探索污水源沼气提质过程共纯化甲烷和二氧化碳的经济可行性：基于模拟的技术经济分析

《Carbon Capture Science & Technology》：Exploring the economic feasibility of sewage-derived biogas upgrading process co-purifying methane and carbon dioxide: simulation-based technoeconomic analysis

　　

厌氧消化可产生沼气，其主要成分为甲烷（CH₄，50–70%）和二氧化碳（CO₂，30–50%）。由于这些化学物质有望作为可再生碳原料用于化学品生产，同时纯化CH₄和CO₂有利于发展可再生化学品系统，而以往的研究通常只关注从沼气中回收这两种化学物质中的一种。本研究利用单乙醇胺（MEA）水溶液，结合中间冷却（IC）和贫液蒸汽压缩（LVC）两种改进技术，对污水源沼气提质过程进行了过程模拟，以实现CH₄和CO₂的共纯化。基于过程模拟结果，研究人员对干基纯度超过99%的CH₄和CO₂同时纯化进行了技术经济分析，以量化CO₂捕获成本，并确定在不同CH₄和CO₂销售价格下沼气的最高购买价格。与基准配置相比，联合配置（IC+LVC）实现了总设备成本降低10%，而再沸器中胺再生的热负荷仍主导着CO₂捕获成本。因此，通过部分利用共纯化过程中产生的CH₄进行自供料方案，显著降低了CO₂捕获成本，并且由于降低了资本成本和消除了胺再生的燃料成本，IC配置实现了最佳的经济性能。

**论文解读：基于过程模拟的污水源沼气共纯化甲烷与二氧化碳技术经济分析**

**1. 研究背景与问题**

厌氧消化（AD）产生的沼气主要含有甲烷（CH₄，50-70%）和二氧化碳（CO₂，30-50%），是极具潜力的可再生碳源。当前，多数研究仅关注从沼气中单一回收CH₄用于发电或作为工业原料，或回收CO₂用于碳捕集与利用（CCU）。然而，化工行业，如甲醇制烯烃（MTX）合成路线，对高纯度CH₄（>90%）和CO₂均有需求。同时纯化这两种气体，可将其作为下一代化学工业的可再生碳原料，但现有研究对此关注不足。

现有胺基化学吸收法是成熟的CO₂分离技术，应用于沼气提质时面临挑战。由于沼气中CO₂浓度远高于电厂烟气，吸收过程中放热剧烈，导致吸收塔内温度显著升高，不利地影响了CO₂吸收平衡，需要增加吸收塔高度和资本成本才能达到高捕集率。此外，实现CH₄和CO₂的高纯度（>99 mol%）共纯化，特别是从污水源沼气（杂质较少）中分离，仍具挑战性，因为高CO₂捕集率（>90%）在物理学原理上会消耗更多能量。因此，需要采用过程改进技术来增强吸收和热集成，以降低成本和能耗。

**2. 主要技术方法**

研究人员采用Aspen Plus V14过程模拟软件，以日本仙台市南蒲净化中心（最大处理能力4.00×10⁵ 吨/天）为参考设施，基于Poblete等人（2022）的AD处理数据，模拟了污水源沼气的提质过程。关键技术方法包括：1）**基于单乙醇胺（MEA）的化学吸收过程模拟**，采用电解质非随机双液体（ELECNRTL）热力学模型，并考虑了MEA-CO₂-H₂O系统的平衡和动力学反应；2）**比较四种过程配置**：基准配置、中间冷却（IC）配置、贫液蒸汽压缩（LVC）配置和IC+LVC联合配置；3）**技术经济分析**，包括CO₂捕获成本（CCC）分析和净现值（NPV）分析，以量化不同配置在不同CH₄和CO₂销售价格下的经济可行性。

**3. 研究结果**

**3.1. 过程模拟**
过程模拟成功收敛。IC配置有效抑制了吸收塔内的温度升高，使最高温度降低约4K，从而将吸收器理论板数从30级（基准配置）减少至12级，实现了干基CH₄纯度99 mol%的目标。LVC配置使溶剂再生的再沸器热负荷比基准配置降低约21-22%，但同时因压缩机运行导致电力消耗增加81%。

