墨西哥甘蔗精炼厂通过生物乙醇生产与结合碳捕集与封存的热电联产（BECCS）实现脱碳

《Renewable Energy》：Decarbonization of a sugarcane refinery in Mexico through bioethanol production and CHP generation with carbon capture and storage (BECCS)

　　

摘要翻译
本研究提出了一项综合性策略，通过整合生物乙醇生产、利用甘蔗渣的热电联产（combined heat and power，CHP）以及碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage，CCS），共同构成生物能源与碳捕集与封存（Bioenergy with Carbon Capture and Storage，BECCS）系统，从而实现现有甘蔗精炼厂的脱碳。研究定义了基准情景（base scenario，BS），即以一家典型的墨西哥甘蔗糖厂——莫托龙戈糖厂（Ingenio Motzorongo）为对象，生产糖、糖蜜、无水乙醇作为汽油含氧剂，并通过甘蔗渣燃烧实现热电联产。此外，研究人员提出了替代情景（alternative scenario，AS），即在上述产品基础上增设碳捕集过程。研究考察了通过捕集两个来源的CO₂实现净负碳排放的潜力：一是乙醇发酵产生的高纯度CO₂流，二是甘蔗渣燃烧热电联产电厂产生的烟气。集成模型侧重于最大化利用CO₂中性的甘蔗渣并优化能量平衡。研究开展了技术经济分析（techno-economic analysis，TEA）和生命周期评价（life cycle assessment，LCA）以评估系统性能。结果表明，利用甘蔗渣产生的内部蒸汽可实现最低的总CCS成本。该情景对应22%的CO₂捕集率，总CCS成本和捕集成本分别为86.8和73.9美元/吨CO₂。若要实现更高的CO₂捕集率，则需要外部能量输入（蒸汽和/或电力）。然而，这一需求会降低BECCS过程的成本竞争力，尤其是当外部能量来源于传统化石燃料时。最终，BECCS系统的集成显著降低了生物乙醇、能源和糖生产相关的整体环境影响，尤其是全球增温潜势（Global Warming Potential，GWP₁₀₀）、人体毒性潜势（human toxicity potential，HTP）和特定水生生态毒性潜势（specific aquatic ecotoxicity potential，SAEP）等关键指标。

论文解读：墨西哥甘蔗精炼厂BECCS系统脱碳的综合评估

一、研究背景与问题提出

自工业革命以来，大气CO₂浓度已从18世纪中叶的280 ppm上升至2025年的430 ppm，由此引发的全球变暖（+1.1°C）对自然生态系统和人类社会造成了深远影响。墨西哥在其国家自主贡献（nationally determined contributions，NDC）中承诺到2030年将温室气体排放减少35%。墨西哥是全球第六大产糖国，年产糖量400至600万吨，约占全球总产量的4.6%。甘蔗精炼厂在运营过程中会向大气释放颗粒物（particulate matter，PM）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NO_x）、甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）等污染物，其中后三者对人类健康和环境均有不利影响。

为实现NDC目标，已有多种技术策略被提出用于减缓甘蔗精炼厂运营中的温室气体排放，包括生物燃料生产、从化石能源向可再生能源（如沼气、光伏太阳能、太阳能热利用）转型，以及生物能源与碳捕集与封存（Bioenergy with Carbon Capture and Storage，BECCS）。BECCS技术通过甘蔗生物质燃烧提取生物能源，从燃烧气体中捕集CO₂，随后将其封存于地质构造中。值得注意的是，不同技术的有效性取决于具体应用情境，没有一种技术天然优于其他技术。已有研究分别探讨了微藻生物柴油、生物质气化与费托合成、沼气替代柴油以及大规模BECCS等方案在甘蔗生物精炼厂中的应用，但均面临高资本支出（CAPEX）、高运营支出（OPEX）或大量水消耗等挑战。墨西哥南部韦拉克鲁斯州、塔巴斯科州和坎佩切州分布着多家甘蔗精炼厂，且地处CO₂封存包含区内，邻近石油精炼厂、石化企业和化学工业等主要CO₂排放源，具备建立低成本BECCS枢纽的潜力。然而，此前尚无研究通过集成过程模拟、技术经济分析（TEA）和生命周期评价（LCA）框架，全面评估在墨西哥糖厂中实施BECCS系统。因此，本研究旨在填补这一空白，探讨通过安装碳捕集设施对现有甘蔗糖厂进行现代化改造的技术与环境可行性，以推进墨西哥的净零排放目标。

