集成钢渣中和技术的海水基沼气升级系统技术经济评估：迈向沿海工业共生

《Bioresource Technology Reports》：Techno-economic evaluation of an integrated seawater-based biogas upgrading system with steel slag neutralization: Toward coastal industrial symbiosis

　　

摘要

本研究评估了一种利用海水结合碱性材料（NaOH、Ca(OH)₂ 和钢渣）进行废水中和的生物沼气升级系统。汽液平衡（VLE）实验验证了用于工艺设计的热力学模型。两阶段海水吸收系统生产出了车用级生物甲烷。CO₂ 吸收分析表明，以海水作为吸收剂需要较高的液体流速，导致大量的泵送能量消耗并产生酸性废水。化学中和增加了运营成本，而钢渣虽然具有成本效益，但需要大量的物料处理。技术经济分析表明，只有钢渣情景在经济上是可行的，净现值（NPV）为 184,986.3 美元，内部收益率（IRR）为 10.9%，折现回收期（DPP）为 11.03 年。敏感性分析显示，生物甲烷和电力价格是主要的经济驱动因素，而在钢渣情景下，中和成本的影响较小。该框架适用于沿海工业共生，提供了一条可持续的生物沼气升级路径。

引言

随着全球能源系统向可再生能源转型，生物沼气升级作为一种生产生物甲烷和多部门脱碳的战略路径，正引起越来越多的关注。生物甲烷定义为去除 CO₂ 和其他污染物后的升级生物沼气，实际上与天然气相当，可以注入现有的天然气管网，用作运输燃料，或直接用于难以电气化的工业过程 (Angelidaki et al., 2018)。在逐步推进的政策背景下，预计未来十年生物甲烷产量将显著增长，全球生物甲烷产量预计将达到 95 亿立方米，较去年增长 23% (IEA, 2025)。受此趋势驱动，低成本、大规模生物沼气升级系统的开发变得至关重要，特别是对于经济限制最为明显的中小型应用。

商业化的生物沼气升级技术，包括胺洗、变压吸附和膜分离，代表了最普遍的方法，主要归功于其高效可靠的性能；然而，它们涉及高资本和运营支出、能源需求以及溶剂再生、甲烷滑移或为生产电网级甲烷的多级系统等技术挑战 (Ardolino et al., 2021; Lombardi and Francini, 2020)。因此，这些挑战促使了对成本更低的替代升级方法的探索。基于水和海水的吸收过程最近备受关注，因为 CO₂ 在水相中具有固有的溶解度。汽液平衡研究表明，与淡水相比，海水可能具有更高的 CO₂ 吸收能力：海水中的碳酸盐 - 碳酸氢盐缓冲系统和高碱度显著增强了其固碳能力 (Weiss, 1974; Zeebe and Wolf-Gladrow, 2001)。此外，海水在沿海工业区丰富且成本低廉，这有利于大规模连续运行。然而，迄今为止可用的研究大多仅限于热力学评估或实验室规模研究；利用海水进行生物沼气升级系统的完整工艺设计的技术经济评估在文献中仍然稀缺 (Angelidaki et al., 2018; Budzianowski et al., 2017)。

酸化废水的管理，需要在排放前进行中和以满足环境法规，构成了基于海水的 CO₂ 吸收的一个突出运营挑战。使用 NaOH 或 Ca(OH)₂ 进行化学中和很简单；然而，相关的单位成本可能会抵消使用海水作为免费吸收剂的经济优势 (Muntaha et al., 2022)。然而，工业碱性固体废物提供了一种具有成本效益的替代材料，富含 CaO 和 MgO，具有高中和和 CO₂ 矿化能力 (Huijgen et al., 2005; Pan et al., 2017; Truong et al., 2020)。尽管如此，将它们系统地整合到涉及基于渣的中和的工程生物沼气升级系统及其相应的技术经济方面中，研究仍不充分 (Rusanowska et al., 2023; Truong et al., 2020)。

此外，大多数关于生物沼气升级的现有文献解决的是个别单元操作，而不是整体方法中几个工艺步骤的整合 (Angelidaki et al., 2018; Lombardi and Francini, 2020)。共存设施之间的工业共生，通过交换材料和能量以最小化外部投入并为废物产品增值，代表了一种提高经济和环境绩效的有前景的策略 (Castellet-Viciano et al., 2022; Chertow, 2000)。工业废水 - 海水、碱性工业废物和生物沼气是宝贵但未被充分利用的资源，在钢铁、石化和污水处理厂共存的沿海工业集群中具有巨大的协同潜力。然而，生物沼气升级系统尚未通过工业共生原理得到全面探索 (Chertow, 2000)。

