基于过程建模、技术经济分析和生命周期评估，评估沙特椰枣果实及其残余物集成生物/电甲醇生产路径的潜力

《Biomass and Bioenergy》：Assessing the potential of an integrated bio-/e-methanol production pathway from Saudi date palm fruit and its residues using process modelling, techno-economic analysis and life-cycle assessment

　　

• 提出并建模了利用沙特椰枣资源进行循环生物/电甲醇生产的集成路径。
• 开发了 Aspen Plus 质量-能量平衡模型，整合了乙醇发酵、DPW 气化、CO2 捕集和加氢。
• WTT-LCA 显示，在基准条件下，使用可再生电力可使 GWP100 从 19.77 降至 13.43 g CO2-eq/MJ。
• 蒙特卡洛不确定性传播（10,000 次迭代）确认，在可再生电力条件下，各情景下 GWP100 均较低。
• 技术经济结果显示，可行性受规模驱动，成本持平点约为 28.5 kt/年，盈亏平衡点约为 47.9 kt/年。

引言
全球气候危机迫切需要能源系统的转型，气候目标要求所有部门大幅减少温室气体排放。传统基于化石燃料的过程在脱碳方面仍面临挑战，尤其是在航空、海运和重工业等难以减排的关键领域，直接电气化面临显著的技术和经济障碍 [1]。低碳液体燃料，如生物燃料和电燃料，正成为这些领域深度脱碳的关键推动者，提供了能量密集、可运输且与储存兼容的替代方案，符合部门需求。

甲醇是一种前景广阔的能源载体和燃料候选物，可以连接生物源自和电力制燃料路径 [2]。当通过气化路径从高纤维素和半纤维素含量的木质纤维素生物质中生产时，甲醇相对于化石燃料可实现大幅的生命周期减排 [3]。与此同时，利用可再生氢对捕获的 CO2 进行催化加氢，能够在循环碳经济框架内实现碳的循环利用，将 CO2 从废物流转变为燃料合成的原料 [4]。这一方法对于非经合组织（OECD）国家尤其相关，因为这些国家由于温室气体增长率较高以及脱碳技术采用速度较慢，在脱碳方面面临重大挑战 [5]。

生物/电甲醇生产的技术经济可行性和环境性能受电力碳强度、CO2 来源和纯度、H2 生产成本以及过程集成程度的强烈影响 [6]。将农业残渣和生物源 CO2 流整合到共同的燃料生产系统中，可以通过回收原本会被释放的碳来提高资源和碳的利用率 [[7], [8], [9]]。

沙特阿拉伯王国（KSA）为探索这一集成方法提供了独特背景。该国是世界上最大的椰枣生产国之一，种植超过 300 个品种，拥有约 3180 万棵结果椰枣树 [10,11]。椰枣的种植和加工会产生木质纤维素残渣，包括羽状叶和叶片，而椰枣核约占果实质量的 10% [10]。此外，降级或腐败、不适合新鲜食用的椰枣含有大量可发酵糖，特别是葡萄糖和果糖，为生物转化提供了潜在原料 [12]。

先前的研究已证明，由于低级椰枣含有高含量的可发酵糖，从中生产乙醇是可行的 [13]。利用酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）可以对源自椰枣的糖液进行发酵，在优化条件下报告的乙醇浓度高达约 15% (v/v) [14] [15]。

从化学计量学角度，糖到乙醇的发酵按固定比例产生 CO2，如式 (1) 所示，产生生物源 CO2 尾气。

C6H12O6→2C2H5OH+2CO2

乙醇发酵还会产生相对集中的生物源 CO2 流，可为碳捕集与利用提供合适的点源 [16]。然而，关于基于椰枣的乙醇生产的研究通常将发酵视为独立的生物化学路径，没有系统地将发酵产生的 CO2 整合到下游催化燃料合成中。因此，回收这一物流为提高集成生物精炼厂内的碳利用率提供了机会。

与此同时，椰枣残渣，包括羽状叶、叶轴和椰枣核，提供了适合通过气化进行热化学转化的木质纤维素原料 [17] [18]。其组成与其他木质纤维素生物质资源大体相似，但灰分、氮和硫含量要求在催化燃料合成前进行适当的颗粒物和污染物去除 [18]。

气化过程将含碳生物质转化为富含 H2 和 CO 的合成气（syngas），适合下游燃料合成 [19]。实验研究已证明，从椰枣残渣生产合成气是可行的，其组成在经过适当调质后可能适合甲醇合成 [18] [20] [21]。然而，大多数研究侧重于原料表征或气化器性能，而没有将合成气生产整合到更广泛的碳管理和燃料合成框架中。

先前的研究还展示了集成生物质来源甲醇系统的技术和经济潜力。例如，Ng 和 Sadhukhan [22] 评估了一个集成的生物油气化和甲醇合成平台，该平台包含气体调质、CO2 去除、水煤气变换、甲醇合成、热回收以及替代制氢配置。

