利用Aspen Plus模拟软件对通过太阳能驱动的玉米秸秆气化生产绿色甲醇的过程进行技术经济分析、能量评估、有效能分析及环境影响评估

《Biomass and Bioenergy》：Techno-economic analysis, energy, exergy and environmental assessment of green methanol production via solar-driven gasification of corn stalk using Aspen Plus simulation

本研究提出集成太阳能驱动的玉米秸秆气化系统，通过太阳能热与熔盐储热技术提供气化所需高温蒸汽，结合碱性水电解制氢与二氧化碳加氢合成甲醇，形成近封闭碳循环。基于山东淄博的气候数据，系统实现年产4000吨甲醇，总投入1.486亿欧元，平准化成本960欧元/吨，太阳能与Exergy效率分别达55.7%和53.2%，二氧化碳排放强度仅为0.114吨/GJ，较传统工艺降低22.1%-65.2%。

　　

Jiaqi Jiao|Guosheng Li|Baoxin Niu|Lingyu Tai|Sunu Herwi Pranolo|Paolo De Filippis|Benedetta De Caprariis|Yang Zhang|Jingang Yao

山东工业大学农业工程与食品科学学院，山东省清洁能源工程技术研究中心，山东省生物质高效转化与利用重点实验室，淄博市，255000，中国

摘要

本研究提出了一种集成式的太阳能驱动玉米秸秆气化系统，用于生产绿色甲醇（MeOH），并使用Aspen Plus软件进行了全面的4-E分析（能量、熵、经济性和环境性分析）。该系统利用聚光太阳能与熔盐热能储存（TES）技术来满足气化过程中的高温需求，同时通过碱性水电解产生可再生氢气（H₂）用于甲醇合成，从而形成一个近乎封闭的碳循环。以山东省淄博市作为评估地点，确定了关键参数，包括气化温度为900°C和蒸汽与生物质的比例（S/B）为0.4。仿真结果显示，系统的总能量输入为10504.32 kW，机械能量输出为6512.67 kW，相应的太阳能和熵效率分别为55.7%和53.2%。技术经济分析（TEA）表明，年甲醇产量为4000吨时，系统总投资约为1486万欧元，甲醇的平准化成本（LCoM）为960欧元/吨。环境评估显示，该系统的二氧化碳排放强度仅为0.114吨/吉焦，比传统的化石燃料基甲醇生产方式低22.1%–65.2%。总体而言，本研究证明了太阳能集成生物质气化生产绿色甲醇的技术经济可行性，有助于实现海运领域的深度脱碳。

引言

航运行业约占全球人为温室气体排放总量的3%。2012年国际航运排放量为9.77亿吨，2018年增至10.76亿吨，这些排放以二氧化碳（CO₂）当量表示，其中包括二氧化碳（CO₂）、二氧化氮（N₂O）和甲烷（CH₄）[[1], [2], [3]]。如果不采取有效缓解措施，到2050年这一行业的排放量可能上升到全球二氧化碳排放总量的5–8%。随着全球能源需求的增加以及对化石燃料供应安全性的担忧，寻找可持续替代方案变得尤为紧迫[[4], [5], [6]]。

在这种背景下，绿色甲醇越来越被视为低碳海运燃料的领先候选者，与氢气（H₂）、氨、液化天然气（LNG）和先进生物燃料并驾齐驱[7,8]。与必须在350–700巴压力或-253°C的低温罐中储存且存在蒸发损失的气态氢气相比，甲醇在常温下仍为液态，可以使用与传统海运燃料相似的储存和加注基础设施进行处理，只需进行适度的材料升级[9]。氨可以在较温和的热力学条件下液化，但其高毒性及严格的处理要求带来了额外的安全和监管负担；而甲醇则得益于化学和海运领域丰富的运营经验和相对完善的安全规范[7,9]。尽管甲醇的体积能量密度低于传统化石燃料，但其仍远高于压缩氢气，并与其他低碳燃料相当，因此可以实现更紧凑的船上储存和更简单的燃料处理系统[8,9]。当使用可再生氢气从可持续生物质和/或捕获的二氧化碳（CO₂）合成时，绿色甲醇能够结合良好的燃料性能和显著降低的生命周期温室气体排放， recent的技术经济和生命周期评估研究也证实了这一点[10]。

