通过化学循环燃烧增强熔盐甲烷热解的生命周期评估，以实现可持续的氢气和碳生产

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Life cycle assessment of molten salt methane pyrolysis enhanced by chemical looping combustion for sustainable hydrogen and carbon production

熔盐甲烷热解与化学 looping 燃烧耦合实现氢碳电三联产，系统热效率达85.06%，生命周期碳排放较传统工艺降低87%，氢产碳排放强度仅0.44-0.58 kg CO2eq/kg H2。通过优化原料气转化率、提纯技术及清洁能源供电，可进一步降低碳排放。

　　在当前全球对气候变化问题日益关注的背景下，绿色低碳技术的开发与应用成为能源转型的重要方向。氢能源因其清洁、低碳、高能量密度以及来源多样等特性，被认为是未来能源体系中最具潜力的替代方案之一。然而，传统氢生产方法主要依赖于化石燃料的气化或重整过程，这不仅导致大量的二氧化碳排放，还与全球绿色发展的目标相悖。因此，寻找一种既能实现高效氢生产，又能有效减少碳排放的新型技术，成为科研人员和产业界共同关注的焦点。

近年来，甲烷热解技术因其在解决催化剂碳沉积失活问题方面的优势，以及在生产过程中不直接排放二氧化碳的特点，受到广泛关注。该技术被视为从化石燃料向可再生能源制氢过渡的重要桥梁。尽管热解反应本身不产生二氧化碳排放，但维持反应所需的高温和能源输入却间接导致了温室气体的排放。为了克服这一缺陷，研究者开始探索将化学循环燃烧技术（Chemical Looping Combustion, CLC）的固有碳分离能力引入甲烷热解过程中，从而实现热解反应和能源供应环节的零碳排放目标。

从热力学角度来看，该系统能够实现氢、电和碳的三联产，其能源利用效率可达85.06%，而生命周期碳排放（Life Cycle Emissions, LCE）约为83.28 kg CO? eq./kg MWh。相较于传统的单一产品系统，该系统在碳排放减少方面表现出显著优势，其LCE降低率可达87%。根据分配原则，该多联产系统的LCE在各子系统之间进行合理分配，其中与氢生产相关的碳排放仅为0.44至0.58 kg CO? eq./kg H?，远低于其他天然气制氢技术的碳排放水平。此外，通过提高原料气体的转化率、优化碳提取技术以及使用清洁能源进行天然气和二氧化碳管道运输，可以进一步降低LCE。例如，利用风能、水能、太阳能和核能等清洁能源作为能源供应，相较于燃煤系统，可使LCE降低超过40%。

尽管甲烷热解技术在解决催化剂碳沉积和失活问题方面表现出色，能够实现连续的低碳氢生产，但目前的研究仍存在系统性评估不足的问题。在热解过程中，保持催化剂处于熔融状态需要持续的能源供应，这种间接的能源消耗又导致了温室气体的产生，从而削弱了该技术“零碳制氢”的主张。理论上，通过二氧化碳捕集与封存技术（Carbon Capture and Storage, CCS）可以进一步减少碳排放，但该技术带来的8%至15%的能源损失成为其商业化推广的重要障碍。此外，虽然热解技术能够同时生产氢和碳材料，但经常忽视碳材料生产过程中产生的碳排放，导致预期的减排效果与实际结果之间存在偏差。同时，尽管甲烷热解的能源消耗相对较低，但其单位甲烷的氢产率仅为甲烷蒸汽重整（Steam Methane Reforming, SMR）过程的一半，因此从生命周期的角度来看，有必要对碳排放进行更全面的分析。

基于上述挑战，本文提出了一种融合甲烷热解与化学循环燃烧技术的氢碳多联产系统（MMP-CLC）。该系统通过将第二代碳捕集技术——化学循环燃烧技术——与熔盐甲烷热解过程相结合，有效利用PSA单元的废气，实现加热过程中的零碳排放。由于甲烷热解反应本身不产生任何碳氧化物排放，整个系统有望达到完全的碳中和目标。这一技术路径在当前推动碳达峰和碳中和的背景下展现出广阔的应用前景。

