生产可再生液化石油气的工艺流程技术经济评估

《Energy Conversion and Management-X》：Techno-economic assessment of a process to produce renewable LPG

　　

基于化石的液化石油气（LPG）已被确定为清洁烹饪燃料，用于替代撒哈拉以南非洲低收入家庭常用的污染固体燃料。然而，对碳循环性以缓解全球变暖的需求，激励了利用捕获的二氧化碳（CO₂）和可再生氢气（H₂）生产绿色替代燃料——一种绿色液化燃料气（gLFG）。与其他绿色储存燃料不同，绿色版LPG生产的技术经济可行性在文献中尚未被探讨，因此仍是研究空白。这项新颖的研究提出了一个gLFG工艺流程的设计和技术经济评估，该工艺通过多步催化路径将捕获的CO₂和可再生H₂转化：CO₂加氢生成合成气，随后甲醇合成、二甲醚（DME）生成，以及最终转化为gLFG。生产1?kg gLFG需要约0.6?kg H₂和4.5?kg CO₂，并消耗1.7?kWh电力和29.4?L工艺用水，其中92%用于公用工程。一个年产834?ktpa gLFG产品的商业规模工厂，估计成本为18.7亿美元，年化总成本范围为4亿至5.89亿美元/年。H₂价格是主导经济驱动因素，即使H₂价格为1.8美元/kg，其贡献也超过总成本的50%，导致gLFG生产成本为1.9–2.2美元/kg。总体而言，该工艺显示出潜力，但大规模可行性将依赖于较低的H₂价格、改进的工艺效率和支持性的碳政策。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**

全球约49%的人口（约38亿人）缺乏清洁、现代且可负担的家庭能源，仍依赖生物质和煤炭等固体燃料，严重威胁人类健康、生计和气候。随着全球能源转型加速，清洁燃料成为缓解气候变化和减排的关键策略。液化石油气（LPG）被视作能源组合中的重要选项，可为健康、气候、发展和环境带来显著效益，全球年消费量达3.3亿吨，但由此产生的CO₂排放约10亿吨/年，与航空燃料相当。因此，迫切需要绿色版LPG。然而，与其他绿色储存燃料（如绿色汽油、电子甲醇、电子氨等）相比，绿色LPG生产的技术经济可行性在文献中尚属空白。此前催化CO₂/H₂混合物制LPG的研究多采用“一锅法”（将所有反应步骤合并），导致工艺流复杂、催化剂失活及不利反应条件。为改善可控性并优化各步反应条件，研究人员开展了此项新颖研究，将转化过程分为独立阶段，评估多步工艺生产绿色液化燃料气（gLFG）的技术经济可行性。

**研究内容与结论**

研究人员开发并优化了一个商业规模工艺，通过多步催化路径（逆水煤气变换（RWGS）、甲醇（MeOH）合成、二甲醚（DME）合成和gLFG合成）将捕获的CO₂和可再生H₂转化为gLFG。采用AspenPlus^?模拟软件，基于文献数据确定各反应器最优操作条件，结合设备尺寸估算、成本因子法及热量集成优化，进行了全面的技术经济分析。结果表明：生产1?kg gLFG需约0.6?kg H₂、4.5?kg CO₂、1.7?kWh电力和29.4?L工艺用水（92%为公用工程用水）。商业规模工厂（年产834?ktpa）的资本支出（CAPEX）为18.7亿美元，年化总成本（TAC）范围为4亿至5.89亿美元/年。H₂价格是主导经济驱动因素，即使H₂价格为1.8美元/kg，其成本仍占总成本的50%以上，导致gLFG生产成本为1.9–2.2美元/kg。与化石基LPG零售价（约1.9美元/kg）相比，需通过补贴、碳信用或碳税等措施才能实现成本竞争力。该研究首次提供了gLFG生产潜力的初步评估，但大规模可行性依赖于H₂价格下降、工艺效率提升及有利的碳定价机制。论文发表在《Energy Conversion and Management-X》。

**主要关键技术方法**

1. **流程模拟与建模**：使用AspenPlus^?软件，采用ENRTL-RK物性包处理烃/水互溶性问题，单级水移除单元用PC–SAFT物性包。2. **设备尺寸与成本估算**：基于质量与能量平衡，结合标准化学工程教材中的启发式方法和方程进行初步尺寸计算，采用成本因子法（bare module method）估算CAPEX，并以2023年化学工程工厂指数调整为当前成本。3. **热量集成优化**：对蒸馏塔进行优化（改变进料位置和回流比），并实施全厂热量集成，以最小化年化设备成本（ΣACC + ΣAUC）。4. **经济分析**：采用两种非-AUC运维成本方法（M1基于文献可比工厂数据，M2基于标准教材）计算TAC，并分析H₂、CO₂价格敏感性及H₂/DME进料比、DME转化率和gLFG选择性的影响。样本来源：南非Lichtenburg附近三个水泥厂CO₂源（总流量3.72?Mtpa）。

