综述：电解槽和厌氧消化驱动的CO2加氢路线生产可持续二甲醚：碳捕集技术、先进反应器技术和可持续性评估综述

《Next Energy》：Electrolyser and anaerobic digestion driven CO2 hydrogenation routes towards sustainable dimethyl ether production: A review of carbon capture technologies, advanced reactor technologies, and sustainability assessment

　　

基于Power-to-X (PtX)技术的燃料通过使用捕获的二氧化碳（CO₂）可以减少温室气体（GHG）排放，因此可以支持气候变化减缓目标。PtX产品包括甲烷、甲醇（MeOH）、费托合成燃料、氨和二甲醚（DME）。DME是一种潜在可持续的能源载体，可以替代柴油和液化石油气（LPG），并且可以与LPG混合作为更清洁的替代燃料。尽管先前的研究报道了催化剂开发、个别生产路线和PtX产品的进展，但对两种可行的可再生DME生产路线的系统级比较关注有限。本综述比较了水分解电解和厌氧消化路线，并在系统框架内评估了碳捕集技术、催化剂和反应器性能、过程强化、能源需求、碳利用和放大限制。技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）表明，每条路线的环境和经济性能是有条件的，而非固有的。当使用低碳电力源生产氢气，同时CO₂捕集和压缩由低排放能源供应时，电解槽驱动路线可以实现较低的生命周期碳足迹。厌氧消化驱动路线可以提供显著的GHG减排，并在特定废物管理情景下可能达到净负结果。然而，其性能强烈依赖于原料来源、避免排放信用、过程能源需求、沼气净化、重整和消化物管理。因此，在没有明确定义其LCA边界和假设的情况下，不应将任何特定路线归类为普遍净零或碳负。

1. 引言：能源是现代社会的核心，但化石燃料依赖导致温室气体（GHG）排放增加。全球冲突和能源危机加速了向可再生能源的转型。Power-to-X (PtX)技术通过捕获的二氧化碳（CO₂）生产燃料，如二甲醚（DME），可减少排放。DME具有高十六烷值和类似液化石油气（LPG）的储存特性，可替代柴油和LPG。现有研究多关注催化剂开发或单一路线，缺乏对电解槽驱动和厌氧消化驱动两条路线的系统比较。本综述填补这一空白，比较两条路线，涵盖碳捕集、催化剂、反应器、过程强化、能源、碳利用、技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）边界，并指出路线性能取决于资源、过程和区域条件。

2. 二甲醚作为可持续能源载体：DME的十六烷值约为55–60，适合压燃式发动机，燃烧无烟，可减少颗粒物排放。其低热值（6925 kcal/kg）低于柴油和LPG，但储存和运输特性类似于LPG，易燃极限（3.4–17 vol%）比甲醇（MeOH）窄。DME也是乙酸甲酯、二甲硫酸等化学品的中间体。大规模应用面临生产高成本、基础设施不足和发动机改造等挑战。

3. 二甲醚生产路线概述：DME可通过化石基和可再生路线生产。化石基路线使用天然气或煤制合成气，再转化为MeOH并脱水。可再生路线包括生物质气化、厌氧消化和电解水。电解水路线将水电解为氢气和氧气，氢气与捕获的CO₂反应生成MeOH和DME。生物质气化和热解不同，气化产生合成气（主要含H₂、CO、CO₂、CH₄），经净化后用于DME合成。

3.1. 生物质气化与废料制合成气集成于MeOH和DME合成：生物质原料包括林业残留物、秸秆、甘蔗渣等。气化炉类型有固定床、流化床、气流床等。原料需干燥和粉碎。粗合成气含有焦油、硫化物、氨等杂质，需净化（旋风分离、过滤、催化焦油重整、脱硫等）才能用于MeOH或DME合成。合成气组成需通过水煤气变换反应、重整或添加可再生氢气调整。研究人员研究了生物质合成气制DME，发现过程配置和组成影响产率。过程强化包括原位除水，如使用水选择性吸附剂提高DME产率。废物增值可集成生物和热化学转化，如消化物气化。经济性受规模、原料成本、运输距离等影响。环境性能需考虑干燥、制氧、气体净化等能耗，以及原料来源和避免排放信用。

4. 碳捕集技术与水分解电解槽路线用于DME生产：碳捕集技术分为燃烧前、燃烧后、富氧燃烧和直接空气捕集（DAC）。燃烧后捕集使用单乙醇胺（MEA）等溶剂吸收CO₂，但再生能耗高。先进吸附剂如功能化碳、金属有机框架可提高效率。燃烧前捕集通过水煤气变换反应分离CO₂，产生富氢燃料。富氧燃烧使用纯氧，烟气主要为CO₂和水蒸气。DAC直接从大气中捕集CO₂，但成本高。电解水技术包括碱性、质子交换膜、固体氧化物和阴离子交换膜电解。固体氧化物电解在评估中具有最低的MeOH和DME生产成本（分别为701美元/吨和1141美元/吨），但耐久性有限。电解槽选择取决于效率、成本、耐久性等。

