基于生物的电化学绿色氨生产过程的优化与生命周期评估

《Biomass and Bioenergy》：Optimization and life cycle assessment of bio-based electrochemical green ammonia production process

本研究提出生物质气化与电化学氮还原反应（eNRR）结合的新型绿色氨生产工艺，通过多目标优化确定经济最优值为5325.20元/吨NH3，碳减排达1.265吨CO2当量/吨NH3，虽减排显著但经济性不足，需进一步技术优化。

　　本文探讨了一种新型绿色氨生产过程，该过程结合了生物质气化与电化学氮还原反应（eNRR），旨在减少碳排放并提高生产效率。氨作为全球最广泛生产的化学品之一，在农业、工业及能源领域扮演着重要角色。然而，传统的哈伯-博世（H-B）工艺由于依赖化石燃料制氢，导致了大量的碳排放，这与当前全球应对气候变化的目标相悖。因此，开发更加环保的氨生产技术成为研究的重点。

该研究选取了两种常见的生物质气化技术（DFB和BFB）以及两种代表性的生物质原料（木屑和玉米秸秆），形成了四种不同的工艺组合。通过对这些组合进行多目标优化（MOO），研究者们评估了其经济性和碳排放表现。结果显示，尽管该绿色氨生产过程在碳排放方面优于H-B工艺，但其经济性仍需进一步提升。这表明，在追求环保目标的同时，还需要在成本控制方面做出更多努力，以实现可持续发展的氨生产。

电化学氮还原反应（eNRR）作为一种高效、选择性强且运行条件温和的氨合成方法，近年来受到广泛关注。eNRR能够在较低的温度和压力下将氮气转化为氨，从而避免了传统H-B工艺所需的极端条件。这种技术特别适用于小型、分布式绿色氨生产，因为它可以结合可再生能源进行现场生产，降低运输和储存成本，同时减少能源波动带来的不确定性。然而，当前大多数关于eNRR的研究仍基于假设参数，缺乏实际实验数据的支持，这使得其在工程应用中的可行性受到质疑。

为了弥补这一不足，本文采用实验数据来建立eNRR的动能方程，从而确保模型的准确性。通过对实验数据的分析，研究者们发现，eNRR的激活能约为96,336 J/mol，这一数值接近文献中报道的90 kJ/mol，说明该模型具有一定的现实基础。此外，通过选择合适的工艺参数，研究团队在经济性和碳排放之间找到了一个平衡点，为未来的绿色氨生产提供了有价值的参考。

生物质气化作为另一种重要的氢气生产方式，近年来也被认为是实现绿色氨生产的可行途径。相比传统的化石燃料制氢，生物质气化能够利用农业废弃物等可再生资源，从而减少对化石燃料的依赖。然而，当前的研究主要集中在生物质气化与H-B工艺的结合上，而较少关注其与eNRR的整合。本文首次模拟了生物质气化与eNRR结合的新型绿色氨生产过程，为这一方向的研究提供了新的思路。

在对生物质气化与eNRR结合的工艺进行模拟时，研究团队采用了一种稳态流程图（flowsheet）的方法，并在Aspen Plus软件中进行了计算。这种软件采用了顺序模块化的方法，能够准确地模拟热和质量平衡，从而为工艺优化提供了可靠的数据支持。此外，为了提高模型的准确性，研究者们还引入了热集成的概念，通过床料循环等方式，确保系统的热效率和稳定性。

通过多目标优化，研究团队确定了该工艺在经济性和碳排放方面的最优参数。结果表明，该绿色氨生产过程的单位成本为5325.20美元/吨，而碳排放量为1.265吨二氧化碳当量/吨氨。虽然这些数值相较于H-B工艺略高，但考虑到其在碳排放方面的显著优势，这一过程仍具有较大的发展潜力。特别是，在使用可再生能源的情况下，该工艺能够实现更低的碳足迹，同时减少对传统化石燃料的依赖。

生命周期评估（LCA）是评估绿色氨生产过程环境影响的重要工具。通过对该工艺的LCA分析，研究团队发现，尽管其在中点影响类别（如全球变暖潜力、生态毒性等）上仍存在一定的劣势，但在端点影响类别（如资源消耗、土地使用等）上表现出显著的优势。这一结果表明，虽然该工艺在某些方面仍需改进，但其整体环境效益优于传统H-B工艺，特别是在减少温室气体排放和促进可再生能源利用方面。

然而，该研究也指出，当前的绿色氨生产技术仍面临诸多挑战。首先，生物质气化与eNRR的结合需要进一步的技术突破，以提高生产效率和降低能耗。其次，生物质气化过程中产生的热能和气体需要高效的回收和利用，以确保整个系统的经济可行性。此外，生物质原料的供应和收集也是一项重要任务，尤其是在中国等主要氨生产国，如何确保生物质原料的可持续供应将是未来研究的关键。

为了应对这些挑战，研究团队建议未来应探索混合系统，例如结合生物质制氢与eNRR的工艺，以进一步提高系统的经济性和环境效益。同时，还需要加强对生物质气化与eNRR结合过程的实验研究，以验证其在实际应用中的可行性。此外，政策支持和市场机制的建立也是推动绿色氨生产技术发展的重要因素。

总之，本文提出了一种结合生物质气化与eNRR的新型绿色氨生产过程，并通过实验数据和多目标优化方法对其经济性和碳排放进行了评估。研究结果表明，尽管该过程在当前阶段仍面临一定的经济和技术挑战，但其在减少碳排放和促进可再生能源利用方面具有显著优势。未来的研究应继续探索这一方向，以期实现更加环保和经济的氨生产方式，为全球可持续发展目标做出贡献。