通过将水电解与富氧燃烧整合的绿色尿素肥料制造：碳排放的生命周期评估

《International Journal of Hydrogen Energy》：Green urea fertiliser manufacture by integrating water electrolysis with oxyfuel combustion: A life cycle assessment of carbon emissions

　　

氮肥占全球碳排放的2%，其中尿素使用最为广泛。研究人员提出了一种新的生产路径，通过利用水电解产生的绿色氢（green hydrogen）和氧（oxygen）来降低碳排放。氢将用于生产氨（ammonia），这是尿素的前体。氧将用于生物质的富氧燃烧（oxyfuel combustion）以生成二氧化碳（CO₂），该二氧化碳将与氨反应生成绿色尿素（green urea）。通过该路线在新西兰生产的尿素，其碳排放比通过天然气蒸汽甲烷重整（steam-methane reforming, SMR）生产的尿素低23%，若电网电力完全来自可再生能源，则碳排放降低41%。通过生物质气化（biomass gasification）生产的尿素碳排放更低，比来自天然气的尿素低39%。然而，新型富氧燃烧-电解路线所需的生物质原料比生物质气化路线少69%。

**论文解读：整合水电解与富氧燃烧的绿色尿素制造——基于碳排放生命周期评估的研究**

**研究背景与问题**
氮肥的制造与应用占全球温室气体（GHG）排放的2.1%，其中尿素是最广泛使用的氮肥。传统尿素生产依赖天然气或煤作为原料，通过蒸汽甲烷重整（SMR）或煤气化产生氢（H₂）和二氧化碳（CO₂），再经哈伯-博世（Haber-Bosch）和博世-迈泽（Bosch-Meiser）工艺合成尿素。这一过程碳排放显著，尤其来自肥料分解产生的氧化亚氮（N₂O）和CO₂。为降低碳排放，研究者提出利用可再生能源驱动的水电解制氢，但电解过程不产生尿素合成所需的CO₂，需额外从水泥厂、煤电厂或直接空气捕获等来源获取。另一方面，生物质气化可同时产生H₂和CO₂，但需大量生物质原料。现有生命周期评估（LCA）多采用“摇篮到大门”（cradle-to-gate）或“大门到大门”（gate-to-gate）方法，忽略了肥料施用阶段（占全生命周期排放59%），且对水电解副产氧气的利用不足。因此，研究人员提出一种整合水电解与富氧燃烧（oxyfuel combustion）的新型尿素生产路径，旨在同时利用电解产生的氢和氧，减少生物质或化石原料消耗，并开展“摇篮到坟墓”（cradle-to-grave）的全生命周期碳排放评估。该研究发表在《International Journal of Hydrogen Energy》。

**主要关键技术与方法**
1. **生命周期评估（LCA）**：采用“摇篮到坟墓”方法，以1吨尿素为功能单元，评估四种生产路线的全球变暖潜能值（GWP₁₀₀）。系统边界包括原料开采/收获、运输、加工、肥料运输及田间分解排放。
2. **水电解技术**：使用质子交换膜（PEM）电解槽，电力消耗55 kWh/kg H₂，氢气泄漏率3.34%，考虑电解槽隐含排放（按600 MW规模，7年寿命，每年8000小时运行）。
3. **富氧燃烧与联合循环**：氧气来自PEM电解槽和空分装置（ASU），用于富氧燃烧天然气或生物质，产生CO₂和水蒸气，冷凝后得CO₂；燃烧热驱动联合循环燃气轮机（CCGT）或朗肯循环发电。
4. **生物质气化**：氧气吹吸气化器（O₂-blown gasifier）处理木质生物质（松树种植园残渣，平均运输距离100 km），经水煤气变换反应（WGS）产生H₂和CO₂，胺吸收分离。
5. **敏感性分析**：考察电网排放因子（0–0.5 kg CO₂eq/kWh）、电解效率（60%→76%）、生物质水分含量（53%→0%）、灰分含量（0%→10%）、甲烷逸散排放（2.08%→0%）及SMR加热电气化等参数。