二、研究内容

本研究以位于墨西哥韦拉克鲁斯州的莫托龙戈糖厂（Ingenio Motzorongo）为对象，对一座配置为生产糖、糖蜜和生物乙醇，同时通过甘蔗渣燃烧产生热电联产（CHP）的甘蔗精炼厂进行了综合模拟。研究涵盖了完整生产链，包括：（i）糖和糖蜜提取；（ii）糖液发酵生产生物乙醇；（iii）甘蔗渣燃烧热电联产；（iv）从燃烧烟气和发酵气流中捕集CO₂。模拟基准为日处理甘蔗10,209.6公吨，对应墨西哥糖厂0.48的工厂容量因子（年运行4,237小时，即每年176.5天）。研究考虑了20%的糖汁 diverted 用于生产生物乙醇（年产量19.8 ML，纯度99.6%），年产生蔗渣617,750吨，年产糖125,904吨和糖蜜39千吨。研究将甘蔗渣燃烧产生的烟气（550,386吨/年）和生物乙醇发酵过程产生的气流（17,329吨/年）送入碳捕集系统。CO₂捕集采用质量分数30%的单乙醇胺（monoethanolamine，MEA）水溶液吸收系统，并在Aspen HYSYS版本11中进行了严格模拟。研究评估了15%、22%、30%、45%、60%、75%和90%七种CO₂捕集水平情景。通过敏感性分析确定了最低CO₂捕集水平——即在不妨碍甘蔗渣热电联产系统对糖厂核心工艺能量供应的前提下，仅利用多余蒸汽和电力进行碳捕集，该水平被限制在22%。在此水平下，所有多余蒸汽均被利用，更高捕集水平需要进口蒸汽。该情景具有最低捕集成本，被选为详细LCA评估的替代情景（AS）。在捕集工艺方面，研究采用了半经验修正的默弗里（Murphee）塔板效率的先进建模方法，通过改变液气比（L/G）确定吸收塔高度，假设贫液负荷为0.28 mol CO₂/mol MEA，富液负荷为0.47 mol CO₂/mol MEA。CO₂离开汽提塔后被压缩系统从1.875 bar压缩至150 bar，以用于运输和地质封存。

三、主要技术方法

本研究采用了以下关键技术方法：（1）利用SuperPro Designer?软件对糖厂全流程进行过程模拟，包括甘蔗分馏、糖和糖蜜生产、生物乙醇生产和生物能源产生四个主要工段；（2）利用Aspen HYSYS版本11对MEA吸收法CO₂捕集与压缩系统进行严格模拟；（3）采用模块成本技术（module cost technique）进行技术经济分析，使用Aspen Process Economic Analyzer（APEA）估算碳捕集与压缩系统设备成本，并应用Turton（2012）报告的方法计算资本支出（CAPEX）；（4）遵循ISO 14040和14044标准进行归因生命周期评价（attributional LCA），采用CML Baseline 2000方法评估十类环境影响类别。经济分析中考虑了电网电力、蒸汽、废物处理、人工、水、甘蔗渣、CO₂运输与封存、碳信用价格等成本参数。在LCA中，研究定义了基准情景（BS）和替代情景（AS），后者在BS基础上集成CCS设施，从发酵和甘蔗渣燃烧过程中回收CO₂，并允许在高捕集水平下进口能量。

四、研究结果

（一）工艺模拟结果
CHP系统产生7,846.9 kW电力和127,251.7 kW蒸汽。满足主工艺需求后，生物能源系统产生多余蒸汽189,562,444 kWh/年和多余电力8,828,155 kWh/年。莫托龙戈糖厂的电量盈余效率为14.3 kWh/吨甘蔗，与巴西糖厂相比偏低，这归因于设备老化和缺乏投资。部分多余蒸汽和电力用于生物乙醇生产（分别消耗50,239,227和2,725,774 kWh/年），剩余可用于碳捕集系统的蒸汽和电力分别为139,323,217和6,102,381 kWh/年。不包含CCS的生物能源系统能量单位生产成本为0.0234美元/kWh。发酵气流仅占总处理气体质量流量的约1.5%，其对整体脱碳贡献有限；且该气流中CO₂浓度约为33.3%（质量分数），远低于通常的95%以上，需额外调节或升级处理。因此，研究人员将两股气流混合后进行捕集，以简化工艺流程并提高经济可行性。

