模块化生物能源耦合碳捕集利用与封存技术：纺织废料价值化的环境生命周期评估与技术经济分析

《BioEnergy Research》：Environmental Life Cycle Assessment and Techno-Economic Analysis of Textile Waste Valorization via Modular Bioenergy with Carbon Capture, Utilization, and Storage

本研究针对全球每年9200万吨纺织废料造成的环境压力，创新性地提出采用模块化生物能源耦合碳捕集利用与封存(BECCS)技术进行价值化。通过对比100%棉与50/50棉-聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)混纺两种典型废料，研究发现含CCS的50/50棉-PET方案平准化电力成本最低(0.17美元/千瓦时)，而100%棉方案的碳移除成本最优(329美元/吨CO2e)。生命周期评估显示所有价值化方案的环境影响均显著优于传统填埋，为纺织废料资源化提供了关键技术路径。

　　

每年全球产生超过9200万吨纺织废料，仅美国就丢弃1700万吨，这些废弃纺织品通常含有约50%生物质来源的纤维素纤维和50%化石碳源的合成纤维。传统填埋处理方式不仅占用土地资源，还会释放甲烷等温室气体，而现有回收技术难以有效处理混合纤维材料。在这一背景下，北卡罗来纳州立大学的研究团队在《BioEnergy Research》发表了一项创新研究，探讨通过模块化生物能源耦合碳捕集利用和封存(BECCS)技术实现纺织废料价值化的可行性。

为系统评估该技术的综合效益，研究人员设计了五种情景进行对比：100%棉与50/50棉-PET混纺的燃烧发电方案（分别设置有无CCS系统），以及传统填埋基准情景。研究采用生命周期评估(LCA)和技术经济分析(TEA)方法，以日处理100吨纺织废料的模块化系统为规模，量化了平准化电力成本(LCOE)和二氧化碳移除成本等关键指标。

研究方法主要包括三个核心部分：基于Aspen Plus平台的能源生产过程模拟(A100)、二氧化碳捕集与储存过程建模(A200)，以及符合ISO 14044标准的全生命周期环境影响评估。能源生产环节通过吉布斯自由能最小化原理模拟燃烧反应，采用RKS-BM热力学方法处理高温非理想气体；碳捕集环节基于单乙醇胺(MEA)吸收法，并计入NaOH和活性炭的消耗；生命周期评估则采用TRACI 2.1方法学，涵盖全球变暖潜能、酸化潜力、生态毒性等十一类环境影响指标。

生命周期评估结果

研究发现，100%棉纺织废料在无CCS情况下处理时，系统每天消耗21,456千瓦时电力，产生80,880千瓦时剩余电力，其生物源CO₂排放可通过光合作用固定实现碳中和。添加CCS后，虽然电力消耗增加22,310千瓦时/天，但能捕获155吨生物源CO₂，实现-48,533吨CO₂e/年的净碳移除。相比之下，50/50棉-PET混纺材料因含有化石碳成分，其CCS方案仅能实现-22,523吨CO₂e/年的净碳移除，碳移除效率为59%，显著低于100%棉方案的91%。

TRACI影响评估显示，CCS方案在大多数环境指标上优于非CCS燃烧和填埋处理，但因MEA降解产生的氨排放导致酸化潜力较高。生态毒性影响主要来自MEA生产过程，而呼吸系统影响则与PM_2.5前体物排放相关。总体而言，所有价值化方案的环境表现均显著优于传统填埋。

技术经济分析结果

经济性分析表明，50/50棉-PET混合废料在CCS情景下具有最低的LCOE（0.17美元/千瓦时），这得益于PET较高的能量密度和可观的CO₂销售收入。而100%棉废料的CCS方案LCOE最高（0.29美元/千瓦时），主要受限于较低的能量密度和较高的资本支出。就碳管理成本而言，100%棉废料的碳移除成本为329美元/吨CO₂e，远低于50/50棉-PET混纺的777美元/吨CO₂e，这凸显了生物碳与化石碳在碳移除效益上的本质差异。

敏感性分析识别出三个关键影响因素：生物质处理规模（规模效应）、CO₂售价（收益来源）和项目周期（投资回收）。当CO₂价格达到150美元/吨时，在美国多数地区项目可实现盈亏平衡。模块化系统因规模较小面临较高的单位投资成本，这需要通过技术创新和政策激励来克服。

研究结论与意义

该研究证实了纺织废料作为BECCS原料的可行性，为分布式废物管理提供了新技术路径。从环境效益看，纺织废料价值化路径全面优于传统填埋；从经济性看，项目的可行性高度依赖碳定价政策和规模效应。特别值得注意的是，纯棉废料在碳移除效率(91%)和成本(329美元/吨CO₂e)方面的优势，为高附加值碳信用产品开发提供了可能。

这项研究首次系统评估了纺织废料通过BECCS技术实现价值化的综合效益，为循环经济和碳负排放技术提供了重要案例参考。未来研究可进一步探索不同纤维组合的优化、更高效的碳捕集溶剂，以及政策激励与商业模式的创新，以推动该技术从实验室走向产业化应用。