《Journal of Cleaner Production》：Coal-to-aromatics process with integrated propane dehydrogenation technology: Benefit analysis and life cycle assessment
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该研究提出一种新型煤制芳烃工艺（CO?-ODHP-CTA），通过耦合CO?氧化与丙烷脱氢生成丙烷，实现CO?资源化利用和排放降低。模拟显示该工艺碳利用效率提升28.36%，氢利用效率提高68.96%，生产成本降低3.08%，生命周期评估表明其温室气体排放量降至4.67 kg CO?·kg?1，较传统工艺减少49.74%。
张俊强|赵志同|王俊文|高云飞|张伟
山西太原理工大学化学与化学工程学院，030024，中国
摘要
在减少煤炭转化为芳香烃（CTA）过程中二氧化碳排放的背景下，提出了一种新型的集成煤炭转化为芳香烃工艺（CO2-ODHP-CTA）。该创新工艺结合了二氧化碳的利用和丙烷脱氢生产丙烯，旨在确定传统CTA工艺中同时实现二氧化碳还原和利用的最佳路径。通过集成丙烷脱氢技术，该工艺提高了原料和能源效率，同时减少了二氧化碳排放。基于工艺模拟数据，我们对所提出的工艺进行了技术经济分析和环境评估，并将其与传统的煤炭转化为芳香烃工艺进行了比较。结果表明，CO2-ODHP-CTA工艺在技术经济方面具有显著优势，其碳利用率、氢利用率和能源效率分别提高了28.36%、68.96%和7.61%。此外，生产成本相比CTA工艺降低了3.08%。生命周期评估结果也显示了CO2-ODHP-CTA工艺在环境方面的显著优势，其全球变暖潜能（GWP）降低到了4.67 kg CO2·kg?1，相比CTA工艺减少了49.74%。因此，所提出的工艺为高效利用二氧化碳和提升煤炭转化为芳香烃行业的经济性能提供了有前景的方法。
引言
芳香烃作为关键的基本化学品之一，目前主要通过基于石油的路线进行大规模生产，包括石脑油的催化重整和裂解汽油的加氢（Wang等人，2021年）。预计到2029年，苯、甲苯和二甲苯（BTX）的全球消费和需求将增长至1.6565亿吨，复合年增长率（CAGR）超过4%（Saif等人，2025年）。虽然基于石油的路线目前主导着大规模生产，但石油资源的枯竭和对进口的依赖增加，使得开发清洁的、非石油基的芳香烃生产途径变得必要。基于煤炭的芳香烃生产途径因其低成本、高原料利用率和高转化率而成为最有前景的替代方案（Jiang等人，2020年）。在工艺研究方面，Jiang等人（2021年）开发了一种将基于煤炭的芳香烃生产与轻质烃蒸汽重整相结合的工艺设计，以提高芳香烃产量。Zhang等人（Zhang, D.等人，2020年）提出了两种新的工艺设计，将甲醇芳构化与轻质烃芳构化相结合，以提高盈利能力和可持续性。结果表明，将轻质烃芳构化与甲醇芳构化相结合，分别使BTX产量和净现值提高了49%以上和204%。然而，基于煤炭的芳香烃生产面临显著挑战，最突出的是能源效率低和二氧化碳排放高（Zhang, J.等人，2020年）。为了实现中国的能源独立，Ren等人（2025年）对四种芳香烃生产路线（STA、MTA、BAS和BAM）进行了技术经济分析和生命周期评估，评估了每种工艺路线的经济可行性、能源消耗和气候性能。Wang等人（2025年）回顾了基于煤炭的合成气转化为芳香烃技术的三种主要催化机制；分析了影响合成气转化为芳香烃过程中催化性能的因素；探讨了反应器设计在此过程中的作用；并考察了这项技术在推动绿色低碳化学产业方面的潜力和前景。因此，加强新技术开发、系统优化和工艺集成是实现技术突破、提高煤炭资源综合利用率和推进工业环境保护的主要途径。
这些措施不仅有效促进了清洁高效的煤炭转化为甲醇生产，还为我国在2030年前达到碳排放峰值和2060年实现碳中和的目标提供了有力支持（Cui等人，2020年；Li和Gao，2018年）。对于传统的CTA工艺，从原始煤气化产生的合成气中的氢碳比（H2/CO）范围为0.4至1.0。然而，合成芳香烃的最佳氢碳比约为2.0。因此，必须通过水煤气变换（WGS）反应调整合成气中的氢碳比。这一过程会导致大量有价值的CO气体被牺牲。向合成气中添加氢是一种可行的方法来调整氢碳比。
