《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Techno-economic assessment on bio-dimethyl ether production from a landfill biogas in Spain: a comparison between direct and indirect routes
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本研究提出两种由西班牙塞维利亚一家实际运营公司产生的填埋场沼气生产生物基二甲醚（bio-DME）的工艺方案，旨在揭示实际填埋场沼气制生物基二甲醚盈利能力研究的现状——此类研究目前报道甚少，而作为可再生燃料具有重要意义。所研究的工艺包括：（i）直接生物基二甲醚路
本研究提出两种由西班牙塞维利亚一家实际运营公司产生的填埋场沼气生产生物基二甲醚（bio-DME）的工艺方案，旨在揭示实际填埋场沼气制生物基二甲醚盈利能力研究的现状——此类研究目前报道甚少，而作为可再生燃料具有重要意义。所研究的工艺包括：（i）直接生物基二甲醚路线，其中生物基甲醇（bio-MeOH）合成及其脱水反应在单一反应阶段完成；（ii）间接生物基二甲醚路线，先进行生物基甲醇合成与纯化，再进行生物基二甲醚合成。技术模拟采用Aspen Plus?软件进行，并纳入夹点（Pitch point）热集成策略。经济评价基于20年项目寿命期，采用三项关键参数：净现值（NPV）、盈利指数（PI）和最低售价（MSP）。模拟结果显示，直接路线可获得249.2 kgbio-DME/h（纯度99.7%）及34.4 kgbio-MeOH/h（纯度99.5 wt%）；间接路线可获得244.7 kgbio-DME/h（纯度99.6%）及37.8 kgbio-MeOH/h（纯度99.6%）。此外，CO2减排量与前期工作一致，直接二甲醚路线最高可达0.61 kgbio-DME/kgCO2。经济方面，生物基定价下二甲醚和甲醇的净现值为正，而间接转化为二甲醚在化石燃料商业化条件下呈现强烈负盈利。生物基二甲醚最低售价范围为0.95至1.35 �/kgbio-DME。敏感性分析表明，沼气流量和组成变化对最终生物产品质量影响显著，且盈利波动与加热需求密切相关。本研究为循环经济原则提供了宝贵见解，彰显了在当前填埋场基础设施条件下，基于沼气的二甲醚合成作为替代燃料的巨大潜力。
本研究发表于《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》，围绕西班牙塞维利亚某实际填埋场沼气的生物基二甲醚（bio-DME）生产技术展开技术经济评估。研究背景源于工业领域应对气候变化的紧迫需求。欧洲致力于将全球升温控制在2°C以内，这要求减少化石燃料消耗并加强低碳及零碳能源来源的替代燃料与能源载体生产。二甲醚（dimethyl ether, DME）作为一种可再生燃料，在压燃式发动机中具有多种应用前景，其燃烧具有低氮氧化物（NOx）、低一氧化碳（CO）、低碳氢化合物及颗粒物排放的优势，且雾化与蒸发特性优于传统柴油。二甲醚全球市场规模已近900万吨/年，生物基二甲醚预计将以6.15%的复合年增长率增长。欧洲在全球化石基二甲醚中占比较小，为生物路线生产提供了发展空间。其中，沼气制生物基二甲醚尤为潜力突出，因欧洲占全球沼气产量的50%。然而，西班牙在沼气生产方面远未成为欧洲领先国家，且大部分沼气仅用于热电联产，亟需开发沼气的生化与生物燃料转化新途径。
在此背景下，研究人员针对西班牙塞维利亚某实际填埋场产生的沼气（700 m
3/h，干基），开展了直接路线与间接路线的技术经济比较研究。直接路线采用单一反应阶段同时完成生物基甲醇合成与脱水反应；间接路线则分两步进行，先合成并纯化生物基甲醇，再转化为生物基二甲醚。技术模拟采用Aspen Plus
? V14.2软件，选用非随机双液体-Redlich-Kwong（NRTL-RK）热力学包进行建模，并运用夹点（Pinch）方法论进行热集成分析以识别节能机会。反应器模块包括：干甲烷重整（dry methane reforming）、逆水煤气变换（reverse water-gas shift, RWGS）及甲醇合成等平衡反应器，以及采用文献动力学表达式描述的平推流反应器（RPlug block）。经济评估基于20年项目寿命期，采用净现值（net present value, NPV）、盈利指数（profitability index, PI）和最低售价（minimum selling price, MSP）三项关键指标，构建现金流模型。贴现率设为5%，年运行时间8000小时，负债偿还期限15年。投资成本采用化学工程工厂成本指数（CEPCI）进行时间校正。填埋场沼气视为零成本原料，因其为有机废弃物厌氧分解的天然副产物。
