《Renewable Energy》：Technoeconomic analysis and life cycle assessment of the sorption-enhanced chemical looping gasification of waste bagasse biomass to produce hydrogen and transportation fuels
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本研究利用鎳氧化物和氧化鈣作為氧載體和吸附劑，分析了吸附增強化學 looping氣化（SECLG）技術處理廢甘蔗生物質生產氫和液體燃料的工藝經濟與環境效益。結果顯示氫和石油的資本投資分別為2280萬美元和5830萬美元，平準化成本分別為1.08美元/千克和0.56美元/升。生命周期評估表明硫排放和二氧化碳濃度是主要環境問題，但人體健康和非可再生能源消耗影響較低。該技術為廢甘蔗資源化提供了經濟可行且低碳的解決方案。
作者：Lebohang Gerald Motsoeneng、Bilainu Oboirien、Andrea Lanzini、Tohid N. Borhani
所屬機構：南非約翰內斯堡大學化學工程技術系
摘要
吸附增強型化學循環氣化（SECLG）為原位碳捕獲、降低氮氣稀釋以及降低合成氣中的焦油濃度提供了有效解決方案，從而顯著降低了生物質氣化的經濟成本。在本研究中，我們評估了SECLG生產氫氣和石油的技術經濟性能及其生命周期環境影響。研究采用伊利曼石負載的氧化鎳和氧化鈣作為氧載體，以促進碳氧化合物（CO?）的捕獲。結果表明，氫氣和石油生產廠的資本投資分別為2280萬美元和5830萬美元。值得注意的是，氫氣和石油的平準化成本分別為1.08美元/千克和0.56美元/升，這對成本估算至關重要。敏感性分析顯示，氧載體和吸附劑對工廠整體盈利能力的影響較小。在生命周期評估（LCA）中，硫和CO?的排放量分別為0.009千克和91千克，被認為是主要問題；而每單位氫氣和石油產生的相關人類健康影響及非可再生能源消耗影響較低。這些發現凸顯了SECLG在將廢甘蔗渣轉化為氫氣和液體燃料方面的巨大潛力——這是一種低碳且經濟可行的途徑。
引言
帶有碳捕獲與儲存（CCS）的生物能源開發通常涉及在生物質處理單元（如燃燒、熱解和氣化）之后捕獲二氧化碳（CO?）[1]。其中，吸附增強型化學循環氣化（SECLG）作為一種低碳技術，能夠以與燃煤氣化相當的經濟成本生產能源和燃料[2]。SECLG的核心原理是通過循環操控氧載體（OCs）的價態，實現高效的化學轉化、資源優化、熱量管理以及反應產物的分離[3]。如圖1所示，這種方法可以實現減少焦油生成、調節氣體濃度、回收能量以及原位碳捕獲等多重效益。“氧載體（OC）”指的是任何能夠在600-1200°C的溫度和100-2000 KPa的壓力下保持功能平衡、耐用性和化學反應性的固體氧化物（Me?O?）[3]。在還原過程中，OC和吸附劑與其穩定形式在燃料反應器（FR）中與燃料及還原劑（通常是空氣或蒸汽）反應，生成貧氧的OC（Me?O?-1）、碳酸鈣（CaCO?）和缺CO?的氣體[5]。隨后，這些貧氧形式的OC和吸附劑被氧化，恢復為可用的穩定形式，從而完成整個氧化還原過程[4]。
最早關于SECLG在氫氣（H?）合成和CO?管理中的應用的研究由[6]提出。該研究通過實驗驗證了SECLG在電爐加熱的雙管反應器中的效果，該反應器專門用于分離氣化和碳酸化階段。結果表明，SECLG能夠提高合成氣中的H?濃度并促進CO?捕獲。此后，5、7、8等研究重點關注SECLG的工藝建模與優化，以提高H?合成氣的質量及能量效率，研究結果顯示能量效率提高了80%，H?濃度超過50%。[9]利用反向傳播神經網絡（BPNN）優化模型進一步提升了H?的回收率，當SECLG在711°C溫度下運行，使用氧化鈣（CaO）和蒸汽（流速分別為6.02、3.53、8.54 kmol/h）時，H?/CO比達到了最佳值0.99967。
基于這些及其他研究結果，我們開發了基于高性能鎳氧化物和亞鐵氧化物氧載體以及CaO吸附劑的SECLG Aspen Plus模型，用于生產氫氣和石油[10]。廢甘蔗渣氣化的工藝流程圖如圖1所示。
該過程中，氣化強化、吸附劑再生及氧載體穩定狀態的恢復分別發生在燃料反應器、煅燒器和空氣反應器中。這一流程實現了高純度H?（摩爾濃度約68%）、極低的焦油產量（干生物質中低于2 × 10??克/千克）以及低濃度的CO?（合成氣中摩爾濃度低于10%）。基于這些研究結果，我們對廢甘蔗渣氣化的技術經濟分析（TEA）和生命周期評估（LCA）進行了探討，考慮了圖1中所示的各個環節之間的相互作用。
BTG（生物質制氣）和BTL（生物質制液體燃料）場景的TEA和LCA研究均遵循圖1中規定的系統邊界。我們的目標是證明SECLG能夠提升傳統生物質氣化在氫氣和運輸燃料生產方面的商業效益和環境可行性。
材料與工具
BTG和BTL工廠的TEA模型采用Aspen Plus v14商業工藝建模軟件及Capcost 2017技術經濟評估工具開發。Aspen Plus軟件用于估算物料和能源消耗及公用事業成本（見表1）。隨后，LCA分析使用openLCA軟件完成，該軟件基于ReCiPe 2016生命周期影響評估框架。
結果與討論
經濟評估模型考慮了庫存成本、投資評估、盈利能力以及不確定性分析[13, 18]。雖然我們早期研究[10]中描述的模擬模型配置未作更改，但優化后的工廠數據匯總見補充材料表11。各場景的功能單元基于處理100噸廢物的規模。
結論
盡管已有大量關于生物質化學循環氣化的研究，但完全集成的SECLG技術在提高氫氣和運輸燃料的經濟和環境性能方面仍待探索。本研究評估了SECLG生產氫氣和石油的技術經濟性能及生命周期環境影響。技術經濟分析（TEA）基于資本投資、回收期等指標進行。
作者貢獻聲明
Bilainu O. Oboirien：撰寫、審稿與編輯、驗證、項目協調、方法論設計、數據整理、概念構思。
Lebohang Motsoeneng：撰寫初稿、驗證、方法論設計、數據整理、概念構思。
Tohid Borhani：審稿與編輯、資金籌措。
Andrea Lanzini：撰寫、審稿與編輯、項目監督
利益聲明
作者聲明無利益沖突。
資助
作者感謝Global Excellence and Stature (GES) 4.0獎學金的資助。通訊作者還感謝南非國家研究基金會和伍爾弗漢普頓大學提供的FSE訪問學者獎學金（2023–2024年），以及他們對本次合作的支持。利益沖突聲明
作者聲明以下財務利益/個人關系可能構成潛在的利益沖突：
代表作者簽署：Bilainu Oboirien 博士
