《Frontiers in Chemical Engineering》：Integrated process design for sorption-enhanced steam reforming of biogas and sorption-enhanced DME synthesis: a techno-economic study
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本研究集成了两种强化过程，即沼气吸附强化蒸汽重整（SESR）和吸附强化二甲醚合成（SEDMES），为高效生产生物二甲醚（bio-DME）提供了一条途径。研究人员在Aspen Plus中开发了完整的工艺模拟，集成了一个40 MW的SESR单元与一个SEDMES系
本研究集成了两种强化过程，即沼气吸附强化蒸汽重整（SESR）和吸附强化二甲醚合成（SEDMES），为高效生产生物二甲醚（bio-DME）提供了一条途径。研究人员在Aspen Plus中开发了完整的工艺模拟，集成了一个40 MW的SESR单元与一个SEDMES系统。对生物DME工厂的优化使冷煤气效率从64%提高到74%，总DME收率从39%提高到45%。研究人员建立了一个基准案例配置，并通过三种集成策略加以改进：（i）热回收，（ii）未转化气体的循环利用，以及（iii）通过SEDMES吸附剂再生实现的蒸汽集成。优化系统的二甲醚平准化成本（LCODME）估计约为1�/kg DME，低于文献报道的替代性电转X（power-to-X）DME路线的成本。净现值分析表明，当DME销售价格超过约1000�/t时，工厂盈利能力转为正值。本研究表明，同时强化氢气生产和DME合成可实现一条从沼气生产bio-DME的技术上和经济上均有吸引力的途径。
**论文解读：沼气吸附强化蒸汽重整与吸附强化二甲醚合成一体化工艺的技术经济研究**
**一、研究背景与问题**
在全球低碳能源转型的宏观背景下，将含碳原料转化为清洁燃料和高附加值化学品已成为学界与工业界关注的焦点。沼气作为一种重要的可再生碳源，其高效利用对于可持续能源体系的构建具有关键意义。二甲醚（DME）作为一种无毒、低排放的燃料，其物化性质与液化石油气（LPG）相似，既可作为压燃式发动机中柴油的替代燃料，又可充当氢载体，因而在CO
2捕集与利用（CCU）技术链条中展现出巨大的应用潜力。目前，由沼气制取甲醇和DME的第一步通常是经重整制备生物合成气。传统的沼气重整工艺受热力学平衡限制，存在转化率低、能耗高、后续净化流程复杂等问题。近年来，吸附强化蒸汽重整（SESR）技术通过在单一反应器内耦合甲烷蒸汽重整反应与原位CO
2捕集，打破了重整反应的热力学平衡限制，显著提高了氢气产率与选择性，成为一种颇具前景的沼气制氢技术。与此同时，在DME合成侧，吸附强化DME合成（SEDMES）技术通过固体吸附剂原位脱除反应生成的水，强化了甲醇合成与脱水反应的耦合，可大幅提高碳转化率。然而，将SESR制氢与SEDMES合成DME这两种强化过程进行系统集成的研究此前尚属空白。已有的沼气制生物二甲醚（bio-DME）技术经济分析表明，工厂投资回收期通常在10年左右，且盈利能力高度依赖DME市场高价或政策补贴，经济可行性面临严峻挑战。因此，如何通过工艺集成与过程强化来降低生产成本、提高能源效率，成为推动生物DME产业化的关键科学问题。
**二、研究概述与总体结论**
针对上述问题，本研究首次提出将沼气SESR单元（制氢能力40 MW）与SEDMES系统进行一体化集成，利用SESR产生的富氢气体及煅烧再生气中的部分CO
2直接作为SEDMES的原料，从而省去沼气净化升级步骤，实现生物DME的直接合成。研究人员基于Aspen Plus V11建立了完整的稳态过程模拟，并通过三种集成策略对系统进行优化：即（i）单元间热回收，（ii）SEDMES副产物（未转化气）作为燃料回用于SESR煅烧炉，以及（iii）将SEDMES吸附剂再生产生的低压蒸汽回用于SESR单元。研究结果显示，三项集成策略的协同作用使系统冷煤气效率（CGE）从基准案例的64%提升至74%，总DME收率从39%提高至45%。经济评价表明，优化后系统的二甲醚平准化成本（LCODME）约为1 �/kg DME，低于文献报道的电转X（PtX）路线的成本（约1.3 �/kg DME）。净现值（NPV）分析进一步揭示，当DME销售价格超过约1000 �/t时，工厂开始盈利，且价格达到1500 �/t时，投资回收期可缩短至约5年，显著优于文献中报道的盈亏平衡价格区间（1900–5000 �/t）。该研究发表于《Frontiers in Chemical Engineering》。
**三、主要关键技术方法**
本研究采用过程模拟与 techno-economic 分析相结合的方法。具体而言：（1）使用Aspen Plus V11对集成工艺进行稳态模拟，SESR反应器与煅烧炉采用RGibbs平衡模型，SEDMES单元则通过化学计量反应器、水分离器和RGibbs反应器三个模块进行等效模拟，以近似吸附强化操作；（2）通过灵敏度分析确定98.7%的水移除率，以满足出口气CO/CO
