关于将农业工业中的二氧化碳排放源作为化学品和材料原料的可行性研究及思考

《Sustainable Energy & Fuels》：Feasibility study and reflection on agro-industrial CO2 point sources as feedstock for chemicals and materials

碳捕获与利用技术下糖蜜和甜菜根渣生产乙醇与甲醇的经济及环境效益分析。研究显示乙醇生产成本1738欧元/吨，甲醇1056欧元/吨，主要成本为电力消耗。通过补贴或可再生能源成本下降可部分降低成本。糖 beet 工厂副产物可满足荷兰50%的乙烯基塑料需求，减少CO2排放752万吨/年，相当于16.4万公顷森林的固碳量。

　　
糖 beet 工厂侧流中的二氧化碳资源化利用及化学品生产潜力研究

一、研究背景与意义
随着全球碳中和目标的推进，开发可持续的碳源利用技术成为关键课题。传统方法依赖化石能源转化，而农业废弃物中的二氧化碳资源化利用具有显著的环境效益。以荷兰糖 beet 产业为例，其年处理量达730万吨，产生的糖蜜发酵和甜菜渣厌氧消化过程可产生大量二氧化碳侧流。本研究通过经济与环境双重评估，探索这些侧流资源在化学品生产中的可行性，为农业-工业协同减排提供新路径。

二、技术路线与实施方法
研究聚焦两大技术路径：小规模乙醇发酵与大规模甲醇合成。乙醇生产采用气发酵工艺，将二氧化碳与一氧化碳在微生物作用下转化为乙醇，过程中需配套电解水制氢系统。甲醇生产则通过逆水煤气变换（RWGS）制备一氧化碳，再经甲烷合成反应生产甲醇。经济评估基于2024年成本数据，采用全生命周期成本核算模型，涵盖设备投资与运营成本。

三、经济可行性分析
1. 成本构成对比
乙醇生产成本达1738欧元/吨，显著高于传统糖蜜发酵法（452欧元/吨）。主要成本源于：
- 电解水制氢（550欧元/吨合成气）
- 气体传质设备（1425欧元/吨乙醇）
- 精馏分离系统（153.8欧元/吨乙醇）

甲醇生产成本为1058欧元/吨，虽低于乙醇，但仍高于化石基甲醇（381欧元/吨）。关键成本要素包括：
- RWGS反应器（88.6欧元/吨CO）
- 甲烷合成催化剂（384.9欧元/吨甲醇）
- 二氧化碳压缩（21.3美元/吨）

2. 情景敏感性分析
- 能源过剩情景：通过风光互补降低电价50%，乙醇成本降至1380欧元/吨，甲醇降至845欧元/吨
- 存储缓冲方案：引入每日气柜储能，乙醇成本降低24%（至1330欧元/吨）
- 政策干预：实施189欧元/吨CO?税，甲醇经济性接近化石基产品

四、环境效益评估
1. 碳汇能力对比
研究显示，糖 beet 工厂侧流年均可捕获279万吨CO?，相当于164,000公顷森林的固碳量。在2050碳中和目标下，该产业可承担荷兰总排放量的4.7%，相当于减少40%现有森林保护需求。

2. 塑料替代潜力
通过乙醇生产乙烯，可替代荷兰现有638万吨/年的乙烯需求（占塑料总消费量33.6%）。在50%塑料回收率与15%包装减量政策下，乙醇需求量降至524万吨/年，当前侧流产能可满足25%需求，在CCU技术优化后可达50%。

五、产业协同发展路径
1. 空间布局优化
荷兰现有两座大型糖厂，通过建立区域碳汇网络，可将运输距离控制在60公里以内。经测算，压缩与运输成本占总成本8.7%（压缩21.3美元/吨，海运0.039欧元/吨·公里）。

2. 技术迭代空间
气发酵技术转化效率达55%，但反应器体积庞大（需1000立方米级设备）。未来通过催化剂优化可将转化率提升至70%，同时降低设备投资30%。

3. 政策支持策略
建议分阶段实施：
- 碳税递增机制（每年5%）
- 产业补贴过渡期（2030-2035）
- 碳抵消认证制度（CCU产品获双倍碳信用）

六、全球适用性评估
研究模型已扩展至欧盟市场，总侧流潜力达3.4亿吨乙醇/年，可满足欧盟28国38%的乙烯需求。热带地区（如巴西）因光照充足，电解槽投资回报周期可缩短至6年，建议优先布局。

七、结论与建议
1. 技术经济性突破点
- 降本空间：电解槽成本占甲醇总成本62%，通过可再生能源电力（当前50欧元/MWh）可降低至45%
- 产能释放：当前设备利用率不足30%，通过模块化扩建可提升至80%
- 副产物利用：发酵残留物（占干重87.8%）可开发为生物炭，提升碳封存效率

2. 产业升级路线图
建议实施三阶段发展：
- 碳汇验证期（2025-2027）：建立5个示范项目，验证侧流收集技术
- 规模化推进期（2028-2032）：政府补贴设备投资30%，年产能提升至200万吨
- 自主运营期（2033-）：碳交易收益覆盖70%运营成本

3. 环境经济协同
通过碳税反哺技术研发，预计2035年乙醇生产成本可降至1200欧元/吨，实现与化石基产品平价。同步建立碳汇银行制度，允许企业将侧流碳汇量抵扣30%排放指标。

本研究为农业废弃物资源化提供了可复制的技术模板，证实通过政策引导与技术突破，可使CCU产业在2030年前实现盈亏平衡，为全球碳中和进程贡献农业端解决方案。后续研究应着重催化剂开发与系统集成优化，重点突破气发酵转化率瓶颈（当前55%→目标75%）和RWGS热效率提升（当前65%→目标80%）。