综合CO2制烯烃工艺的技术经济分析与生命周期评估：利用产业共生提升经济与环境韧性

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Techno-Economic and Life Cycle Assessment of Integrated CO2-to-Olefins Routes: Leveraging Industrial Symbiosis to Enhance Economic and Environmental Resilience

　　

摘要

用于生产轻质烯烃的可持续二氧化碳转化技术的工业化进程，取决于碳捕获、氢气来源以及催化效率之间的协同整合。本研究对700千吨/年的规模下四种不同的整合路径进行了全面的技术经济分析和生命周期环境评估，比较了一步法二氧化碳-费托合成烯烃路线与甲醇介导路线以及两步法路线的表现。通过利用工业共生关系，丙烷脱氢反应产生的化石衍生副产品氢气可作为过渡方案，同时辅以可再生能源驱动的电解技术。通过对碳捕获装置进行优化，采用MEA和MDEA混合吸收剂并结合热泵技术，可使每吨二氧化碳的再生能耗从3.83吉焦降低到2.64吉焦。研究结果显示，丙烷脱氢-费托合成路线能够实现79.9%的碳利用率和35.1%的能源效率，远超丙烷脱氢-RWGS-费托合成路线（31.4%）的效率，与甲醇介导路线的效率相当。从经济角度来看，当碳税高于80美元/吨时，丙烷脱氢-费托合成路线的最低销售价格仅为1594.2美元/吨，高于甲醇介导路线。环境评估表明，在所有依赖化石资源的路线中，费托合成路线所产生的温室气体排放量最低，为1.88吨二氧化碳当量/吨。而使用可再生氢气的路线虽然能将排放量降至0.50吨二氧化碳当量/吨，但其最低销售价格仍然过高。敏感性分析显示，碳捕获技术的优化效果会因所选路径的不同而有所差异，而催化剂的选择性则是影响经济性的最主要因素。当催化剂的选择性达到40%时，费托合成路线在经济效益方面就已能显著优于甲醇介导路线；若选择性提升至70%，则最低销售价格可降低20.5%，温室气体排放量可减少36.94%。这些研究结果表明，高选择性催化技术、先进的碳捕获技术以及工业副产品的整合应用，为可持续烯烃生产提供了切实可行且基于数据的解决方案。