干法甲烷重整制合成气的技术经济性与生命周期评估：过量CO2进料的高效利用

《International Journal of Hydrogen Energy》：Techno-economic and life-cycle assessments of dry methane reforming for efficient syngas production with excess-CO2 feeds

　　

研究人员开发了一种集成的技术经济分析-生命周期评估（TEA-LCA）框架，用于评估过量CO₂条件下的干法甲烷重整（DRM）过程，该框架整合了水煤气变换（WGS）反应和基于MEA（单乙醇胺）的CO₂捕集单元，以量化CO₂/CH₄进料比对反应转化率、下游分离以及经济与环境性能的影响。研究考察了四种情景，涵盖不同的原料获取方式和捕集CO₂处理路径。敏感性分析表明，假设的CO₂信用价格可以改变整体情景排序。增量单位成本分析识别出一个浅最小值，经济上最优的进料比在2.25至2.375之间，这反映了由于设备规模扩大导致资本成本增长率超过捕集CO₂量的增长率时的区间。基于情景的门到门生命周期影响评价（LCIA）表明，捕集CO_{2循环利用选项在端点分析中通常更为有利；购买原料选项产生最低的环境影响，但考虑到经济性能时，在现有假设下更具可行性的选项转向从其他过程供应原料。}

本研究聚焦于干法甲烷重整（DRM）在过量CO₂操作条件下的技术经济性与环境影响评估，相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。DRM是一种将甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）转化为合成气（一氧化碳（CO）和氢气（H₂））的催化过程，被视为蒸汽甲烷重整制氢的替代路线，同时也可作为https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319923033190后/link)作为费托合成和甲醇生产的合成气来源。随着碳中和目标日益受到重视，DRM因能在单一反应器中同时消耗两种温室气体而重新获得关注，且为捕集CO₂的化学转化利用提供了直接途径。然而，DRM的大规模工业应用仍面临诸多挑战：热力学和动力学约束导致的转化限制、碳沉积（结焦）引发的催化剂失活，以及维持强吸热反应所需的大量热量输入及其成本负担。未反应的CH₄和CO₂残留在反应器出口气中，增加了下游净化分离的能耗和成本。因此，有必要在集成过程系统层面评估DRM的工业可行性，明确纳入下游净化和CO₂管理环节。

现有研究多侧重于重整路线间的比较或有限性能指标的分析，而将操作条件变化与下游设计及成本影响相联系的系统级技术经济分析（TEA）仍显不足。其中，CO₂/CH₄进料比是影响DRM转化率和结焦问题的关键操作变量。提高进料比虽能增强CH₄转化、抑制结焦副反应，但CO₂过量操作势必增加残留CO₂处理量，导致下游成本上升。因此，需要将DRM与CO₂捕集单元整合，系统评估转化率提升与额外分离成本之间的权衡。此外，DRM工业可行性评估还需纳入环境影响维度，生命周期评估（LCA）方法近年来备受关注，但现有环境分析多聚焦于特定重整路线或替代工艺配置，在统一功能单位和系统边界下对变工况DRM的比较评估仍然缺乏。

基于此，研究人员构建了集成的TEA-LCA框架，以CO₂/CH₄进料比为关键变量，最大化DRM反应的CH₄转化率，通过Aspen Plus V14^?模拟DRM及相关分离单元，将所得过程数据用于TEA以识别经济最优过量进料比，并采用基于情景的门到门LCA评估不同原料采购路径和捕集CO₂处理路线的环境影响。

研究所用的主要关键技术方法包括：基于Aspen Plus V14^?的流程模拟技术，采用1176-1710个气质平衡方程进行稳态模拟；基于总年度成本（TAC=资本成本/回收期+运营成本）的技术经济分析；基于ReCiPe 2016中点法和端点法的生命周期影响评价；增量单位成本分析方法；以及基于蒙特卡洛模拟的不确定性分析方法。

在"过程概述与模拟方法"部分，研究人员介绍了集成DRM-WGS-捕集工艺的整体流程。该工艺由DRM反应段、水煤气变换（WGS）反应段和碳捕集段组成，并配置四个逆流换热器进行热量回收。DRM反应在过量CO₂条件下进行，随后WGS反应器调节产品合成气比例，未反应CO₂通过基于MEA（单乙醇胺）的吸收-解吸工艺捕集。物流模拟中采用Peng-Robinson状态方程和热力学方法，活动模型选用ELECNRTL方法处理电解质体系，反应动力学采用Xu-Froment本构方程。

在"DRM-WGS反应器模拟结果"部分，通过改变CO₂/CH₄进料比（从1.0开始）进行平推流反应器（PFR）模拟。结果显示，等当量比时CH₄转化率仅达90%；增加CO₂进料量可提高限制性反应物CH₄的转化率，但CO₂自身转化率因未反应余量增加而下降。CH₄转化率超过99%需在CO₂/CH₄进料比超过1.75时实现，表明该阈值以上方为有效的CO₂过量操作区间。WGS反应段通过两级变换将合成气H₂/CO比调节至约2.0，满足下游应用需求。

在"最优进料比"部分，研究人员定义了相对于基准工况（进料比=1.0）的增量单位成本指标C_inc(r)=ΔTAC(r)/捕集CO₂量，以量化CO₂过量操作的经济 penalty。分析发现，随进料比增加，C_inc(r)呈现先降后升趋势，在2.25-2.375区间出现浅最小值。该最优区间反映了设备规模扩大导致的资本成本增长率开始超过捕集CO₂量增长率的临界点，为工业操作提供了定量优化依据。

在"情景构建与LCA结果"部分，研究设计了四种情景：情景A为市场购买原料、捕集CO₂循环回用；情景B为市场购买原料、捕集CO₂外售；情景C为其他过程供应原料、捕集CO₂循环回用；情景D为其他过程供应原料、捕集CO₂外售。基于RECIPE 2016方法的门到门LCIA结果表明，就端点分析而言，捕集CO₂循环选项通常更为有利；单纯从环境影响角度，购买原料选项（A、B）最低，但综合考虑经济性能后，在现有假设下从其他过程供应原料（C、D）成为更具可行性的方案。敏感性分析显示，假设的CO₂信用价格可改变整体情景排序，当CO₂价格高于一定阈值时，外售捕集CO₂的选项可能更具经济吸引力。

在讨论与结论部分，研究人员综合分析了TEA与LCA结果的关联性。研究强调，本框架超越了以技术为中心的传统DRM讨论，通过情景比较直接为操作决策提供信息支持。增量成本分析揭示的最优进料比区间为工艺优化提供了明确指导，而情景分析则揭示了经济与环境目标之间的潜在权衡。研究局限方面，当前分析基于特定操作假设和参数设定，实际工业应用需考虑动态工况、催化剂寿命衰减及更详细的公用工程配置。

研究结论部分指出：本研究开发了集成的TEA-LCA框架，以评估CO₂过量条件下的高效DRM，明确将CO₂/CH₄进料比与甲烷转化率、下游净化需求以及系统级经济和环境结果相联系。研究人员还评估了四种情景，涵盖不同的原料采购路径（市场购买或从其他过程供应）和捕集CO₂处理选项（循环回用或外售），用于经济和环境影响评价。该框架通过实现直接为操作决策提供信息的情景比较，扩展了超越以技术为中心的DRM讨论。