甲醇合成可通过两种互补的催化路径进行，这两种路径与集成生物精炼厂相关。第一种涉及对含有 CO、CO2 和 H2 的合成气混合物进行加氢，而第二种则是利用可再生氢直接加氢 CO2 [23]。合成气制甲醇是一个工业成熟的过程，在中等温度（约 200–300 °C）和较高压力（30–80 bar）下操作，平衡条件有利于甲醇生成 [23,24]。商用 Cu/ZnO/Al2O3 催化剂仍然是工业标杆，但它们对含硫和含氯污染物敏感，要求在生物质来源系统中进行严格的合成气净化 [25,26]。工艺配置通常包含进料压缩、带排气流的循环反应器环路以及下游冷凝和纯化阶段，以获得燃料级甲醇 [[25], [26], [27], [28]]。

CO2 直接加氢制甲醇同样采用基于 Cu 的催化剂，并在放热条件下操作，有利于在中等温度（170–230 °C）和压力（25–40 bar）下提高选择性 [29,30]。负载型 Cu 基系统报告的甲醇选择性达到 95–98%，尽管更高的压力和温度可能会引入转化率-选择性权衡 [[31], [32], [33]]。该路径的可行性很大程度上取决于可再生氢供应成本和碳强度，以及捕获、压缩、合成和分离各阶段的热管理和集成。尽管两条合成路线在技术上单独都已成熟，但它们在生物质集成循环系统中的联合部署在系统层面的评估仍然有限 [29,30]。

尽管各单独转化路径的可行性已得到证实，但仍存在若干重要的系统层面差距。第一，椰枣果实发酵、椰枣残渣气化和催化甲醇合成主要作为独立的转化路径进行研究。第二，对回收发酵产生的生物源 CO2 并将其与可再生 H2 整合用于下游电甲醇生产，同时通过合成气制生物甲醇来增值椰枣残渣，关注有限。第三，此类集成对碳利用率、环境性能和经济可行性的影响仍未得到充分了解。最后，在沙特特定的原料、物流和电力条件下，对这些互补路径的集成过程建模、技术经济分析（TEA）和全生命周期评估（WTT-LCA）仍然有限。

因此，本研究旨在评估沙特阿拉伯条件下基于椰枣的集成生物/电甲醇生产路径的技术、环境和经济性能。所提出的配置集成了三个子系统：(i) 基于发酵的高糖椰枣组分乙醇生产并捕集生物源 CO2；(ii) 木质纤维素残渣的热化学气化和调质，随后进行合成气制甲醇；(iii) 利用可再生氢驱动、使用捕获碳流的 CO2 加氢制甲醇。在统一的模拟框架内量化质量和能量流，从而系统评估碳利用效率和子系统相互依赖性。将 Aspen Plus 过程建模与 WTT LCA 和 TEA 结合，以量化物料和碳流、环境影响、生产成本、规模依赖性以及关键不确定性来源。此外还进行了情景和敏感性分析，以识别主导的环境和经济驱动因素。

本工作的新颖性在于在共同的沙特特定评估框架内对这些生物化学、热化学和 CO2 利用路径进行系统层面的集成，从而能够综合评估碳利用率、环境性能和经济可扩展性，而不是孤立地评估各个转化技术。

章节片段
方法学
该集成循环椰枣到生物/电甲醇路径在 Aspen Plus 中建模，以量化整个生物精炼厂的质量与能量流。该系统使用低级椰枣果实进行乙醇发酵（产生生物源 CO2 流），并通过气化将椰枣残渣、椰枣核和湿废物转化为合成气，两种碳流（CO2）分别通过合成气制生物甲醇和可再生氢驱动的 CO2 加氢转化为甲醇。前景清单数据源自

过程建模结果
本节展示集成椰枣生物精炼厂的过程模型结果，包括：(i) 通过发酵进行椰枣到乙醇的生产，(ii) 将椰枣废物（DPW）转化为合成气并随后进行生物甲醇合成，以及 (iii) 捕集发酵和气化过程中产生的 CO2，随后通过催化加氢转化为电甲醇。集成工厂以 1.0 t/d 的椰枣果实名义吞吐量进行评估，被划分为 0.875 t/d 的椰枣果肉进入

结论
本研究通过评估沙特阿拉伯条件下循环生物/电甲醇路径的技术、环境和经济性能，解决了集成椰枣转化路径系统层面评估有限的问题。其新颖性在于将低级椰枣发酵、椰枣残渣转化、生物源 CO2 回收以及可再生 H2 驱动的甲醇合成整合到一个共同的过程建模、WTT-LCA 和 TEA 框架中。Aspen Plus 建模量化了

CRediT 作者贡献声明
Renston Jake Fernandes：写作—审阅与编辑，写作—初稿，可视化，验证，软件，资源，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念构思。Mohammad Raghib Shakeel：写作—审阅与编辑，方法学。Ducduy Nguyen：写作—审阅与编辑。Hong G. Im：写作—审阅与编辑。James W.G. Turner：写作—审阅与编辑，监督，资源，项目管理，概念构思。

数据可用性
作者确认，支持本研究结果的数据包含在正文和补充材料中。在合理请求下，可由通讯作者提供额外的支持数据。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文报告的工作。

Renston Jake Fernandes|Mohammad Raghib Shakeel|Ducduy Nguyen|Hong G. Im|James W.G. Turner