《Bioresource Technology》：Techno-Economic assessment of Energy–Optimised grass biomethane and biofertilizer production simulated with Aspen plus and pinch technology
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以草為原料的厭氧消化系統 techno-economic 和 energy 評估，采用三種產能（25,000-60,000噸/年）和三種能源配置（常規、熱交換網絡、熱交換網絡+熱泵），發現熱泵整合可使能耗降低55-60%，經濟收益提升，支持愛爾蘭2030年生物天然氣目標。
Milad Motaghi | Pedram Vousoughi | Abolghasem Kazemi | David Styles | Kenneth A. Byrne
愛爾蘭利默里克大學科學與工程學院生物科學系及伯納爾研究所，利默里克 V94T9PX
摘要
本研究對以草為原料的厭氧消化（AD）技術進行了技術經濟和能源評估，同時考慮了水洗滌和氨氣脫除過程。評估了三種不同的工廠規模（年處理量分別為25,000噸、40,000噸和60,000噸）以及三種能源供應配置：A（傳統方式）、B（熱交換網絡（HEN）和C（熱交換網絡+熱泵（HP））。優化后的熱交換網絡實現了完全的內部熱量回收，而熱泵則滿足了高達63%的供暖需求和36%的制冷需求。能源整合使配置B的公用事業消耗減少了30–35%，配置C的消耗減少了55–60%。經濟分析表明，當氨氣售價為200歐元/噸（236美元/噸）時，生物甲烷的盈虧平衡售價為103歐元/兆瓦時（122美元/兆瓦時）；而當氨氣售價為1000歐元/噸（1183美元/噸）時，這一價格降至96歐元/兆瓦時（114美元/兆瓦時）�？傮w而言，熱量回收提高了厭氧消化工廠的能源效率和經濟效益。這些結果為支持氣候中性和循環型生物經濟發展的厭氧消化工廠配置提供了依據。
引言
厭氧消化（AD）技術是處理農業廢棄物、城市固體廢棄物中的有機部分以及牲畜糞便的有效方法（Taramasso等人，2024年）。該技術可以減少廢棄物體積和溫室氣體（GHG）排放，并產生沼氣作為主要產品，消化物作為副產品（Vousoughi等人，2026年）。沼氣的能量含量通過其低位熱值（LHV）來表示，范圍通常在20至25 MJ/m3之間。將沼氣升級為生物甲烷后，其LHV可提升至接近36 MJ/m3，從而滿足作為傳統燃料的使用標準（Angelidaki等人，2018年）。在愛爾蘭，政府承諾到2030年每年生產5.7太瓦時的生物甲烷，作為實現2045年全面脫碳燃氣網絡戰略的一部分（Vousoughi等人，2026年）。有多種沼氣升級技術可供選擇，包括化學/物理吸收、吸附和膜過濾方法，其中水洗滌系統應用最為廣泛（Angelidaki等人，2018年）。在厭氧消化過程中，沼氣是主要產品，消化物是副產品。有多種技術可用于消化物處理，以最大化養分回收并提高經濟效益和環境效益（Alrbai等人，2024年）。例如，在磷酸鎂結晶法中，通過調節pH值和離子濃度，鎂、銨和磷酸根離子可形成固態磷酸鎂（Zhang等人，2026年）。在膜過濾消化物處理中，膜作為選擇性屏障，在外力作用下實現養分的部分或完全分離（Carpanez等人，2025年）。氨氣脫除技術則是另一種養分回收方法，通過改變pH值和溫度將消化物中的溶解銨氮轉化為氣態氨，隨后通過氣液傳質過程從液相中去除（Alhelal等人，2022年）。
為了優化這些過程，過程模擬被用作一種經濟有效的工具，以預測工業和研究中的實際情況（Rajendran等人，2014年）。Aspen Plus軟件被許多研究人員廣泛用于厭氧消化過程模擬（Rajendran等人，2014年）。厭氧消化系統的熱能需求通常通過聯合發電單元來滿足，該單元燃燒部分產生的沼氣（Taramasso等人，2024年）。然而，由于這些工廠涉及多種熱流和冷流，內部熱量回收可以減少整體的供暖和制冷能耗。這降低了聯合發電單元中沼氣的消耗量，增加了可用于生物甲烷生產的沼氣量。因此，能源回收有助于可持續發展，并同時降低運營成本（Dimian等人，2014年）。Pinch分析是一種成熟的方法，用于工業過程中的內部能量回收和高效能源利用（Kemp，2011年）。Pinch分析展示了熱交換網絡（HEN）如何增強熱流之間的熱量回收（Babaei & Patel，2025年）。除了熱量回收外，Pinch分析還可以評估工業過程中能源轉換的整合（Bhadbhade等人，2024年）。它能夠確定最佳的熱泵（HP）整合方案，以最大化能源轉換效率。熱泵將熱量從熱量過剩區域轉移到熱量需求區域，從而減少系統的供暖和制冷需求（B de Raad等人，2024年）。