**研究结果**
（1）**生物质原料显著降低总排放**：与传统SMR路线（Case 1，总排放3.0吨CO₂eq）相比，生物质气化路线（Case 3）减排39%，富氧燃烧-电解路线（Case 4，生物质原料）减排23%。Case 4排放高于Case 3，完全归因于电网电力用于电解的排放；若电网排放为零，两者总排放无差异。使用天然气的富氧燃烧-电解路线（Case 2）排放比Case 1高2%，无减排优势。Case 4的生物质原料消耗比Case 3少69%，因为Case 4的氢来自水，生物质仅用于提供CO₂和电力。

（2）**尿素分解是主要排放源**：所有路线中，尿素田间分解产生的N₂O和CO₂占总排放的主要部分。Case 1中分解排放占73%（N₂O占分解排放的66% CO₂eq）。改变原料或工艺不影响N₂O排放，但使用生物质原料时，分解中34%的CO₂可被生物质生长吸收抵消。

（3）**能源资源消耗**：富氧燃烧-电解路线消耗最多能源，主要来自电网电力（Case 2占62%，Case 4占80%），用于电解、空气分离、压缩等。SMR路线主要消耗天然气，生物质气化主要消耗生物质。富氧燃烧-电解路线显著减少天然气（Case 2比Case 1少39%）或生物质（Case 4比Case 3少69%）消耗。

（4）**敏感性分析**：电网排放因子是影响富氧燃烧-电解路线排放的关键因素。当电网排放因子低于0.2 kg CO₂eq/kWh时，Case 4排放低于SMR路线；新西兰当前电网排放因子（0.101 kg CO₂eq/kWh）下，Case 4可行；若实现100%可再生电网（0.03 kg CO₂eq/kWh），Case 4可比Case 1减排41%。消除甲烷逸散排放可使Case 1减排8.5%、Case 2减排5%。电解效率提升至76%仅减排4–5%。生物质水分和灰分含量影响微小。

（5）**与其他LCA比较**：对于SMR路线，本研究的摇篮到大门排放（0.75吨CO₂eq）处于文献较低端。生物质气化路线（Case 3）的摇篮到大门排放为?0.42吨CO₂eq（负值因生物质固定大气碳），但大门到大门排放为1.88吨CO₂eq，与Alfian和Purwanto（2019）的1.67吨CO₂eq接近。富氧燃烧-电解路线（生物质）的摇篮到大门排放为0.05吨CO₂eq，低于Meng等（2023）的0.19–0.55吨CO₂eq（煤为燃料）。

**总结与讨论**
本研究提出的新型富氧燃烧-电解整合路线（生物质原料）在摇篮到坟墓评估中比传统SMR路线降低23%碳排放，且生物质用量比气化路线少69%，降低了原料成本。该路线设备可扩展性强（电解槽模块化，富氧燃烧锅炉与常规锅炉类似），可能更适合不同规模的生物质资源和肥料需求。但富氧燃烧需过量氧气，未反应的O₂可能进入CO₂流影响尿素合成，需进一步验证。当前新西兰电网排放因子下，该路线排放高于生物质气化，但随电网脱碳，差距缩小。未来需开展技术经济分析比较两种路线的经济性。

**研究结论**（翻译原文结论部分）：
一种整合生物质富氧燃烧与水电解的新型工艺，提供了比传统SMR路线生命周期碳排放更低的尿素肥料生产途径。除非提供零排放电网电力，否则该富氧燃烧-电解工艺的排放高于生物质气化工艺。然而，该工艺每吨尿素使用的生物质原料比气化工艺少69%，显著降低了原料成本。它还可能提供一种易于扩展的途径，将生物质用作尿素生产的原料。需要进一步研究比较富氧燃烧-电解工艺与气化工艺的经济性，并确定该新工艺在尿素生产所需规模下是否具有经济优势。