总的来说，先前的研究主要将基于海水的 CO₂ 吸收和碱性废物中和作为孤立的问题来处理；海水洗涤主要在热力学平衡或实验台规模吸收水平上进行考察，而碱性工业废物主要作为独立的矿物碳化途径进行研究。本研究在三个主要维度上超越了以前的文献。首先，实验验证的 CO₂-海水 VLE 数据被直接带入完整的两阶段填料塔设计，将平衡测量与工程规模尺寸连接起来，而不是孤立地处理两者。其次，废水中和被整合到相同的工艺边界内，并与常规试剂（NaOH 和 Ca(OH)₂）和炼钢渣一起进行系统评估，从而使酸性废水管理的成本（在海水中洗涤评估中经常被忽视）能够被明确量化。第三，通过完整的技术经济分析评估集成系统，并在沿海工业共生框架内解释，从而在单一的地点特定评估中连接吸收剂供应、废物增值和产品经济。基于对文献的综合回顾，这种结合实验 VLE、完整工艺和经济设计以及基于共生的海水生物沼气升级集成仍是前所未有的。

因此，本研究旨在设计和评估一个集成的基于海水的生物沼气升级系统，包括 CO₂ 吸收、使用工业碱性废物进行废水中和以及压缩生物天然气（CBG）生产。重点关注三个代表性的中和情景，NaOH、Ca(OH)₂ 和钢渣，研究比较了它们的相对经济和操作效率。具体目标是：(i) 研究 CO₂ 在海水中的汽液平衡，并确保其作为工艺设计输入的适用性；(ii) 开发多级吸收系统，并评估其在近大气条件下的性能；(iii) 对三种中和情景进行性能和经济比较；(iv) 进行全面的技术经济分析，包括敏感性分析以及净现值、内部收益率或折现回收期评估；并最终，(v) 检查将拟议系统耦合在沿海工业共生方法内的机会，重点关注泰国湾，通过检查 Map Ta Phut 工业园作为案例研究，并讨论海水抽取、酸性废水排放和渣浸出的主要环境影响。

章节片段

案例研究、系统边界和情景定义

本研究考虑一个安装在泰国沿海工业区沼气生产设施内的生物沼气升级系统。假设沼气是通过厌氧消化工业废水在厂内生产的，这是木薯淀粉、棕榈油和乙醇工厂等农业工业企业中常见的工艺。由于沼气是在厂内生产的，经济分析中不包含原料成本。

升级系统由一个大气水

海水中 CO₂ 的汽液平衡

从图 2 可以看出，结果表明亨利定律常数（K_H）随温度升高而趋于增加，因为海水对 CO₂ 的溶解度由于不利的气液相互作用和吸热溶解而降低 (Sander, 2023; Weiss, 1974)。实验不确定性较低，如三次测量获得的较小标准偏差所示。实验结果已拟合到热力学模型（TM）中，吻合良好（相对误差分别为 3.3 ± 3.7% 和 3.8 ± 3.1%）

结论

因此，本研究表征了基于海水的生物沼气升级系统在三种碱性中和方法下的情况。VLE 实验与热力学预测吻合良好，这支持了塔设计。两阶段吸收系统生产出了 CBG 品质的生物甲烷，证明了拟议工艺的技术可行性。然而，流通海水配置需要高液体循环速率，导致大量能源消耗和

CRediT 作者贡献声明

Nattapol Raybut: 写作 – 初稿，可视化，方法论，调查，数据整理，概念化。Prawit Kongjan: 写作 – 审查和编辑，验证，形式分析，数据整理。Alissara Reungsang: 写作 – 审查和编辑，验证，资源，资金获取，形式分析。Rattana Jariyaboon: 写作 – 审查和编辑，监督，项目管理，资金获取，概念化。

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能被认为影响了本论文报告的工作。

致谢

本研究由泰国科学研究与创新署（TSRI）在竞争力项目管理单位（PMUC）下支持（Grant No. C10F650035）。该项目也部分由 Sahaviriya Steel Industries PLC 支持。作者感谢孔敬大学生物沼气试点工厂，以及宋卡王子大学（帕塔尼校区）生物质能转化与能源化学（Bio-MEC）研究单位提供设施和技术

Nattapol Raybut|Prawit Kongjan|Alissara Reungsang|Rattana Jariyaboon

泰国宋卡王子大学工程学院能源技术项目，哈塔亚，宋卡府，90112