多項研究利用Aspen Plus軟件對厭氧消化系統進行了模擬。例如，Menacho等人（2022年）模擬了在不同有機負荷率（OLR）和停留時間下食物廢棄物的厭氧消化過程，并考慮了三種不同的脂肪濃度水平（20%、40%和60%）。結果表明，在有機負荷率為2升/天至5升/天的情況下，脂肪濃度為40%時甲烷（CH?）含量最高，為75%；脂肪濃度為60%時為77%。Alhelal等人（2022年）進行了Aspen Plus模擬和實驗室規模的氨氣脫除系統實驗，評估了進料pH值、溫度和氮濃度的影響。結果顯示，在脫除單元進料pH值為10、溫度為50°C以及吸收單元進料pH值為7、氮濃度為7克/升的條件下，系統性能最佳。另一項研究中，Martínez-Arce等人（2025年）對愛爾蘭一家年處理量達50,000噸食物廢棄物的生物甲烷工廠進行了技術經濟和環境評估，估計其生物甲烷生產的平準化成本為249歐元/兆瓦時，約為2019年基準水平的2.9倍。
現有研究分別評估了厭氧消化、沼氣升級和消化物處理過程。這些研究通常關注單個單元的性能或部分工藝鏈，因此沒有探討完全集成厭氧消化工廠內的系統相互作用、能源依賴性和權衡。雖然這些方法提供了有價值的單元特定信息，但它們未能提供一個綜合框架，同時評估整個厭氧消化系統的過程模擬和驗證、能源回收潛力、能源優化、技術經濟性能和可持續性方面。為填補這一空白，本研究旨在開發一個全面的集成方法，包括過程模擬、基于Pinch分析的熱量優化以及技術經濟評估，涵蓋厭氧消化、沼氣升級和消化物處理單元及其相互連接。與以往的研究不同，本研究捕捉了單元間的能量流動和熱量回收潛力，從而能夠定量評估內部熱量回收策略和熱泵對厭氧消化工廠整體能源需求和經濟性能的影響。本研究還符合聯合國的可持續發展目標（SDGs），通過增加可再生能源的比例和減少溫室氣體排放，支持可持續能源（SDG 7）和氣候行動（SDG 13）；通過改進消化物管理和養分回收以及可持續農業，支持清潔水和衛生（SDG 6）及零饑餓（SDG 2）。此外，將過程規模優化與愛爾蘭的生物甲烷目標和生物甲烷環境可持續性計劃相結合，為愛爾蘭生物甲烷和生物肥料生產路徑的可擴展性和可行性提供了政策相關的見解。
系統概述
本研究使用Aspen Plus 14版本和Pinch分析方法，對厭氧消化過程進行了技術、經濟和能源評估，同時探討了生物甲烷和生物肥料的生產。在初始階段，選擇草青貯作為工廠的原料，因為愛爾蘭超過80%的農業用地為草地（Tisocco等人，2024年）。在三種原料輸入情景下模擬了工廠過程：年處理量分別為25,000噸（小規模）和40,000噸（中等規模）
厭氧消化、生物甲烷和生物肥料的生產
草青貯的厭氧消化過程使用了兩個消化器：一個用于水解反應的化學計量反應器，以及一個用于酸生成、乙酸生成和甲烷生成的連續攪拌反應器（CSTR）。產生的沼氣（圖1b中的流6）通過水洗滌系統進入沼氣升級階段，在該系統中，二氧化碳（CO?）在25°C和10巴的壓力下被選擇性吸收到水中（圖1b中的ABSORBN模塊）。吸收柱頂部的生物甲烷濃度達到了99%
結論
能源供應配置和工廠規模是決定厭氧消化工廠經濟可行性的關鍵因素。將熱交換網絡（HEN）和熱泵（HP）與工藝規模整合顯著提高了能源和經濟性能。在大型工廠（年處理量60,000噸）中，能源消耗減少了高達60%，最低的公用事業成本為4.3歐元/噸（相當于5.1美元/噸）。此外，生物甲烷的盈虧平衡售價也有所變化
未引用的參考文獻
Bank, 2025; SEAI, 2015.
CRediT作者貢獻聲明
Milad Motaghi：撰寫 – 審稿與編輯、原始草稿撰寫、可視化、驗證、軟件應用、方法論研究、數據分析、概念化。Pedram Vousoughi：撰寫 – 審稿與編輯、驗證、軟件應用、方法論研究、數據分析、概念化。Abolghasem Kazemi：撰寫 – 審稿與編輯、軟件應用、方法論研究、數據分析、概念化。David Styles：撰寫 – 審稿與編輯
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文的研究結果。
致謝
作者感謝愛爾蘭氣候、能源和環境部通過FORESIGHT服務合同為這項關于國家農業和土地利用建模的工作提供資金支持。
