亲水性低共熔溶剂作为溶解浆生产经济可行的绿色替代方案的技术经济分析

《Journal of Bioresources and Bioproducts》：Techno-Economic Analysis of Hydrophilic Deep Eutectic Solvents As a Cost-Effective Green Alternative for Dissolving Pulp Production

　　

本研究评估了一种无硫生物基亲水性低共熔溶剂（deep eutectic solvent, DES）制浆技术，将其作为预水解硫酸盐法（pre-hydrolysis Kraft, PHK）生产高质量溶解浆（dissolving pulp, DP）的可持续替代方案。研究人员通过严格的流程模拟支持，开展了技术经济分析（techno-economic analysis, TEA），并采用折现现金流回报率（discounted cash flow rate of return, DCFROR）分析方法评估了基于亲水性DES制浆的可行性。结果表明，与PHK工艺相比，制浆得率相当（每吨木材295–302 kg）。然而，溶剂回收因其高能耗需求成为主要的经济瓶颈，显著影响了动力站相关成本。在旨在降低DES用量和能耗的评估配置中，在DES蒸煮前引入预水解步骤可获得最优的经济性能，最低售价（minimum selling price, MSP）为1 330元（美元）·每风干公吨（air-dry metric ton, ADmt）。不确定性分析确定了天然气价格和DES损失是影响经济可行性的最关键参数。在特定的操作和市场条件下，基于亲水性DES的制浆工艺可与PHK工艺竞争。从环境角度看，更换回收锅炉可减少高达60%的碳排放（2.46 mt CO₂ eq·每ADmt DP）。然而，经济性能最佳的方案并非碳足迹最低的方案，凸显了经济与环境目标之间的权衡关系。总体而言，本研究识别了与亲水性DES制浆相关的关键经济驱动因素和环境热点，并基于敏感性和不确定性分析提出了提升工艺性能及支持未来工业实施的策略。

**论文解读**

**一、研究背景与目的**

硫酸盐法（Kraft工艺）是全球应用最广泛的制浆方法。溶解浆（dissolving pulp, DP）作为其特种产品，因具有高纤维素含量（>95%），广泛用于再生纤维素（如莱赛尔纤维和粘胶纤维）及纤维素衍生物（如醋酸纤维素和硝酸纤维素）的制造，应用于纺织、涂料和制药等领域。全球木基DP年产量在2026年达到1 939万风干公吨（ADmt），巴西、中国和印度尼西亚是使用原生纤维的主要生产国。DP生产通常采用在常规硫酸盐工艺中引入预水解步骤（即预水解硫酸盐法，PHK），以去除半纤维素；或者采用亚硫酸盐制浆路线。然而，PHK工艺依赖白液中具强腐蚀性的化学品（如Na₂S和NaOH），造成水和空气污染。美国纸浆与造纸工业是碳密集型行业，年排放超过1.5亿吨CO₂，约占工业总排放的2.5%。其中，回收锅炉是CO₂排放的主要来源，占总排放的65%，同时通过黑液燃烧提供约58%的工艺热能。因此亟待开发更可持续的制浆技术以降低温室气体（greenhouse gas, GHG）排放。

低共熔溶剂（deep eutectic solvent, DES）因其生物来源、低毒性和内在可生物降解性，在木质纤维素加工领域引起广泛关注。基于氯化胆碱（choline chloride, ChCl）和乳酸（lactic acid, LA）的亲水性DES体系对木本生物质表现出高脱木素效率。然而，尽管对DES制浆已有大量研究，多数仍局限于实验室规模，对放大生产和经济可行性的关注有限。现有技术经济评估（TEA）很少涉及DES在纸浆与造纸工业中用于DP生产。本研究通过整合严格的流程模拟与TEA，评估了亲水性DES对阔叶木制浆生产DP作为PHK工艺替代方案的经济可行性，填补了这一知识空白。研究提出五种方案以通过探索和优化操作条件降低DP的最低售价（MSP），重点关注DES回收、DES用量和能耗等关键成本驱动因素，并开展敏感性分析、不确定性分析及碳足迹评估。

**二、主要技术与方法**

研究人员使用Aspen Plus v12.1软件对亲水性DES制浆工艺进行设计和模拟，以实验室获得的实验结果（得率、转化率、进料比等）作为输入数据。研究提出五种工艺模型（Sc1–Sc5），比较DES负载量、纸浆洗涤配置和DES回收方式等参数。所有方案均假设日处理规模为2 250绝干公吨（oven-dry metric ton, ODmt）阔叶木（杨木属，含水率50%）。非随机双液体（NRTL）热力学模型用于液相活度系数计算，Soave–Redlich–Kwong状态方程用于描述气相组分逸度。经济分析基于严格的物料和能量平衡，采用DCFROR方法计算生产1 ADmt DP的最低售价。生命周期评价（LCA）遵循ISO 14040和14044标准，采用TRACI v2.1影响评价方法，功能单位为1 ADmt DP。敏感性分析涵盖单变量和多变量分析；不确定性分析采用Monte Carlo模拟（10 000次迭代）量化MSP和全球变暖潜能值（global warming potential, GWP）的变异性。样本来源为美国阔叶木（杨木属）原料。