**3.2. 设备成本**
设备成本分析显示，基准配置中吸收器和热交换器（HXs）占总设备成本的72%。IC配置使吸收器成本降低61%，但热交换器成本增加，总设备成本降低0.90×10⁶ 美元。LVC配置虽降低了热交换器成本，但增加了压缩机和压力容器成本，总设备成本仅降低0.34×10⁶ 美元。IC+LVC联合配置实现了最大的总设备成本降低，减少1.20×10⁶ 美元。

**3.3. CO₂捕获成本**
在天然气（NG）作为再生燃料的基准情景下，热负荷是CO₂捕获成本的主要组成部分。各配置的成本排序为：IC+LVC < IC < LVC < Base。IC+LVC配置比基准配置降低了3.9%的CO₂捕获成本。当燃料成本较低（如煤炭）时，无LVC的配置成本更低；当燃料成本较高（如天然气）时，LVC配置因减少热负荷而更具经济优势。

**3.4. 不同销售价格下的沼气最高购买价格（MPP）**
**I. 天然气购买情景：** 当CH₄和CO₂均以当前市场价格出售时，沼气的MPP为282.6至285.1美元/吨。若考虑污水处理费收入，沼气购买价格降至190.49美元/吨，使项目具有经济可行性。
**II. 自供料情景：** 利用提质过程中约8%的纯化CH₄作为胺再生燃料，所有配置的MPP均高于天然气购买情景。当考虑污水处理费时，所有配置均具有正净现值（NPV）。

**3.5. 经济关系分析**
当CO₂销售价格较高时，自供料情景（II）比外部购买天然气情景（I）更具经济优势。IC配置在自供料情景下经济性能最佳，而IC+LVC配置因LVC压缩机增加的电力成本而未显示出更优的成本优势。

**4. 总结与讨论**

本研究通过过程模拟和技术经济分析，评估了IC和LVC两种过程改进技术对污水源沼气共纯化CH₄和CO₂的经济影响。IC有效降低了吸收塔尺寸和资本成本，LVC降低了再生热耗。结果表明，IC+LVC联合配置在总设备成本降低方面表现最佳，但CO₂捕获成本受燃料价格影响显著。研究结论部分翻译如下：

“本研究利用单乙醇胺（MEA）水溶液，结合中间冷却（IC）和贫液蒸汽压缩（LVC）两种改进技术，对污水源沼气提质过程进行了过程模拟。基于过程模拟结果，研究人员对干基纯度超过99%的CH₄和CO₂同时纯化进行了技术经济分析，以量化CO₂捕获成本，并确定在不同CH₄和CO₂销售价格下沼气的最高购买价格。最后，阐明了在不同CH₄和CO₂销售价格及燃料供应情景下，各过程配置的相对经济排序。

IC的引入有效缓解了塔内温度升高。结果，所需的吸收器总高度减半，降低了总设备成本。LVC的实施降低了汽提塔的再沸器热需求，而压缩机运行导致电力消耗增加，导致热负荷降低对CO₂捕获成本的影响有限。

当使用廉价燃料（如煤）作为再沸器燃料时，引入LVC的益处微乎其微，无LVC的配置反而产生了更低的CO₂捕获成本。相反，当使用昂贵燃料（如天然气（NG）和石油）时，LVC的节能效果直接导致了总成本的降低。

本研究定量阐明了在不同CH₄和CO₂销售价格下，过程改进对沼气最高购买价格（MPP）的影响。当CH₄和CO₂以其市场价格出售时，沼气的MPP估计在282.6至285.1美元/吨之间。

本研究揭示了CH₄/CO₂共纯化与污水处理相结合可以产生额外利润。同时，应注意，本研究未明确区分实际污水处理厂中常见的剩余污泥产生的额外沼气。未来的研究应对污水处理设施和胺基提质进行集成建模，以考察污水条件变化对沼气性质和经济潜力的相应影响。

此外，利用沼气提质产生的纯化CH₄进行自供料方案，相较于基于化石燃料的天然气（NG）具有额外的经济优势。就用于胺再生的燃料而言，环境政策可能使生物甲烷在经济上优于化石基甲烷（NG），因为用于公用工程的生物甲烷燃烧排放的是生物源CO₂，不被视为化石基CO₂排放。在未来的沼气提质经济研究中，应探索包括碳定价和碳信用在内的环境政策的影响。”