然而，目前全球大部分甲醇生产仍依赖化石资源，主要是通过天然气重整工艺[10], [11], [12], [13]。与此同时，几种基于可再生能源的途径也受到了越来越多的关注，包括生物质气化、焦炉或高炉煤气利用以及利用可再生电力进行二氧化碳（CO₂氢化[14,15]。特别是将太阳能、风能或地热能与生物质资源结合，可以在能源供应充分脱碳和高效整合的情况下实现接近碳中和的甲醇生产。然而，太阳能的间歇性和不确定性仍然是其大规模应用于连续化学生产系统的主要障碍。一种广泛讨论的策略是将太阳能转化为氢气（H₂）、甲醇（MeOH）、甲烷（CH₄）等化学载体，这些载体可以高密度储存能量并实现全球运输和交易[[16], [17], [18]]。

最近的研究将生物质转化与太阳能辅助子系统相结合，并通过多目标优化和熵经济/技术经济分析来评估性能，突显了热能-电力协同整合的价值[19,20]。生产绿色氢气、电力和其他副产品的太阳能驱动多联产工厂也已被建模和优化，先进的混合配置（例如，带有二氧化碳处理/液化的固体氧化物燃料电池（SOFC）系统）进一步证明了集成设计可以提高整体效率和成本竞争力[21,22]。此外，集成合成系统的系统级技术经济优化强调了策略和运行调度假设对实际可行性的重要性，为本研究提供了方法论参考。

为了解决太阳能的间歇性问题并提高可再生甲醇合成的整体效率，提出了一种新型集成系统[[23], [24], [25]]。该系统利用定日镜将太阳能集中到接收器上，产生高温蒸汽用于工业应用，如甲醇合成。为了在没有阳光的时段确保连续运行，系统中加入了熔盐热能储存系统。白天，熔盐吸收太阳能，随后释放热量产生蒸汽，从而维持稳定的能量输入。在二氧化碳氢化过程中，太阳能光伏（PV）产生的电力可用于电解水，生成氢气（H₂），然后将其与从生物质气化过程中捕获的二氧化碳（CO₂）结合，合成甲醇。通过整合这些单元，可提高可再生能源的利用率，并显著降低甲醇生产的生命周期温室气体排放[2]。

在这方面，一些代表性研究从太阳能热能或太阳能电能的角度探讨了太阳能辅助的生物质制甲醇概念。Bai等人研究了一种太阳能辅助的生物质气化多联产系统，该系统生产甲醇和电力，同时考虑了热力学和经济性能以及非设计条件下的运行[26]。Herdem等人模拟了一种生物质气化-PV-电解系统，通过二氧化碳（CO₂氢化生产甲醇，重点研究了不同气候条件下的光伏供电和电解-电网相互作用[5]。然而，这些研究并未在同一系统框架内同时整合太阳能热能供应（含热储存）和太阳能电能供应用于甲醇合成。因此，本研究的主要方法论/集成创新在于在同一系统框架内整合了太阳能热能供应（含熔盐储存）和太阳能电能氢气生产，实现了统一的4-E评估和透明的权衡分析[27]。

假设

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  气相物种遵循理想气体定律。
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  空气被建模为21%的氧气（O₂）和79%的氮气（N₂）。
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  仿真在稳态下进行。
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  忽略热损失。
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  假设气化过程在固定条件下进行。
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  未考虑焦油的形成。
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  固体碳的分子量与纯碳相同，且为纯形式。

太阳能模块

本研究选择的评估地点是中国东部山东省的淄博市（北纬36°48′，东经118°05′），该地区拥有丰富的太阳能和生物质资源

模型验证

太阳能发电厂、甲醇合成反应器和生物质气化器是该系统的三个主要组成部分。其中，生物质气化器尤为重要，因为它产生的合成气类型直接影响甲醇合成和电力生产的效率。为了验证模型，将主要合成气成分——H₂、CO、CO₂和CH₄与已发表的实验数据进行了比较

结论

本研究提出了一种集成系统，利用太阳能驱动玉米秸秆气化生产绿色甲醇，并通过Aspen Plus仿真进行了全面的4-E分析。该系统采用聚光太阳能和熔盐热能储存技术提供生物质气化所需的高温热量。结合碱性水电解制氢和甲醇合成模块，形成了一个封闭的碳循环。以山东省淄博市为例

CRediT作者贡献声明

Jiaqi Jiao：撰写——初稿。Guosheng Li：指导、概念构思。Baoxin Niu：撰写——审阅与编辑。Lingyu Tai：研究。Sunu Herwi Pranolo：指导、研究。Paolo De Filippis：概念构思。Benedetta De Caprariis：研究。Yang Zhang：撰写——审阅与编辑、指导。Jingang Yao：撰写——审阅与编辑、指导、资金筹措。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52476209和52336008）和山东省自然科学基金（项目编号：ZR2024ME155）的财政支持。