微藻在熔盐中转化制氢的过程设计及技术经济评估

《Journal of Cleaner Production》：Process design and techno-economic evaluation of hydrogen production from microalgae conversion in molten salts

微藻制氢|熔融氢氧化物热化学转化|焦油去除| techno-economic分析|能源效率优化

　　

李军|雷玲|杨晓霞|曹文轩|钟电|曾国|杨海平

华中科技大学煤炭燃烧国家重点实验室，中国湖北省武汉市珞喻路1037号，430074

摘要

从微藻中生产氢气是一种可持续的替代化石燃料的方法。然而，传统的热化学途径面临诸如氢气产率/纯度不足和持续产生焦油等挑战。本研究提出了一种新的集成工艺，通过在熔融氢氧化物中对微藻进行热化学转化来生产氢气，该工艺独特地结合了关键的但研究不足的灰分去除和盐再生单元。开发了一个经过实验验证的Aspen Plus模型来模拟整个过程。在750°C的温度下，以1000公斤/小时的微藻进料速率运行时，该工艺可生产110.5公斤/小时（相当于30毫摩尔/克无灰原料）的高纯度氢气（99.99%），能量转化效率为41.67%，通过优化灰分去除策略，这一效率可提高到46.57%。技术经济分析表明，氢气的平准化成本（LCOH）为35.07元人民币/公斤，使其在先进的微藻转化热化学途径中具有竞争力。敏感性分析表明，原料成本是最具影响力的参数。当微藻的价格与木质纤维素生物质相当时，LCOH可显著降低至15.45元人民币/公斤，这优于带有CO₂捕获的甲烷重整/裂解方法。这些发现证实了熔融氢氧化物技术的经济可行性，强调了原料来源和运营优化在加速其商业化应用中的关键作用。

引言

全球能源格局正在经历前所未有的向脱碳的转变，这一转变是由迫切需要缓解气候变化和实现能源可持续性所推动的。在这一过程中，氢气作为一种关键的清洁能源载体脱颖而出，因为它具有高能量密度和零碳排放。然而，目前的氢气生产仍然主要（超过95%）依赖于基于化石燃料的工艺，主要是蒸汽甲烷重整（Kamran和Turzyński，2024；Zainal等人，2024），这会产生大量的CO₂排放，与可持续性目标相矛盾。因此，迫切需要开发真正可持续且碳中性的氢气生产技术。

生物质是一种有前景的可再生原料，用于可持续的氢气生产，其中微藻是一个有吸引力的候选者。微藻在生物质来源中具有相对较高的氢含量，为高效生产氢气提供了合适的基础（Mishra等人，2022）。这一固有优势还体现在它们快速的生长速度和短的培养周期上，凸显了它们作为可持续氢气载体的强大潜力（Kholssi等人，2023）。其他优势还包括不会与耕地竞争以及在培养过程中具有高CO₂封存能力（Sambusiti等人，2015）。尽管具有这些有利特性，但热化学转化途径（如气化和热解）在处理微藻时面临相当大的挑战。这些挑战包括严格的条件（≥800°C或>20 MPa）、持续的焦油生成以及不足的氢气产率和纯度（10–42毫摩尔/克，40–65体积%）（Duman等人，2014；Lin等人，2014；Liu等人，2017）。这些问题使得下游处理复杂化并增加了运营成本。

熔盐技术，特别是利用熔融氢氧化物，已成为解决这些挑战的变革性方案。作者之前的工作已经证明，熔融氢氧化物可以在生物质转化过程中充当多功能介质，同时作为高效的热传递剂、氢气供体和原位吸附剂（Li等人，2023，2024；Liu等人，2024）。这些综合作用在相对温和的条件下（≤750°C，大气压）显著提高了氢气产率和纯度（67毫摩尔/克，纯度80%），同时大大减少了焦油的生成（超过99%）并抑制了CO/CO₂的释放。尽管这项研究证实了该技术在实验室规模上的氢气生产性能很有前景，但其商业应用的经济可行性仍不明确。

对应用于其他碳质原料（例如，废塑料、甲烷）的熔盐系统的初步技术经济评估表明具有潜在的经济效益（Angikath等人，2024；Cloete等人，2024；Qi等人，2025）。然而，这些研究往往没有考虑关键因素，如灰分分离设备和盐再生单元，因为实验室研究通常仅关注反应性能，缺乏这些对连续运行至关重要的工艺设计和操作方法。缺乏此类信息导致对能量效率和平准化产品成本的估计不准确，阻碍了基于微藻的氢气生产技术的真正竞争优势的显现。

为了解决这些研究空白，本研究提供了通过熔融氢氧化物中对微藻进行热化学转化的集成氢气生产过程的全面技术经济评估。开发了一个包含关键灰分去除和盐再生单元的严谨Aspen Plus模型来模拟整个过程。该工作的目标是（1）确定针对工业应用的氢气的平准化成本（LCOH）和氢气生产能量效率，以及（2）识别关键的经济和性能驱动因素，并为集成过程确定潜在的优化途径。这一系统评估为该技术的经济可行性提供了重要见解，并为其未来向商业应用的开发提供了实际指导。

过程描述

图1展示了基于微藻在熔融氢氧化物中热化学转化的氢气生产过程。整个过程主要由热化学转化单元、气体重整单元、熔盐再生单元和氢气纯化单元组成。该过程旨在以环境可持续的方式利用微藻和其他生物质原料生产高纯度氢气。

在系统运行期间，首先将微藻

能量评估

系统的能量流分析遵循能量守恒原理（方程（6）），其中$H$表示进入或离开单元的材料流的总焓，$Q$表示净热传递，$W$表示在单元上所做的功。为了保持一致性，所有材料的焓都参考了液态水在其标准状态下的值。熔融盐和水的热变化，包括显热和潜热，都得到了充分考虑。

质量和能量流分析

在750°C的稳态运行下，系统处理1000公斤/小时的微藻和8000公斤/小时的循环熔盐。整体质量流在图4中进行了说明。当仅运行热化学转化和熔盐再生单元时，液态产品包括苯和萘，产量分别为10.3公斤/小时和19.7公斤/小时。同时，产生的热解气体包含H₂和CH₄，产量分别为98.4公斤/小时和64.6公斤/小时。

展望

本研究证实了通过微藻在熔盐中的热化学转化生产氢气的技术和经济可行性，但仍有一些进一步改进和研究的领域有待探索。未来的工作应关注以下方面：

探索替代原料：如敏感性分析所确定的，降低原料成本至关重要。研究使用低成本的、基于废弃物的生物质（如藻类大量繁殖物或农业残余物）可能是可行的

结论

本研究展示了通过微藻在熔融氢氧化物中的热化学转化生产氢气的新集成工艺的技术可行性和经济潜力。开发了一个包含关键灰分去除和盐再生单元的全面Aspen Plus模型，并进行了实验验证。

在750°C的温度下，以1000公斤/小时的微藻进料速率运行时，该工艺可生产110.5公斤/小时的高纯度氢气（99.99%），

CRediT作者贡献声明

李军：撰写——原始草稿，软件，方法论。雷玲：可视化，软件。杨晓霞：可视化，调查，形式分析。曹文轩：方法论，形式分析。钟电：方法论，概念化。曾国：撰写——审阅与编辑，资金获取。杨海平：资金获取，概念化。

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竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金优秀青年科学家（编号52422608）和国家自然科学基金杰出青年科学家（编号52125601）的资助。没有需要声明的利益冲突。