一些研究人员将通过水电解产生的绿色氢整合到传统的煤炭化学生产系统中，以减少源头碳排放。Zhang等人（2024年）提出了绿色氢耦合煤炭转化为芳香烃（GH-CTA）工艺和绿色氢耦合煤炭-生物质共气化（GH-BCTA）工艺，以解决传统方法的高碳排放问题。结果表明，与GH-CTA工艺相比，GH-BCTA工艺减少了3.58%的温室气体排放。由于绿色氢的成本相对较高，直接使用外部氢源虽然减少了工艺碳排放，但也增加了整体原材料生产成本。此外，传统的煤炭转化为芳香烃工艺具有较高的生产成本，需要进行全面的经济和技术分析。生命周期评估（LCA）（Ou等人，2010年；Xiang等人，2015年）提供了成本效益、能源消耗和环境影响的有效分析方法，是评估系统环境足迹的强大工具。Zhang等人（2025a）提出了并模拟了甲烷蒸汽重整辅助的煤炭转化为芳香烃工艺（NG-CTA-S）和甲烷干/蒸汽重整集成煤炭转化为芳香烃工艺（NG-CTA-DS）。通过全面的生命周期评估，他们分析了所提出工艺的碳减排潜力。结果表明，NG-CTA-DS工艺在技术、经济和环境方面具有显著优势，二氧化碳排放量低至3.65 kg CO2·kg?12·kg?1降低到了4.09 kgCO2·kg?1，同时将生命周期水消耗量减少了82.48%（Zhang等人，2025b）。上述集成途径在一定程度上实现了低碳排放目标。然而，由于绿色氢的生产成本较高，绿色氢整合的煤炭转化为芳香烃途径的整体生产成本仍然相对较高。利用外部高氢碳源（焦炉煤气和天然气）进行整合的方法在一定程度上降低了生产成本，但尚未实现净零碳排放。
在低碳和清洁生产的背景下，二氧化碳不仅是一种温室气体，也是一种重要的碳源。其有效利用有助于缓解由二氧化碳排放引起的环境问题，同时为其他高附加值化学品提供原料。在二氧化碳气氛中脱氢丙烷生成丙烯的方法相比直接脱氢和氧气辅助脱氢工艺具有明显优势。具体来说，使用二氧化碳作为氧化剂在脱氢过程中氧化丙烷，改变了直接丙烷脱氢的热力学平衡，提高了烯烃的选择性，并最大化了二氧化碳的利用率。Chung等人（2024年）基于Mars–van Krevelen（MvK）机制，为氧化铬支持的硅酸盐催化剂上的ODPC反应开发了一个动力学模型。该模型估计的反应物转化率和丙烯产量与实验数据的绝对误差在3%以内，证实了动力学模型的准确性。同时，该反应产生了大量的氢气（Xiang等人，2023年）。通过丙烷和二氧化碳的耦合反应产生的氢气调节了合成气中的氢碳比，从而实现了低碳排放和在芳香烃生产过程中的再利用。基于这一特点，本研究提出了一种结合二氧化碳的集成煤炭转化为芳香烃工艺路线，用于生产丙烯。使用Aspen Plus工艺模拟软件建立了整个过程的全过程模拟，确定了整个过程的质量和热量平衡。从生命周期的角度，评估了能源消耗、环境影响和成本效益，展示了新工艺相比传统煤炭转化为芳香烃工艺的优势。
工艺描述
图1展示了结合二氧化碳从丙烷生产丙烯的集成煤炭转化为芳香烃工艺（CO2-ODHP-CTA）。尽管该工艺复杂，但它主要由几个基本单元组成：空气分离、气化（CG）、酸性气体去除（AGR）、丙烷脱氢（PDR）、甲醇合成（MS）和芳香烃合成（MA）。首先，原始煤炭在进入气化炉之前需要进行预处理。在氧气和蒸汽的作用下，煤炭发生热解和...
CO2-ODHP-CTA工艺影响分析
通过改变CO2/C3H8进料摩尔比、反应温度和反应压力，分析了丙烷脱氢反应过程中C3H8转化率、CO2转化率、C3H6选择性和H2/CO比的变化趋势，以提升整个工艺的性能。丙烷和CO2的转化率使用方程（8）、（9）计算，而丙烯选择性则用方程（10）表示。
利用效率
碳元素利用效率（EC）定义为产品中的碳元素与原材料中总碳输入的比率，如方程（11）所示。氢元素利用效率（EH）定义为产品中的氢元素与原材料（煤炭、丙烷、水和氢）中总氢含量的比率，如方程（12）所示（Kim等人，2024年）。在方程中，M表示碳（C）的相对分子质量，f表示...
生命周期评估
本研究基于ISO 14040-2006和ISO 14044-2006的框架和指南进行了生命周期评估（LCA）（Deutz和Bardow，2021年）。评估包括四个阶段：目标和范围定义、生命周期清单分析、生命周期影响评估和讨论。利用LCA方法，研究了不同芳香烃生产途径的环境影响，量化了它们的环境排放，并评估了所提出的低碳...
结论
本研究提出了一种集成煤炭转化为芳香烃（CO2-ODHP-CTA）工艺路线，用于将二氧化碳与丙烷结合生产丙烯。来自酸性气体脱除单元的二氧化碳作为氧化剂与丙烷结合合成丙烯，同时产生的氢用于调节合成气中的氢碳比。这种方法实现了二氧化碳的再利用和排放减少。根据模拟结果，CO2-ODHP-CTA工艺在技术、经济等方面具有优势...
CRediT作者贡献声明
张俊强：撰写——原始草稿、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。赵志同：调查、正式分析、数据管理。王俊文：监督、项目管理、方法论、资金获取。高云飞：撰写——审阅与编辑。张伟：软件、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：22178241）和山西省青年科学家自然科学基金（项目编号：20210302124465）的财政支持。