4.1. 氢气和捕获的CO₂用于间接DME合成（两阶段过程）：间接路线首先将CO₂和H₂转化为MeOH（放热反应，50–100 bar，200–300°C），然后在另一反应器中脱水生成DME（约18 bar，250–400°C）。未反应气体可循环利用。水的电解反应为2H₂O → 2H₂ + O₂。整个系统的碳足迹取决于电力来源、电解槽制造、CO₂捕集等。

5. 厌氧消化路线用于DME生产：沼气通过厌氧消化产生，含50–70%甲烷和30–50% CO₂。沼气净化后可用于热、电和化学品生产。图5展示了基于厌氧消化的直接DME路线，沼气经蒸汽重整制合成气，然后进入反应蒸馏塔同时进行催化转化和分离。图6展示了间接路线，沼气先重整为合成气，然后合成MeOH，再脱水制DME。

5.1. 直接路线：使用双功能催化剂将MeOH合成和脱水合并，反应为3CO + 3H₂ → CH₃OCH₃ + CO₂（ΔH^o₂₉₈ = ?245.8 kJ/mol）。该路线可提高单程CO转化率和DME选择性，但需平衡催化剂功能和热量管理。

5.2. 间接路线：需要两个单独反应阶段，资本投资和操作复杂度较高，但提供操作灵活性，适用于同时生产MeOH。反应包括MeOH合成（2CO + 4H₂ → 2CH₃OH）和脱水（2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O），以及水煤气变换反应。气候性能取决于原料来源、甲烷泄漏、过程能耗等，不应视为固有碳中性。

6. 不同催化剂及其在DME合成中的性能：表4比较了多种催化剂。物理混合的Cu-Zn-Al/HZSM-5在250°C、35 bar下达到最高CO₂转化率（73.4%）和DME产率（54.5%）。Cu/Fe/La-HZSM-5和Cu/Fe/Ce-HZSM-5在260°C、30 bar下实现CO₂转化率40–50%和DME选择性100%。而一些催化剂如Cu/Zn/Al/Cr/HZSM-5转化率较低（15%），但选择性高（90%）。催化剂性能受制备方法、操作条件影响。物理混合催化剂中金属位和酸位距离过大会导致MeOH中间体未及时转化，并发生逆水煤气变换反应生成水，抑制酸性位。莫来石型催化剂可能促进甲烷化副反应。催化剂选择取决于目标，高转化率选CZA/HZSM-5，高选择性选Cu/Fe/La-HZSM-5。

7. 两种方法的比较分析：DME可通过化石基和可再生路线生产。电解路线使用可再生电力制氢，再与捕获CO₂反应，固体氧化物电解成本最低。厌氧消化路线将有机废物转化为沼气，需净化和重整。直接合成可简化流程，间接路线操作灵活。两条路线均可受益于政府激励。电解路线在低碳电力条件下可达到低生命周期GHG，但性能随电力碳强度增加而下降。厌氧消化路线在生物质丰富地区具有优势。表5列出技术挑战和缓解策略，如厌氧消化路线需解决沼气杂质和重整结焦，电解路线需应对水诱导催化剂失活和间歇性氢气供应。两条路线均非固有净零，性能取决于区域条件。

8. 二甲醚合成路线的技术经济分析和生命周期评估：8.1. 技术经济分析：电解路线中，运营支出（OPEX）主要受氢气成本影响，绿色氢气成本约4美元/公斤时难以与化石基DME竞争。过程强化如吸附增强DME合成（SEDMES）可降低成本至约1.30美元/公斤。厌氧消化路线的经济性敏感于原料处理费和副产品价值，最小燃料售价约0.87–0.91美元/加仑。催化剂制备成本影响资本支出和运营支出，绿色合成方法可降低部分能耗。8.2. 生命周期评估和边界条件：LCA结果受功能单位、系统边界、电力背景等强烈影响。电解路线主要依赖电力来源，当使用低碳电力时，可实现约0.21 kg CO₂-eq/kg DME；使用灰氢时增至4.4 kg CO₂-eq/kg。厌氧消化路线中，废物原料可带来净负排放，但需考虑甲烷泄漏、消化物管理等。使用填埋沼气的DME排放范围为?38.2至34.8 kg CO₂-eq/百万英热单位。8.3. 跨路线比较的统一评估框架：建议使用统一功能单位（1 kg DME）和系统边界（摇篮到厂门），定义外部能量消耗和碳效率指标，并计算平准化DME成本（LCO_DME）。环境评估应报告100年全球变暖潜力，并区分归因性和结果性结果。该框架可减少不一致假设带来的不确定性。

9. 未来前景和当前研究方向：食品和农业废物的不当管理导致环境问题，将其转化为MeOH和DME是潜在增值路线。未来研究应聚焦于低成本的绿色氢气、耐受杂质的重整催化剂、改进电解槽效率、沼气净化技术（膜分离、变压吸附等）。基于大语言模型的上下文建模可用于预测DAC吸附和失活机制。过程集成应关注预热、分段温度区和热回收。机器学习和人工智能可加速催化剂优化。需持续发展DME储存、运输和与LPG/柴油混合的基础设施。