analysis（TEA）和 life cycle assessment（LCA）框架，对比传统与膜技术驱动的天然气制液体（GTL）工艺，发现膜技术方案总资本投资降低26%（$1941M vs $2616M），生产成本减少10%（$1298/t vs $1503/t），碳足迹降低14%（20.83 vs 41.20 tCO2/h），同时显著减少酸化、富营养化等环境指标。敏感性分析表明最佳 flare gas 流量为138 kg/FU，平衡经济性与环境性能。

　　在当今全球能源结构不断变化和环保意识日益增强的背景下，工业领域对可持续能源技术的需求日益增长。气体到液体（Gas-to-Liquids, GTL）技术作为一项重要的能源转化手段，正在被广泛研究和应用，以提高资源利用效率并减少环境影响。本文深入探讨了一种基于膜技术的新型GTL方案，与传统GTL工艺进行比较，从技术和经济角度分析其可行性，并结合生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）对环境影响进行系统评估。通过模拟与数据验证，研究揭示了膜技术在提升GTL效率和减少碳排放方面的显著优势。

### 1. 引言

在工业生产过程中，天然气燃烧产生的废气通常会被直接排放，造成严重的环境问题，尤其是二氧化碳（CO?）的大量排放。这种现象被称为“气放”，它不仅对全球变暖产生影响，还导致了资源浪费和能源效率低下。因此，气放气体的回收和利用成为减少环境影响和提高能源效率的关键策略。气放气体回收技术中，GTL工艺被认为是一种具有前景的方法，它通过化学反应将气放气体转化为高质量的液体燃料，如柴油和汽油。这一过程不仅有助于减少温室气体排放，还能提升能源利用率，对环境保护和经济收益具有双重意义。

然而，传统的GTL技术在实施过程中面临诸多挑战，包括高昂的资本投入、复杂的基础设施需求以及较高的运行成本。为了克服这些问题，研究者们开始探索膜技术在GTL中的应用。膜技术因其高效的分离能力、低能耗和低维护成本，被认为在GTL过程中具有巨大潜力。本文提出了一种基于膜技术的新型GTL方案，并通过综合技术经济分析（Techno-Economic Assessment, TEA）和生命周期评估（LCA）对其实现进行系统分析，以评估其在经济性和环境友好性方面的优势。

### 2. 方法论

#### 2.1 传统GTL工艺模型开发

传统GTL工艺通常包括三个主要单元：气体净化、合成气生产以及费托合成（Fischer-Tropsch, FT）反应。在本研究中，传统GTL模型使用Aspen HYSYS v12.1进行模拟，气体净化单元采用酸性气体-化学溶剂模型，而合成气生成和FT合成单元则采用Peng-Robinson（PR）物性模型。模拟结果被用于验证工艺设计的可行性，并确保其与文献数据一致。此外，模拟还考虑了生产过程中涉及的各个阶段，包括原料气体的收集、化学添加剂的使用、废物处理以及最终产品的存储。

#### 2.2 基于膜技术的GTL工艺模型开发

基于膜技术的GTL方案引入了膜反应器（Membrane Reactor, MR），并在气体净化、合成气生成和FT合成三个阶段中使用膜技术进行优化。具体而言，气体净化阶段采用了多级膜分离系统，以选择性去除气体中的酸性成分，如二氧化碳（CO?）和硫化氢（H?S）。在合成气生成阶段，使用了基于钙钛矿的膜反应器，以实现氧气的分离。而在FT合成阶段，则使用了基于方钠石的膜反应器，以去除反应过程中产生的水蒸气。这些创新旨在减少传统GTL工艺中的高能耗和碳排放问题。

模拟过程采用了Aspen HYSYS 12.1和AVEVA PRO/II Simulation 2024进行建模，并通过综合技术评估来验证膜技术在GTL中的应用效果。研究还通过调整系统参数，如气体流量、成分、压力和温度，以实现最佳的膜分离效率和系统性能。