研究结果表明，技术性能方面，基准情景下直接路线年产249.2 kg
bio-DME/h（纯度99.7%）及34.4 kg
bio-MeOH/h（纯度99.5 wt%）；间接路线产244.7 kg
bio-DME/h（纯度99.6%）及37.8 kg
bio-MeOH/h（纯度99.6%）。两种路线均满足美国材料与试验协会ASTM D7901-23标准对燃料级二甲醚的纯度要求（≥98.5 wt% bio-DME，≤0.05 wt% bio-MeOH，≤0.03 wt% H
2O）。碳减排方面，直接路线CO
2捕集率达初始沼气中CO
2含量的32.8%，碳排放避免量为0.61 kg
CO2/kg
bio-DME；间接路线分别为18.4%和0.35 kg
CO2/kg
bio-DME。敏感性分析显示，进气质量流量增加和CH
4含量升高有利于bio-DME生产（最高达260 kg/h），但低流量和低CH
4含量会导致产品纯度低于99%而无法达到燃料级标准；bio-MeOH对进气变化尤为敏感，仅直接路线在沼气参数波动时仍具销售潜力。
经济评估结果显示，生物基定价情景下，直接和间接路线的NPV分别为15.58 M�和5.71 M�，PI均为正值，表明项目具有经济可行性；但在化石燃料定价情景下，NPV分别为-3.87 M�和-14.13 M�，呈负盈利状态。生物基二甲醚最低售价范围为0.95–1.35 �/kg
bio-DME，介于化石二甲醚（0.87 �/kg）与生物基市场价（1.59 �/kg）之间。成本分析表明，加热公用工程是主要成本项，集中于干重整阶段的高温需求（875°C）；间接路线因额外纯化阶段及蒸汽发生，电力消耗显著高于直接路线（373,874.59 kWh vs. 157,014.39 kWh）。成本敏感性分析进一步证实，热需求变化对两种路线的盈利性影响最大， consumables（吸附剂、催化剂）变化影响甚微。
讨论部分指出，技术经济评估不能仅与化石燃料定价直接比较，因传统燃料基于成熟基础设施和规模经济。生物基二甲醚作为高附加值可再生燃料，具有气候变化减缓、可再生能源部署和废弃物资源化等多重优势，其经济可行性与政策框架密切相关。该提案契合欧盟《甲烷条例》（EU/2024/1787）的甲烷捕集利用目标、《可再生能源指令》（RED III, EU/2023/2413）对低碳能源载体的需求，以及《FuelEU Maritime法规》（EU/2023/1805）对船用可再生燃料的温室气体强度限制。欧盟碳排放交易体系（EU ETS, Directive 2003/87/EC）通过碳配额定价内化化石排放环境成本，进一步增强了可再生替代品的竞争力。研究强调，该工艺布局基于商业化成熟的单元操作，可转移至其他具有类似沼气生成特征的填埋场；若沼气来源不同，可采用模块化设计进行规模化调整。除填埋场沼气外，强化厌氧消化沼气、污水污泥降解气体或生物甲烷升级单元尾气等也可作为适用原料。
研究结论部分总结：本研究对实际填埋场沼气制生物基二甲醚进行了全面技术经济评估。直接路线获得249.2 kg
bio-DME/h（99.7%纯度）及34.4 kg
bio-MeOH/h（99.5 wt%纯度），间接路线获得244.7 kg
bio-DME/h（99.6%纯度）及37.8 kg
bio-MeOH/h（99.6%纯度），均满足ASTM D7901-23标准。CO
2避免量分别为0.55 kg
bio-DME/kg
CO2（直接路线）和0.53 kg
bio-DME/kg
CO2（间接路线）。技术敏感性分析显示沼气流量和组成对最终生化产品质量及商业化潜力影响重大。经济方面，生物基定价下NPV为正（直接路线15.58 M�，间接路线5.71 M�），化石基市场下则为负（-3.87 M�和-14.13 M�）。生物基二甲醚最低售价0.95–1.35 �/kg
bio-DME，介于化石与生物基商业价格之间。成本评估表明生产成本最受加热公用工程变化影响，特别是875°C干重整需求；夹点方法论的热集成策略降低了能源需求，放热反应产生的过量蒸汽用于补偿电力需求。本研究证实了填埋场行业生物基二甲醚生产作为内在CO
2减排策略的潜力，推动生物进程对于提供可负担的化石替代方案至关重要。未来研究将聚焦于生命周期评价（LCA）及?分析，以提供更精确的环境比较并遵循循环经济原则。
