碳捕集与封存技术对天然气制氢水足迹的影响：蒸汽甲烷重整、自热重整与天然气分解的对比研究

本研究针对低碳氢生产过程中CCS（碳捕集与封存）对水资源需求的影响这一空白领域，系统评估了SMR（蒸汽甲烷重整）、ATR（自热重整）和NGD（天然气分解）三种技术的水强度（包括取水、耗水和排水）及能效变化。结果表明，CCS会增加18-170%的水耗，其中SMR-86%配置水耗最高（23.36 L/kg-H2 ），而ATR-CCS在91%碳捕集率下仅增加19%水耗且能效损失最小（1%）。研究为水资源紧张地区的氢能部署提供了关键数据支撑。

　　

随着全球碳中和目标的推进，低碳氢能成为能源转型的关键支柱。然而，当前研究多聚焦于氢生产的温室气体排放和经济性，却鲜少关注碳捕集与封存（CCS）技术对水资源的隐性需求——这一盲点可能在水资源匮乏地区引发"绿色悖论"。尤其对于依赖化石能源制氢的国家，量化CCS对水足迹的影响已成为实现可持续氢经济的核心挑战。

针对这一空白，研究人员开展了天然气制氢水足迹的系统研究，对比分析了蒸汽甲烷重整（SMR）、自热重整（ATR）和天然气分解（NGD）三种主流技术路线在整合CCS前后的水强度变化。研究通过Aspen HYSYS v12构建了日产能607吨的氢厂模型，采用胺洗涤（DEA溶剂）进行CO₂
捕集，并创新性地将水耗细分为取水（withdrawal）、耗水（consumption）和排水（discharge）。主要技术方法包括：1）过程模拟计算质量/能量平衡；2）冷却塔水循环模型量化蒸发/风吹损失；3）Morris法和蒙特卡洛模拟进行敏感性分析；4）基于阿尔伯塔电网（90%化石能源）的基准情景与可再生能源情景对比。

研究结果揭示出四大关键发现：

1. CCS的水代价
   所有技术整合CCS后水耗显著增加，但增幅差异悬殊。SMR-86%（单胺洗涤混合处理烟气和合成气）水耗增幅达170%，而ATR-CCS仅增加25%。值得注意的是，双胺单元设计的SMR-85%虽捕获85% CO₂
   ，其水耗（18.41 L/kg-H₂
   ）仍低于SMR-86%，且避免了氮气稀释导致的氢纯度下降。

2. 技术间的博弈
   ATR展现出最优的碳-水权衡，在91%碳捕集率下维持75%的能效（仅下降1%），这得益于其独特的放热/吸热反应耦合设计。而催化热NGD-CCS虽绝对水耗最低（7.32 L/kg-H₂
   ），但单位CO₂
   捕集的水强度（4383 L/tonne-CO₂
   ）却是SMR-85%的5倍，凸显其小规模捕集系统的局限性。

3. 电力来源的杠杆效应
   等离子体NGD在化石电力基准下水耗高达22.57 L/kg-H₂
   ，但改用风电后骤降至2.99 L/kg-H₂
   ，降幅达87%。这一结果印证了"绿电+绿氢"的协同效应，但水电例外——因其水库蒸发导致水耗激增40倍，这对干旱地区具有警示意义。

4. 敏感性与优化靶点
   Morris分析显示脱矿质器溢流（demineralizer underflow）和锅炉排污（boiler blowdown）是水耗关键控制点，尤其在SMR-85%中贡献了70%的水强度变异。这提示改进水处理工艺可带来显著节水效益，而CO₂
   压缩级间冷却优化则能减少8-15%的辅助水耗。

这项发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》的研究，首次建立了CCS与氢生产水足迹的定量关联，其结论为政策制定提供了三重启示：首先，ATR-CCS应作为高碳捕集需求场景的优先选项；其次，等离子体NGD需绑定可再生能源才能发挥水效优势；最后，SMR-85%的双胺设计虽增加复杂度，但相比混合处理方案（SMR-86%）更具实际操作性。该研究不仅填补了低碳氢水足迹数据库的空白，更为水资源-能源-气候三难困境（Water-Energy-Climate Trilemma）提供了量化决策工具。

未来研究可进一步探索非胺类捕集技术（如化学循环）的水效提升潜力，以及将废水回用整合到氢厂水管理系统中的可行性。正如作者强调的，在"氢能竞赛"中，唯有同时考量碳足迹和水足迹的技术路线，才能真正实现可持续的能源转型。