在设计概念和工艺流程方面，该系统采用熔盐作为热传导介质和催化剂。熔盐的独特性质和均相催化能力确保了活性成分的均匀分布，避免了传统催化裂解过程中常见的碳沉积和催化剂失活问题。此外，熔盐的使用还能够实现更高效的热量传递和反应控制，从而提高整体的能源利用效率。熔盐作为催化剂的另一个优势在于其较低的成本和较高的水溶性，同时在碳材料中不溶解，有助于保持碳产品的纯度。

在系统集成方面，本文提出了一种将化学循环燃烧技术与熔盐甲烷热解过程相结合的方案。该方案不仅能够有效利用化学循环燃烧过程中产生的废气，还能够通过优化反应路径和能源供应方式，进一步减少碳排放。例如，在化学循环燃烧过程中，通过控制燃烧反应的条件，可以将部分废气作为热源用于甲烷热解反应，从而实现能源的高效利用。同时，该系统还能够通过优化催化剂的使用方式，提高氢的产率，减少碳材料的生产成本。

在经济分析方面，本文评估了该系统在不同能源供应方式下的经济可行性。研究结果表明，在碳产品价格为296欧元/吨、碳税为50欧元/吨的条件下，利用部分碳产品燃烧为甲烷热解过程提供能源的氢生产成本与配备碳捕集的SMR过程相比具有竞争力。此外，研究还指出，碳产品价格为296欧元/吨是一个相对保守的估计，远低于此前500至4,000欧元/吨的估算。这表明，该系统在经济上具有较大的发展潜力，特别是在与可再生能源结合的情况下。

在技术路径的优化方面，本文提出了一系列关键措施。例如，通过提高催化剂的活性和稳定性，可以有效延长其使用寿命，减少催化剂更换和再生的频率。同时，通过优化气体泡分散技术，可以提高气液接触面积，从而增强反应效率。此外，通过引入先进的碳提取和纯化技术，可以进一步提高碳产品的纯度，减少后续处理的能耗和成本。这些措施不仅有助于提高系统的整体性能，还能够进一步降低碳排放，提高能源利用效率。

在系统集成和优化过程中，本文还强调了对关键参数的深入研究。例如，研究了反应温度、催化剂种类、气体流速等因素对碳排放的影响，并提出了相应的优化策略。通过调整这些参数，可以实现更高效的反应过程，同时减少碳排放。此外，本文还探讨了如何将甲烷热解技术与化学循环燃烧技术进行有效结合，以实现更全面的碳中和目标。例如，在化学循环燃烧过程中，通过控制燃烧反应的条件，可以将部分废气作为热源用于甲烷热解反应，从而实现能源的高效利用。

在未来的研究方向上，本文指出，目前甲烷热解和化学循环燃烧技术仍处于试点规模扩大的阶段，计划在未来几年内建设多个示范装置。然而，在实现商业化应用之前，仍需解决一系列关键问题。例如，对于甲烷热解技术，需要进一步开发高效、稳定的催化系统，并优化气体泡分散技术，以提高反应效率和碳产品的纯度。对于化学循环燃烧技术，需要进一步优化其在不同应用场景下的适应性，并提高其在能源供应和碳捕集方面的协同效应。

此外，本文还强调了对系统整体性能的综合评估。通过引入生命周期分析（Life Cycle Assessment, LCA）方法，可以全面评估该系统在不同阶段的碳排放情况，从而为优化能源利用和减少碳排放提供科学依据。LCA方法不仅能够帮助识别系统中的关键排放环节，还能够为制定更有效的减排策略提供支持。例如，通过分析系统中各个子系统的碳排放情况，可以确定哪些环节需要重点优化，以实现更低的碳排放和更高的能源利用效率。

