化学循环一体化生物炼制厂制备硫酸盐浆木素基绿色尿素的技术评估：基于夹点技术的能效分析与概率技术经济学

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Technology assessment of a chemical looping-integrated biorefinery for green urea from kraft lignin: Pinch-based energy efficiency and probabilistic techno-economics

　　

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  kraft木质素生物炼制工厂日产绿色尿素45.28吨。
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  热集成使公用工程需求降低33.4%，每年节省455万美元。
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  绿色尿素最低销售价为0.53美元/公斤。
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  蒙特卡洛分析显示项目产生正价值的概率为71.24%。
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  绿色尿素价格是项目盈利的主要驱动因素。

引言

软木木质素是制浆生产的副产品，目前在化学回收周期的回收炉中燃烧，从而产生宝贵的生物能源，而非转化为高价值化学品[1]。这种芳香生物聚合物在很大程度上仍未被充分利用，大部分作为低价值燃料在锅炉中燃烧[2]，[3]。除了其生产高附加值芳香族化合物的潜力外，工业木质素主要用于发电和回收制浆过程中存在的无机化合物[4]，这表明这种可再生芳香资源存在严重利用不足的问题。由于日益增长的食物安全问题和人口扩张，全球对氮肥（特别是尿素）的需求持续增长。然而，传统尿素生产过程会产生大量碳排放，因为它们严重依赖能耗巨大的Haber-Bosch工艺（HBP）合成NH₃，而该工艺所使用的氨来源于化石燃料。N₂肥料行业面临严重的环境挑战，正如Meire等人[5]所指出的。为了减少碳足迹并降低对波动剧烈的天然气市场的依赖，NH₃及其衍生品的供应链需要进行部分或完全脱碳[6]，[7]。

化学链技术（CLT）已成为生态友好型化学品生产的一个革命性方法，具有提高转化效率、集成CO₂捕集和过程循环性等重要优势[8]，[9]。Avishek Goel等人表明，生物质化学链气化（BCLG）相比传统气化系统可以实现10–25%更高的效率，同时实现负生命周期CO₂排放[9]。该技术能够生产具有内在分离特性的高质量合成气，使其特别适合用于NH₃合成应用[10]，[11]，[12]。Qiang Wang等人进一步验证了CL系统在尿素合成方面的潜力。这些系统被发现在能效方面可达77.10%，远高于传统过程的能效[13]。将生物质原料集成到CL系统中正在改变可再生化学品生产领域。Gogulancea等人证实，各种生物质类型都适合作为气化原料，包括松林残留物和麦秸秆，其综合能效超过50%。这意味着生物质集成可以提供可再生碳源，并有助于开发最大化资源利用、最小化废物排放的集成生物炼制厂[14]。复杂系统的能量性能优化关键取决于通过夹点技术进行热集成分析。如N. Marzban等人[15]所强调的，先进热回收和热管理策略的整合对于智能集成生物炼制厂实现近零废物生产和自给自足的能量生成至关重要。夹点技术的系统性应用可以通过识别最佳热交换网络并减少外部能源需求，大幅提高整体过程效率。

从技术经济角度来看，集成生物炼制厂可能有助于循环经济和可持续发展目标，但其经济表现仍然强烈依赖于过程集成、产品分配和市场假设[16]。Meire等人报告称，在几种碳定价情景下，集成尿素生产系统的增量净现值为正，说明了核算环境外部性的潜在经济价值[5]。生命周期研究也表明，与石油基途径相比，集成生物炼制厂可以大幅减少温室气体排放[17]。然而，这些效益仍然对系统边界以及产品与副产品之间的环境负担分配敏感[18]。因此，关于OC稳定性、过程集成、长期运行和工业规模化的重要不确定性仍然存在[19]。

本研究提出了一种集成软木木质素制尿素生物炼制厂的评估概念，结合了CL、基于夹点的热集成和概率技术经济分析（TEA）。使用ASPEN PLUS V11建立过程物料和能量平衡，同时使用Aspen Energy Analyzer V11（AEA V11）量化热回收目标。利用MATLAB R2023a中的确定性敏感性分析和10000次迭代蒙特卡洛模拟来评估经济表现和不确定性。主要目标是估算绿色尿素的最低售价（MSP），识别主导盈利驱动因素，并量化项目风险状况。本研究的主要贡献在于在共同的工艺框架内评估热化学转化、热集成、环境性能和经济不确定性。结果提供了筛选级别的基础，用于后续的动力学建模、设备设计、实验验证和中试规模开发。

章节摘要

工艺设计

利用ASPEN PLUS V11模拟了在生物炼制厂中从软木木质素生物质残渣中集成生产绿色尿素和其他有价值的产品。以软木木质素作为生物质原料，工厂设计处理量为200吨/天。该集成工艺包括生物质分解、蒸汽气化、CLC（使用Fe₂O₃/Al₂O₃作为OC）、合成气调理、Haber-Bosch合成NH₃和绿色尿素生产。从模拟中获得的物料和能量平衡数据为

热集成

使用AEA V11进行夹点分析，以识别热回收机会并降低集成生物炼制厂的外部公用工程需求[32]，[33]，[34]。主要热源包括气化器和CL反应器的热负荷、1300°C燃烧器尾气、850°C还原器尾气、450°C H-B反应器尾气，以及来自尿素合成工段的物流。潜在冷阱包括生物质干燥和预热、蒸汽生成、反应器进料预热以及

子系统级别与已发表CLC过程模型的基准对比

完整的集成软木木质素制绿色尿素构型没有直接实验类比物，因此本研究模型在子系统层面与Miyahira和Aziz的ASPEN PLUS研究[48]进行了基准对比。两项研究均使用ASPEN PLUS V11以及含有70/30 wt% Fe₂O₃/Al₂O₃的OC，并采用基于平衡的化学反应器模型来表示主要CL反应。在850°C下，Miyahira和Aziz报告了生物质衍生燃料热力学转化为CO₂和H₂O的情况。在

局限性与未来展望

本研究提出了一种概念性工艺设计，并附带筛选级别的技术经济分析（TEA）。结果应结合建模过程中必要的假设和简化来解读。

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  平衡反应器模型：用于气化、CLC和H-B工段的Gibbs反应器基于热力学平衡。这意味着它们不考虑动力学限制。值得注意的是，H-B反应器中预测的单程NH₃转化率为约

结论

本研究在概念筛选级别评估了通过集成CL生物炼制厂将软木木质素转化为绿色尿素的技术和经济潜力。所提出的工艺日产净尿素45.28吨，预计最低售价为0.53美元/公斤，同时回收H₂、N₂和木质素衍生物固体作为副产品。基于夹点的热集成将外部公用工程需求从63.3降低至42.2 Gcal/hr（降幅33.4%），将出口产品能效从11.8%提高至14.6%，并

CRediT作者贡献声明

Youssef Aitnaceur：撰写——原始草稿、资源获取、形式分析、概念化。Anass AIT Benhamou：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、概念化。Fatima-Zahra Azar：撰写——审阅与编辑、可视化、概念化。Lokmane Abdelouahed：撰写——审阅与编辑、可视化、概念化。Nabil Grimi：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、概念化。Amine Moubarik：撰写——审阅与编辑，

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所述工作的客观性。

Youssef Aitnaceur|Anass AIT Benhamou|Fatima-Zahra Azar|Lokmane Abdelouahed|Nabil Grimi|Amine Moubarik