#### 2.3 集成技术经济与生命周期评估框架

为了全面评估膜技术GTL与传统GTL在经济性和环境影响方面的差异，研究构建了一个统一的平台，用于同时分析技术、经济和环境绩效。该框架包括三个主要部分：

1. **集成平台**：评估FT产品的经济和环境表现，采用一致的系统边界进行比较。
2. **权衡分析**：分析不同参数（如气体流量、成分、压力和温度）对投资回收期和碳排放的影响，以找到最优平衡点。
3. **协同优化**：通过敏感性分析，寻找最优的操作条件，以最小化生产成本、投资回收期和碳排放，同时减少其他环境影响。

该框架为决策者提供了一个全面的工具，以评估膜技术GTL在气放气体利用中的可行性，为可持续工业发展提供理论支持和实践指导。

### 3. 结果与讨论

#### 3.1 模型与文献数据的对比

通过模拟和实验数据的对比，研究验证了所提出的膜技术GTL模型的准确性。与传统GTL工艺相比，膜技术GTL在气体净化、合成气生成和FT合成三个阶段中均表现出更高的效率和更低的碳排放。具体而言，膜技术GTL的总资本投资降低了约26%，生产成本减少了约10%。此外，投资回收期和内部收益率（IRR）分别提高了47%和86%。这些数据表明，膜技术GTL在经济性和环境友好性方面具有显著优势。

#### 3.2 集成技术经济与生命周期评估比较

在技术经济和生命周期评估方面，膜技术GTL相较于传统GTL展现出更优的表现。具体而言，膜技术GTL在多个环境影响指标上均优于传统工艺。例如，碳足迹降低了14%，水足迹减少了13%，酸化潜力降低了19.4%，富营养化潜力降低了19.6%，臭氧层破坏潜力降低了51.3%，光化学臭氧生成潜力降低了17.4%，人类毒性潜力降低了22.3%。这些指标的变化表明，膜技术GTL在减少环境负担方面具有显著潜力。

此外，研究还分析了不同经济因素对GTL成本和投资回收期的影响。例如，当气放气体价格从0增加到0.8美元/立方米时，传统GTL和膜技术GTL的生产成本分别增加了50.6%和58.8%。这表明，气放气体的价格波动对GTL经济性具有重要影响，而膜技术GTL在价格变化时仍能保持较高的经济优势。

#### 3.3 敏感性分析

敏感性分析进一步揭示了膜技术GTL在不同操作条件下的表现。例如，当气放气体流量从27.6千克/功能单位（F.U.）增加到690千克/功能单位时，膜技术GTL的投资回收期从100年缩短至1.3年，而碳足迹则从205千克CO?当量/功能单位增加到2453千克CO?当量/功能单位。这表明，膜技术GTL在提升经济性方面具有显著优势，但同时也需要注意碳足迹的增加。

此外，研究还分析了膜技术GTL在不同膜材料和膜寿命下的表现。例如，当膜的渗透性增加时，膜技术GTL的生产成本显著下降，而膜的寿命延长也有助于降低生产成本。这些结果表明，膜技术GTL在提高经济性和环境友好性方面具有广阔的应用前景。

### 4. 结论与未来趋势

本文的研究表明，基于膜技术的GTL工艺在气放气体利用中具有显著的经济性和环境友好性优势。通过综合技术经济与生命周期评估，研究发现膜技术GTL能够降低总资本投资26%，减少生产成本10%，同时降低碳足迹14%和水足迹13%。此外，膜技术GTL在其他环境影响指标上也表现出显著的改进。

未来，随着新型膜材料的研发和膜反应器技术的进一步优化，膜技术GTL有望在提升效率、降低成本和减少环境影响方面取得更大进展。同时，结合人工智能和数字孪生等先进技术，可以实现更高效的工艺优化和系统管理，进一步推动GTL技术的可持续发展。这些趋势不仅有助于解决当前GTL技术面临的挑战，还为实现更环保、更经济的工业生产提供了新的思路和方法。