在技术路径的优化过程中，本文还提出了一些具体的措施。例如，通过提高催化剂的活性和稳定性，可以有效延长其使用寿命，减少催化剂更换和再生的频率。同时，通过优化气体泡分散技术，可以提高气液接触面积，从而增强反应效率。此外，通过引入先进的碳提取和纯化技术，可以进一步提高碳产品的纯度，减少后续处理的能耗和成本。这些措施不仅有助于提高系统的整体性能，还能够进一步降低碳排放，提高能源利用效率。

在未来的应用前景方面，本文指出，该技术有望成为实现碳中和目标的重要手段。通过将第二代碳捕集技术与甲烷热解过程相结合，不仅可以实现氢、电和碳的三联产，还能够有效减少整个系统的碳排放。此外，该技术在与可再生能源结合的情况下，展现出更大的发展潜力。例如，利用太阳能作为能源供应，可以进一步提高系统的可持续性和经济可行性。同时，该技术在与风能、水能等清洁能源结合的情况下，也能够实现更低的碳排放和更高的能源利用效率。

在系统设计和优化过程中，本文还强调了对关键参数的深入研究。例如，研究了反应温度、催化剂种类、气体流速等因素对碳排放的影响，并提出了相应的优化策略。通过调整这些参数，可以实现更高效的反应过程，同时减少碳排放。此外，本文还探讨了如何将甲烷热解技术与化学循环燃烧技术进行有效结合，以实现更全面的碳中和目标。例如，在化学循环燃烧过程中，通过控制燃烧反应的条件，可以将部分废气作为热源用于甲烷热解反应，从而实现能源的高效利用。

在技术路径的优化过程中，本文还提出了一些具体的措施。例如，通过提高催化剂的活性和稳定性，可以有效延长其使用寿命，减少催化剂更换和再生的频率。同时，通过优化气体泡分散技术，可以提高气液接触面积，从而增强反应效率。此外，通过引入先进的碳提取和纯化技术，可以进一步提高碳产品的纯度，减少后续处理的能耗和成本。这些措施不仅有助于提高系统的整体性能，还能够进一步降低碳排放，提高能源利用效率。

在未来的应用前景方面，本文指出，该技术有望成为实现碳中和目标的重要手段。通过将第二代碳捕集技术与甲烷热解过程相结合，不仅可以实现氢、电和碳的三联产，还能够有效减少整个系统的碳排放。此外，该技术在与可再生能源结合的情况下，展现出更大的发展潜力。例如，利用太阳能作为能源供应，可以进一步提高系统的可持续性和经济可行性。同时，该技术在与风能、水能等清洁能源结合的情况下，也能够实现更低的碳排放和更高的能源利用效率。

在系统设计和优化过程中，本文还强调了对关键参数的深入研究。例如，研究了反应温度、催化剂种类、气体流速等因素对碳排放的影响，并提出了相应的优化策略。通过调整这些参数，可以实现更高效的反应过程，同时减少碳排放。此外，本文还探讨了如何将甲烷热解技术与化学循环燃烧技术进行有效结合，以实现更全面的碳中和目标。例如，在化学循环燃烧过程中，通过控制燃烧反应的条件，可以将部分废气作为热源用于甲烷热解反应，从而实现能源的高效利用。

综上所述，本文提出的融合甲烷热解与化学循环燃烧技术的氢碳多联产系统，不仅在技术上具有可行性，而且在经济和环境效益方面也表现出显著优势。通过将第二代碳捕集技术引入该系统，可以实现零碳排放的目标，为实现碳达峰和碳中和提供了一种新的技术路径。此外，该系统在与可再生能源结合的情况下，展现出更大的发展潜力，有望成为未来氢能源生产的重要方向。通过进一步优化催化剂性能、气体泡分散技术以及碳提取和纯化技术，可以进一步提高系统的整体性能，降低碳排放，实现更高效的能源利用。