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基于水泥厂CO2捕获的可持续尿素生产技术经济分析：聚焦热集成与电气化优化路径
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年07月01日 来源：International Journal of Hydrogen Energy 8.1
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本研究针对传统尿素生产高碳排放问题，创新性地提出通过碱性电解槽(AEL)制氢耦合MEA法捕获水泥厂CO2的绿色尿素生产路径。研究人员采用Aspen Plus和MATLAB建模，首次实现氨合成反应废热与MEA再生系统的热集成(HI)，使CO2捕获能耗降低50.4%，成本下降41.27%。该工作为2050碳中和目标提供了关键技术方案，发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。
在全球气候变化与粮食安全双重挑战下，传统尿素生产的高碳排问题日益凸显。当前尿素生产占全球CO2排放量的1.2%，主要依赖化石燃料蒸汽重整(SMR)制氢工艺，每生产1kg氢气伴随8.9kg CO2排放。随着全球尿素需求预计2030年增至3亿吨，开发绿色生产工艺迫在眉睫。丹麦技术大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表创新研究，提出通过水泥厂CO2捕获与绿色制氢相结合的可持续尿素生产新范式。
研究团队采用多学科交叉方法，主要运用三大关键技术：1）基于电化学模型的碱性电解槽(AEL)系统模拟，包含180个电解堆；2）Aspen Plus构建的MEA吸附-解吸过程动态模型，集成36级吸收塔和23级解吸塔；3）Haldor Tops?e铁基催化剂驱动的Haber-Bosch(HB)氨合成反应器与Stamicarbon尿素合成工艺的耦合优化。特别创新地开发了氨合成反应废热与MEA再生系统的热集成(HI)方案。
【热集成系统设计】
研究首次将氨合成反应器产生的42.595MW废热用于MEA溶剂再生，通过多级热交换网络将CO2富集溶液逐步加热至103.6°C。该设计使MEA工艺能耗从1.603MJ/kgCO2降至0.793MJ/kgCO2，降幅达50.4%。热集成后CO2捕获成本在2024年降低41.27%，从35.543�/ton降至18.89�/ton。
【能源系统优化】
对比六种供能方案发现：热泵(HIP)耦合HI方案最优，尿素生产能耗22.97MJ/kgurea。当采用天然气燃烧时，即使整合低温CO2捕获(CCC)技术，仍会产生0.055tonCO2/tonurea排放。研究证实AEL系统占总投资成本90.62%，电力消耗91.26%，是成本控制关键。
【工艺经济性】
技术经济分析显示：1）氧气副产品(0.971tonO2/tonurea)可显著降低成本；2）2022-2024年尿素生产成本351.83-372.96�/ton；3）MEA工艺最佳CO2捕获率为90%，过高回收率会导致能耗陡增21.88%。
该研究突破性地解决了绿色尿素生产中的能源效率瓶颈，提出的热集成方案使整体工艺能效提升至53%，较传统生物质尿素工艺提高14个百分点。研究不仅为水泥行业碳捕集利用(CCUS)提供了12.4%的减排潜力，更建立了可再生能源制氢-工业碳捕集-肥料生产的循环经济范式。特别值得注意的是，工作首次量化了不同供能方案下CO2排放成本对总成本的影响，为政策制定提供了精准数据支持。这项来自丹麦的原创研究，为全球农业碳中和提供了可复制的技术路线图。
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