糖蜜能源化：生物乙醇与合成天然气联产技术的经济环境综合评估

本研究针对化石燃料导致的温室气体排放问题，创新性地提出糖蜜联产生物乙醇与合成天然气(SNG)的集成工艺。通过Aspen Plus模拟结合TEA(技术经济分析)和LCA(生命周期评估)，发现虽成本较高(1754.15 USD/MT)，但采用水电与稻壳能源使碳效率达72%，氢生产单元贡献57%能耗与72%环境影响，为碳负排放能源系统提供新范式。

　　

在全球能源消费仍以化石燃料为主导(占比82%)的背景下，二氧化碳排放量在2023年达到36.8公吨的历史峰值，大气CO₂
浓度较工业革命前激增50%。这种严峻形势亟需开发可再生能源技术，而生物燃料因其碳循环特性成为关键突破口。其中，糖蜜作为制糖业副产品(全球年产量5688万吨)，现有发酵工艺每生产1吨生物乙醇会排放0.18吨生物源CO₂
。如何将这部分"废物"转化为能源载体，成为实现负排放系统的技术难点。

针对这一挑战，加德满都大学化学科学与工程系的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表创新研究，首次提出糖蜜联产生物乙醇与合成天然气(SNG)的集成工艺。该体系通过化学法将发酵CO₂
与绿氢转化为SNG，无需单独碳捕集装置，同时采用水电为主、稻壳为辅的混合供能模式。通过Aspen Plus流程模拟结合技术经济-环境评估(TEA-LCA)，证实该系统虽成本高于传统燃料(1754.15 USD/MT)，但碳效率达72%，其中氢生产单元贡献57%能耗与72%环境影响。稻壳替代传统燃料使酸化潜势(ARP)较煤炭降低21.07%，富营养化潜势(EP)下降88.44%，整体能源效率12.14%，为工业级碳负排放能源生产提供了可行方案。

关键技术方法包括：1)基于Ulleberg模型优化电解槽运行参数；2)Aspen Plus构建集成工艺流程(年产能生物乙醇63,981.3吨、SNG 15,562.8吨)；3)采用生命周期评价(LCA)量化环境指标；4)技术经济分析计算平准化成本(1754.15 USD/MT)与投资回报。

主要研究结果

1. 电解单元优化：升高温度可降低电极欧姆电阻，电流密度1.5 A/cm²
   时电压降至1.8V，但过高温度会加速组件老化。
2. 经济性分析：总投资( CAPEX )22.73百万美元，年运营成本( OPEX )116.83百万美元，电解槽占总成本42%。
3. 环境效益：稻壳的ARP为477.22吨SO₂
   -当量，EP为3.87吨PO₄
   ^3-
   -当量，较煤炭显著改善。
4. 能源效率：系统整体能效12.14%，氢生产单元占能耗57%，SNG合成单元贡献28%碳减排。

结论与意义
该研究通过Prabhav Thapa等开发的集成工艺，首次实现生物乙醇生产与CO₂
原位转化SNG的协同增效。虽然当前成本较高，但环境效益显著：1)创新性采用稻壳能源使EP降低76.81%；2)化学法SNG合成较生物甲烷工艺反应速率提升3倍；3)碳负排放特性为应对气候变化提供新思路。研究特别指出，未来优化电解槽效率与开发低成本氢源将成为技术突破的关键。这项来自尼泊尔团队的工作，为资源受限地区发展循环经济能源模式提供了重要参考。