《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Techno-economic analysis of fermentation carbon dioxide utilization for hydrocarbon blend-stock production in corn ethanol refineries
编辑推荐：
对可持续燃料日益增长的需求推动了利用玉米乙醇精炼厂发酵二氧化碳（CO?）生产汽油馏程烃类的研究，该技术路径不仅可降低碳排放，还能为现有精炼厂带来经济效益。尽管多种CO?利用技术已被探索，但乙醇干重整（EDR）耦合甲醇制汽油（MTG）工艺直接生产汽油的经济可行性
对可持续燃料日益增长的需求推动了利用玉米乙醇精炼厂发酵二氧化碳（CO?）生产汽油馏程烃类的研究，该技术路径不仅可降低碳排放，还能为现有精炼厂带来经济效益。尽管多种CO?利用技术已被探索，但乙醇干重整（EDR）耦合甲醇制汽油（MTG）工艺直接生产汽油的经济可行性和规模化潜力尚未得到充分研究。本研究假设，与间接氢化（IDH）等传统路径相比，在玉米乙醇精炼厂中整合这些工艺能够提供更经济可行且可规模化的解决方案，通过降低氢气依赖性和提高利用率来实现这一目标。研究人员利用Aspen Plus模拟了两种路径，均整合甲醇合成并与MTG耦合，以生产变性乙醇（E98）和E85汽油。技术经济分析评估了净现值（NPV）和平准化生产成本（LCOP），生命周期评估（LCA）则量化了CO?排放量和政策激励的影响。与IDH相比，干重整路径将氢气需求量从0.53降低至0.26 kg/kg汽油，但产出有所减少。氢化路径的变性剂生产更具经济可行性，净现值为3.3202亿美元，生产成本为1.69美元/加仑。综上所述，IDH生产的变性乙醇是最适合短期商业化的选项，而乙醇干重整则通过降低氢气依赖和增强CO?利用，提供了长期规模化潜力。
玉米乙醇在美国生物燃料生产中占据核心地位，约占全国生物燃料总产量的73%，年产量超过180亿加仑，依托191座精炼厂运营。尽管玉米乙醇生产在经济上具有可行性，但始终面临燃料市场价格波动带来的成本与售价压力。精炼厂虽通过干酒糟（DDGs）等副产品维持财务稳定，但仍需降低环境影响并削减总体生产成本。从生命周期角度看，玉米乙醇生产每兆焦耳约产生45克CO?，而在工厂层面，干磨乙醇设施排放的发酵CO?流浓度极高，每兆焦耳乙醇产生约42克CO?，该类CO?较燃烧尾气或环境空气更易捕获。碳捕集、利用与封存（CCUS）技术为乙醇精炼厂脱碳并降低生产成本提供了可行路径，美国45Q税收抵免政策依据CO?捕集或利用量提供激励，进一步强化了CCUS的经济性。
将发酵CO?转化为汽油等烃类燃料已提出多条技术路线，包括费托合成（FT）和甲醇制汽油（MTG）工艺。MTG工艺由埃克森美孚公司于1987年开发，通过将甲醇转化为二甲醚（DME），再经沸石催化剂转化为烃类，对汽油生产具有更高选择性。在甲醇合成路线中，CO?间接氢化（IDH）是目前唯一可规模化实施的途径，该过程通过逆水煤气变换反应（rWGS）将CO?与外加氢气部分转化为合成气，再经甲醇合成反应制得甲醇。然而，该路径每生产1摩尔甲醇需3摩尔氢气，氢气需通过水电解等独立工艺提供，氢气依赖性强成为其经济性瓶颈。
乙醇干重整（EDR）为合成气生产提供了替代方案。EDR将乙醇与CO?转化为合成气，反应温度通常在927~1027 °C之间，需使用金属催化剂以提高转化率、选择性并抑制积碳等副反应。对于甲醇合成而言，目标氢碳比（H?/CO）为2:1，而EDR产生的合成气H?/CO比约为1:1，因此需补充氢气以调节配比。整合EDR与甲醇合成后，每生产1摩尔甲醇仅需1摩尔氢气，较IDH减少2摩尔，显著降低了氢气需求。
现有研究在CO?制燃料领域已取得一定进展，但多数研究聚焦于烟气CO?利用，仅少数研究考察了从CO?到汽油的完整工艺链，且缺乏与乙醇精炼厂集成的详细生命周期分析。特别是，EDR作为乙醇精炼厂中更经济的汽油生产路径，其技术经济评估尚属空白。本研究旨在填补这一空白，比较EDR与IDH两种路径在工厂规模下生产E85和变性乙醇（E98）的技术经济性能。
研究人员采用Aspen Plus V14建立稳态过程模型，模拟主要单元操作并将其集成为完整精炼厂配置，通过模拟数据确定物料与能量平衡，实施热集成以优化公用工程消耗。过程配置经设备尺寸、成本核算及情景指标分析框架进行评估，生命周期排放采用GREET分析工具量化。
研究结果与讨论部分首先呈现了各情景的物料与能量平衡及关键性能指标，随后通过技术经济分析量化了资本成本与运营成本，并利用经济指标进行情景比较。敏感性分析考察了主要成本驱动因素的影响。45Q税收抵免作为美国主要政策工具被纳入分析，以CO?直接排放为基准情景。
研究结论表明，两种CO?制汽油路径——IDH和EDR，均整合甲醇合成并耦合MTG以生产E98和E85。经济分析显示，当前乙醇精炼厂的收益最高，其次为E98-IDH和E98-EDR，两种E85情景在所研究条件下均不盈利。从环境角度看，EDR生产的E85相比常规燃料具有更低的全球变暖潜能值（GWP），两种E98路径均符合45Q税收抵免资格。敏感性分析进一步揭示了玉米价格和氢气价格影响下的经济阈值区域，为各路径的适用性提供了洞见。变性乙醇的IDH路径因成熟度高、经济表现佳，最适合短期商业化；而EDR路径凭借降低氢气依赖和增强CO?利用的优势，展现出长期规模化潜力，但其经济性有待未来氢气成本下降和技术进步来改善。
