基于模块化核能电解与CO2捕获的甲醇合成技术经济评估

本研究针对传统甲醇生产高碳排放问题，创新性提出采用第四代微型模块化反应堆（MMR）核能驱动电解制氢，结合直接空气捕获（DAC）、工业尾气碳捕集（CCU）等技术合成甲醇。通过Aspen HYSYS模拟和全生命周期评估，证实该工艺可实现-0.94至-1.06 kgCO2-eq/kgMeOH的负碳排放，单位成本最低1283$/t，为碳中和目标下化工行业转型提供关键技术路径。

　　

在全球气候变暖与碳中和目标的双重压力下，传统甲醇生产面临严峻挑战。目前98%的甲醇依赖化石燃料生产，每吨产品排放0.5-4.3 kgCO₂-eq，而全球年需求量预计2030年将达1.9亿吨。如何实现甲醇生产的低碳化转型，成为化工领域亟待解决的难题。

米兰理工大学（Politecnico di Milano）"Giulio Natta"化学材料与化学工程系的研究团队提出革命性解决方案：利用第四代微型模块化核反应堆（Micro-Modular Reactor, MMR）供电，结合电解水制氢与三种CO₂捕获技术（直接空气捕获DAC、工业尾气CCU、零成本CO₂），构建碳中和甲醇生产体系。这项发表在《Journal of CO₂ Utilization》的研究，通过技术经济评估与生命周期分析，证实该工艺不仅实现负碳排放，更在能源效率与经济性方面取得突破。

研究采用Aspen HYSYS V11流程模拟软件，基于Peng-Robinson状态方程建立全流程模型。关键技术包括：（1）碱性电解槽（53.39 kWh/kgH₂）与MMR核电池（45 MW_th/单元）耦合；（2）双床层反应器系统（GHSV=5000 h^-1）采用Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂；（3）基于Vanden Bussche动力学模型的甲醇合成优化；（4）热集成设计利用反应热驱动精馏塔再沸器。

研究结果揭示：

1. 1.

   能量效率方面：核能-电解路径整体效率达18-19%，虽低于传统天然气工艺（65%），但CO₂减排效果显著。Brayton循环38%的发电效率是主要能量损失环节。

2. 2.

   环境效益方面：DAC方案实现-0.94 kgCO₂-eq/kgMeOH，CCU方案达-1.06 kgCO₂-eq，较传统工艺减排2-5倍。核电池仅排放11.5 gCO₂/kWh，远低于风电（17 g）和光伏（34 g）。

3. 3.

   经济性方面：30年运营期下，DAC方案的甲醇平准化成本（LCOP）为1809/t，CCU方案降至1392/t，基准方案（零成本CO₂）达1283$/t。出售副产氧气（45.2 kt/y）和碳信用可降低23%成本。

该研究的创新价值在于：首次系统评估核能驱动甲醇合成的技术经济性，证实MMR电池与化工生产的兼容性。通过热力学与动力学耦合优化，将反应器操作压力降至70 bar，同时维持93%的CO₂转化率。研究提出的碳避免成本（CCA）指标显示，CCU方案仅需563$/tCO₂，较可再生能源路径降低47%，为政策制定提供量化依据。尽管当前成本仍高于传统工艺，但随着核电池小型化、电解槽技术进步及碳价上升，该技术路线有望在2030年后具备商业竞争力，成为化工行业深度脱碳的关键选择。