（二）CCS经济性分析
最低总CCS成本出现在利用甘蔗渣产生的可用蒸汽尽可能多地捕集CO₂时，对应22%的CO₂捕集率（年捕集125,520吨），总成本为86.8美元/吨CO₂（其中捕集成本为73.9美元/吨CO₂）。这一成本与文献中巴西甘蔗糖厂生物质气化合成气燃烧前捕集的69至80美元/吨CO₂及燃烧后捕集的60至73美元/吨CO₂相当。若需更高CO₂捕集率，则需要外部蒸汽和电力，但若来自传统化石燃料，将削弱生物能源和CCS的竞争力。以低于电网电力进口成本为限，最大可承受捕集率为75%（年捕集425,356吨）。若将捕集率提高至90%（年捕集511,025吨），则需要至少25美元/吨CO₂的碳信用价格，才能使能源成本与电网电价（0.094美元/kWh）持平。若采用可再生能源（如公用事业规模太阳能或陆上风电，成本分别为0.025-0.135和0.025-0.14美元/kWh），墨西哥甘蔗糖厂有望以更低成本实现脱碳。

（三）LCA环境影响评估
LCA结果表明，基准情景（BS）在大多数环境影响类别中均高于替代情景（AS），唯独光化学氧化（photochemical oxidation）在AS 90% CCS时约为BS的两倍，这与MEA回收和降解产物（甲酰胺和甲醛）有关。在主要与空气质量和CO₂排放相关的类别中，BS的100年全球增温潜势（GWP₁₀₀）至少是AS 90%捕集率情景的3倍，人体毒性（HT）约为2倍，海洋水生生态毒性（MAEc）为1.5倍。在22%捕集率下，GWP₁₀₀低于BS但高于90%捕集率情景；而人体毒性和光化学氧化等影响更低。AS在22%捕集率下对所有影响类别均有显著减缓作用，其中人体毒性和淡水生态毒性的减缓潜力最大，其次是富营养化。然而，90%捕集率情景虽在GWP₁₀₀、 abiotic depletion 和酸化等关键类别上实现最大降幅，但在富营养化、淡水水生生态毒性、陆生生态毒性和光化学氧化方面出现恶化，显示出典型的环境负担转移效应——随着捕集率提高，气候减缓效益被二次影响部分抵消，表明最大化CO₂捕集并不总能带来最佳的整体环境效果。

五、讨论与结论

LCA有效评估了甘蔗渣生物乙醇和能源联产的环境影响，识别出发酵和生物能源产生是生物乙醇生产链中排放的主要驱动环节。90%捕集率情景环境影响最小，但需外部蒸汽和电力供应；而22%捕集率利用自产能源即可实现显著的环境影响减缓。BECCS系统的实施受技术、经济和社会因素驱动，需要利益相关方的深度参与。墨西哥南部韦拉克鲁斯州分布着多家甘蔗糖厂，有利于甘蔗种植者、石油精炼企业和政府机构之间的跨行业合作，共同开发生物燃料和可持续航空燃料（sustainable aviation fuel，SAF），并通过CCS和/或提高采收率（EOR）技术致力于减缓CO₂排放。

研究结论表明，将生物能源与碳捕集与封存（BECCS）系统集成可显著降低生物乙醇、能源和糖生产相关的环境影响，尤其是全球增温潜势（GWP₁₀₀）、人体毒性和水生生态毒性方面。90%的CO₂捕集情景展现出最显著的环境效益，但代价是更高的能源需求和相关成本。相比之下，22%捕集情景仅利用生物质产生的多余蒸汽和电力即可实现可观的影响减缓，表明这是一条可行的低成本实施路径。对BECCS配置进行综合评估至关重要，因为中等捕集水平配合强化的工艺集成——如使用低碳能源、高效溶剂管理和排放控制措施——可能提供更可持续的解决方案。然而，BECCS在墨西哥部署的主要挑战之一是甘蔗收获的季节性导致的低工厂容量因子，以及糖厂基础设施老化造成的低电力盈余效率，这限制了碳捕集基础设施的全年利用并增加了每吨CO₂的减排成本。因此，应探索区域性合作策略，例如与区域内其他潜在排放源组建排放集群，以提高收获季之外的系统利用率并更均匀地分摊运营成本。