集成GTL-尿素生产设施的技术经济评估：基于内部氢气与PEM电解氢的协同减排与效益优化研究

本研究针对GTL(气转液)和化工制造领域的脱碳挑战，创新性地评估了集成FT尾气制氢与PEM电解制氢的GTL-尿素联合设施。通过ASPEN Plus模拟发现，利用内部氢气可降低4%设备成本(节省1.1亿美元)，年利润提升32%至5.43亿美元，同时碳效率达84%，CO2排放从180吨/时降至135吨/时，为工业脱碳提供了可持续路径。

　　

在全球工业部门贡献79%人为温室气体排放的背景下，GTL(气转液)和尿素生产等高碳行业面临严峻的脱碳压力。传统工艺中，费托合成(FT)尾气(TG)常被直接燃烧，而空气分离装置(ASU)产生的氮气94%被排放，造成资源浪费和环境污染。与此同时，绿色氢能虽被视为解决方案，但质子交换膜(PEM)电解技术的高能耗(335MW电力/9吨H₂)和基础设施成本制约其经济性。针对这些矛盾，研究人员在《Journal of CO2 Utilization》发表的研究通过创新工艺整合，提出了兼顾经济效益与环境效益的优化方案。

研究团队采用ASPEN Plus流程模拟技术，建立包含自热重整(ATR)、FT反应器、WGS反应器等单元的集成模型，结合Peng-Robinson物性方法和Gibbs反应器进行热力学平衡计算。关键技术包括：1)基于Iglesia动力学的CSTR反应器模拟FT合成；2)压力摆动吸附(PSA)氢纯化；3)固体吸附剂CO₂捕集；4)多场景经济评估(含15种配置对比)。研究数据验证采用Haldor Topsoe中试装置数据，最大误差<2%。

研究结果显示：

1. 工艺集成：将FT尾气通过WGS反应转化CO为H₂(增加56%氢摩尔分数)，与ASU氮气协同生产尿素，实现碳效率84%，较基准方案提升3个百分点。
2. 经济性对比：9吨/时内部氢方案设备成本降低4%(2.47亿vs 2.58亿美元)，年利润达5.43亿，较基准提高32%；而PEM方案因电解设备(需1674亩光伏用地)导致成本增加15%。
3. 排放分析：内部氢方案CO₂排放135吨/时，虽比PEM方案高14吨，但通过尾气全利用(99%)可节省燃料气1485→286 kmol/h，总体减排45吨/时。
4. 最优配置：9吨/时内部氢+高比例尾气入ATR(6050 kmol/h)组合，在利润指数(132)和减排(135吨CO₂e/h)间取得最佳平衡。

结论部分强调，该集成方案通过"碳-氢-氮"循环利用创造了三重价值：1)将传统废弃物转化为尿素原料；2)减少34-55吨/时CO₂排放；3)实现4%的CAPEX节约。特别值得注意的是，研究发现当前技术条件下内部氢方案更具经济竞争力，而PEM方案在碳税政策实施后可能逆转优势。该研究为工业设施低碳转型提供了可量化的技术路线选择框架，对实现《巴黎协定》目标具有实践指导意义。