**研究结果**

**3.1 工艺流率与物料平衡**
通过模拟，RWGS反应器中CO₂转化率为60%，MeOH反应器中碳转化率（CO+CO₂→甲醇）为88%。电解器产生的H₂中，82.6%用于生成所有产品（gLFG和C₅₊异构物），12.6%因循环吹扫损失于轻气中。捕获的CO₂中，76.5%用于生成所有产品。最终gLFG产品组成（wt%）：75% C₄H₁₀，13% C₃H₈，12% DME，H₂O < 1000?ppm，符合世界LPG协会标准（DME ≤ 12?wt%）。通过热量集成和副产物燃料气利用，消除了外部热源需求。

**3.2 公用工程分析**
全厂电力需求178.5?MW，冷却水用量904.8?MW，工艺用水68.0?ML/天。电力成本占主导（约60%），催化剂成本仅贡献7%。gLFG部分因产品分离需最大冷却水负荷，MeOH部分因进料压缩需最大电力。

**3.3 经济性**
总CAPEX 18.7亿美元，年化公用工程成本（AUC）1.09亿美元/年。采用M1方法时TAC约4亿美元/年，M2方法时约5.89亿美元/年。gLFG合成步骤成本占全流程不到30%。

**3.4 验证与比较**
与前两步（RWGS+MeOH）可比绿色甲醇工艺相比，CAPEX和电力消耗（按产能归一化）差异在10%以内。与MTG/MTK工艺相比，后两步（DME+gLFG）的CAPEX（按产品LHV归一化）高40%，主要因H₂过量和大循环带来的设备成本。

**3.5 含原料成本的总成本贡献**
H₂成本占主导：H₂价格4美元/kg时占70–75%，1.8美元/kg时占51–58%。CO₂成本略低于gLFG工艺成本。gLFG生产成本范围为1.9–3.5美元/kg。将H₂/DME进料比从9:1降至0.7:1，gLFG步骤TAC降低34–41%，但整体生产成本仅降低2–6%。

**3.6 与其他绿色能源载体比较**
gLFG生产成本与其他电子燃料（如氨、甲烷、甲醇、MTG等）相当，但H₂和CO₂成本略高，源于H₂和CO₂效率损失（图4、图5）。高合成气转化成本源于9:1 H₂/DME进料比，若采用更低比例则可显著降低。

**3.7 补贴、碳信用与碳税**
为与化石基LPG（零售价1.9美元/kg）竞争，需：①每年补贴9.5亿美元；②碳信用396美元/吨CO₂（仅考虑gLFG产品碳）或336美元/吨CO₂（含C₅₊异构物）；③碳税333美元/吨CO₂。这些值远高于当前全球平均碳价（约50美元/吨CO₂），但部分国家已超130美元/吨。敏感性分析表明，仅当H₂价格降至0.03美元/kg（近乎免费）时，gLFG才无需补贴即可竞争。提高gLFG选择性（从75%提至90%）可降低生产成本约14%。

**3.8 局限性与未来工作**
本研究未详细考虑反应动力学和催化剂失活，未建立严格的CO₂基合成燃料技术经济框架，未进行全生命周期评估，碳税/碳信用分析仅为初步。未来工作将收集反应数据、应用严格框架、开展LCA及更全面的碳政策分析。

**总结讨论与结论**

讨论部分指出，H₂成本是影响gLFG经济可行性的关键，工艺效率（尤其是H₂利用率）和gLFG合成步骤催化剂性能的改进至关重要。H₂效率低（仅70%进入gLFG产品）主要源于非gLFG成分的转化和选择性，催化剂开发抑制轻气生成可显著改善经济性。结论部分翻译如下：
已开发并优化了一个商业工艺，从捕获的CO₂和可再生H₂生产gLFG。生产1?kg gLFG需约0.6?kg H₂、4.5?kg CO₂、1.7?kWh电力和29.4?L工艺用水（92%为公用工程用水）。技术经济分析表明，H₂成本驱动gLFG产品成本及工艺经济可行性。即使H₂价格为1.8美元/kg，H₂成本仍占50%以上，导致生产成本为1.9–2.2美元/kg。H₂成本的支配地位激励提高gLFG工艺中H₂的使用效率。当前流程中仅70%的H₂进入gLFG产品，17%进入C₅₊异构物副产物，13%进入轻燃料气，表明催化剂开发抑制轻气生成可显著改善经济性。本研究提供了gLFG潜力的有用一阶近似。广泛采用将高度依赖于H₂价格下降，以及较小程度上的针对性工艺改进和有利的碳定价机制。