**三、主要研究结果**

**（一）技术经济评估**

各方案的DP产量保持相对一致，平均得率约为每ODmt木材300 kg，与PHK阔叶木制浆得率相当。Sc1使用乙醇作为共溶剂进行纸浆洗涤，但蒸馏塔消耗占总能耗的87%，蒸汽需求高达每ADmt纸浆180 mt，是常规硫酸盐法的18倍。Sc2改用纯水洗涤，消除了蒸馏塔需求，但MSP升至1 830元（美元）·每ADmt。Sc3通过增加至六段洗涤器改善了洗涤性能，提高了DES回收率并减少了DES补充量，MSP降至1 520元（美元）·每ADmt。Sc4引入预水解步骤，将DES用量从1:10降至1:8（木料与DES质量比），尽管预水解增加了能耗，但DES成本降低20%，MSP降至1 330元（美元）·每ADmt，为所有方案中最低。Sc5采用超滤（ultrafiltration, UF）膜技术进行 lignin 分离和DES回收，减少了蒸发器能耗47%，但膜组件运行导致电力需求增加三倍以上，MSP回升至1 500元（美元）·每ADmt。总体而言，过程的能量强度是影响MSP的最关键成本驱动因素，天然气作为外部燃料满足能量需求，影响燃料成本、动力站容量和电力盈余收益。

**（二）敏感性与不确定性分析**

敏感性分析表明，在Sc4中，降低木料与DES比例至1:4的可将MSP降低22%，甚至低于参考市场价格1 100元（美元）·每ADmt。电力售价提高40%可降低MSP 31%，天然气价格降低40%可降低MSP 21%。多变量分析显示，在10%内部收益率下，需至少9.3美分/kWh的电力售价才能达到市场竞争力MSP；在加工规模超过890 ODmt/d时可实现经济可行性。不确定性分析确定了不同配置的差异化变异来源：高能耗场景中天然气价格波动是MSP离散的主导因素，而低蒸汽需求配置中DES损失是主要变异性来源。Monte Carlo模拟显示，Sc4获得低于基准价格1 100元（美元）·每ADmt的概率约为20.3%，为所有方案中最高。Tukey诚实显著性差异（HSD）检验确认所有方案的MSP在统计上显著不同。

**（三）环境影响评估**

动力站燃料燃烧（树皮和天然气）的直接排放占所有方案总GWP的41%–66%。环境信用抵消了高达86%的环境影响，Sc3的净GWP为1.91 mt CO₂ eq·每功能单位，是唯一与参考值竞争的方案，相比PHK工艺减排60%（节省2.46 mt CO₂ eq·每功能单位）。Monte Carlo不确定性分析显示Sc3在几乎所有模拟中均能达到参考GWP值。研究发现，能源需求和DES消耗这些关键经济驱动力也强烈影响环境表现。用水量在所有方案中均构成环境负担，最高达每功能单位约270 m3。将天然气替换为生物质燃料（hog fuel）时，当生物质占比超过25%（Sc1除外），GWP可降至参考值以下；完全采用生物质锅炉可降低碳强度超30%，且排放全为生物源。在所有影响类别中，高能耗方案在生态毒性、致癌和烟雾类别中影响更大。与PHK工艺相比，本工艺在酸化、臭氧消耗和烟雾类别中影响更低，主要归因于蒸煮过程中不使用含硫白液。

**四、讨论与结论**

研究表明，经济和环境指标并不总是一致：最低MSP的方案（Sc4）并非GWP最低的方案（Sc3），这种分歧主要与DES溶剂回收的能量密集特性及溶剂消耗、热需求和动力站运行之间的相互作用有关。这种权衡对工业决策具有重要启示。研究得出以下主要结论：DES使用存在限制其可扩展性的操作约束，特别是制浆和洗涤所需的大量溶剂体积以及 lignin 沉淀所需的反溶剂需求，这些因素在DES回收时显著增加了工艺能耗；预水解阶段的引入不仅减轻了水解半纤维素的积累，还降低了蒸煮过程中的DES需求，Sc4实现了最优经济结果（MSP为1 330元（美元）·每ADmt）；亲水性DES制浆在最低总能耗条件下可比PHK减少高达2.46 mt CO₂ eq·每功能单元的CO₂排放。未来研究应聚焦于：（1）通过机械蒸汽再压缩（mechanical vapor recompression, MVR）和改进溶剂回收等节能技术优化整体能量集成，减少蒸汽需求及对外部燃料和动力站的依赖；（2）实施同时考虑经济与环境指标的多目标优化框架，以识别在MSP、能耗、碳排放和整体可持续性之间实现更均衡权衡的工艺配置。本研究通过将物料与能量平衡、TEA、LCA及敏感性和不确定性分析整合在单一工艺模型中，量化了DES分馏技术从实验室性能转化为工业规模DP工厂时各限制因素的相互作用，为纸浆与造纸工业的利益相关者和投资者提供了全面且稳健的决策支持。