2比约为2的工艺要求；（3）采用RadFrac严格精馏模型对DME纯化工艺进行模拟，产品纯度遵循ISO-16861-2015标准（DME纯度>98.5%）；（4）经济评价采用平准化成本（LCODME）与净现值（NPV）方法，基于Sinnott化学工厂成本估算方法，利用化学工程工厂成本指数（CEPCI）对设备成本进行年代归一化，资本成本按六分之十规则进行规模放大。样本为40 MW SESR制氢单元集成的生物DME工厂，以未升级沼气（CH
4/CO
2摩尔比60/40）为原料。
**四、研究结果**
**4.1 SESR与SEDMES集成**
基准案例配置未采用任何集成协同策略，约消耗7 t/h沼气作为原料，4.4 t/h沼气作为煅烧炉燃料，产出4.4 t/h生物DME。该配置下系统CGE为64%，总质量收率（GMY）为39%，计入外部公用工程消耗后净效率（NE）约为47%。公用工程分析显示，SESR出口与SEDMES操作温度间温差导致的冷却负荷约占总冷却负荷的62%，第一精馏塔的低温分离约占25%，两者合计约87%，是热集成的主要目标。
**4.2 热集成**
第一项集成策略为优化换热网络（HEN）。研究人员将SESR与SEDMES单元间的冷却器替换为换热器，将回收的热量用于SESR单元的蒸汽发生；同时将对第一精馏塔进料的冷却步骤替换为第二个换热器，亦用于产生蒸汽。该策略共集成3.5 MW冷却负荷，使CGE提高约3个百分点，GMY提高约2个百分点。改进的驱动力来源于回转窑再生所需沼气燃料从37.5%降至34.3%。
**4.3 副产物集成**
第二项策略是将SEDMES单元未转化气体（主要含H
2）循环至外燃式燃烧器作为燃料，为SESR煅烧炉供热。由于氢气的氧化反应（H
2 + ?O
2 → H
2O）可有效回收能量，沼气燃料消耗进一步降低约4个百分点，CGE因而提高4.3个百分点，GMY增至43.5%，NE从54%提升至56%。所有KPI值均反映热集成与副产物循环的联合效应。
**4.4 蒸汽集成**
第三项策略利用SEDMES工艺的变压吸附（PSA）类特性。吸附剂再生阶段在约250 ℃下解吸水分，产生低压蒸汽。该蒸汽可部分满足SESR单元的蒸汽需求，从而降低蒸汽发生所需的热量，使回收的能量用于预热其他工艺流。当使用沼气原料作为吹扫气时，吹扫气和解吸水可直接循环至SESR单元，省去冷凝和分离步骤，部分避免了蒸汽生产潜热相关的能量损失。该策略使系统CGE达到74.1%，GMY达45.3%，同时工艺水消耗减少约38%。
**4.5 碳平衡分析**
随着集成程度的提高，系统碳平衡显著改善。最终配置下，约54%的总碳以DME形式被利用，其余碳主要为满足M-module = 2化学计量约束而未被利用的捕集CO
2（封存碳）以及烟气中的排放碳。分析还指出，若通过限制重整器中CaO输入量（约为化学计量需求的30%）来匹配常规沼气组成的M-module目标，将导致产物气中未转化CH
4显著增加，CH
4在SEDMES中作为惰性气体随未转化气逃逸，造成碳损失。
**4.6 经济评价**
经济分析以效率最高的全集成配置为基础。资本支出（CAPEX）中，制氢相关设备占总投资的38%，DME合成相关设备占24%；运营支出（OPEX）中，沼气成本（含原料和燃料）是最主要贡献项，约占49%。基于此，LCODME估计约为1 �/kg DME。敏感性分析（±50%变化区间）表明，LCODME在约0.8至1.25 �/kg DME之间波动，其中沼气价格影响最大，其次是资本成本和折现率，电价影响相对较小。NPV分析显示，DME销售价格为860 �/t时项目无法实现正NPV；约1000 �/t时项目在运营第15年后盈利；1500 �/t时投资回收期约5年。
**五、讨论与结论**
讨论部分指出，未来可从以下方面进一步提升盈利能力：将垃圾填埋气视为免费废弃物原料、采用电加热煅烧炉消除主烟气排放、通过碳定价机制引入CCU收益，以及纳入欧盟碳移除（CDR）和生物能源与碳捕集封存（BECCS）政策框架。该集成概念的优势在于过程强化、碳利用效率高、水耗降低、生产成本具有竞争力，但工艺复杂性和材料长期稳定性仍是规模化应用需面对的挑战。
研究结论部分可翻译为：本研究考察了将沼气吸附强化蒸汽重整（SESR）与吸附强化二甲醚合成（SEDMES）耦合以高效生产bio-DME的一体化工艺。结果表明，两种技术的耦合实现了无需预先升级的沼气直接增值利用，避免了传统升级路径的CO
2排放，同时直接利用CO
2生产能量密度高的可再生燃料即bio-DME。研究识别并利用三种集成协同效应——单元间热回收、SEDMES副产物的能源化利用及SEDMES吸附剂再生蒸汽的再利用——使冷煤气效率从64%提高至74%，总DME收率从39%提升至45%。经济上，优化后的bio-DME工厂实现了约1 �/kg的DME平准化成本（LCODME），与文献报道的power-to-X路线相比具有竞争力且更低。净现值（NPV）分析表明，当DME销售价格超过约1000 �/t时工厂开始盈利，显示出在适当市场条件下的良好经济前景。总体而言，本研究证明沼气SESR与SEDMES工艺的集成为从沼气生产bio-DME提供了一条高效且经济上具有吸引力的途径。所提出的配置为分散式、碳高效的DME生产提供了机会，有望为未来可再生燃料与化学品价值链作出贡献。
