《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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本研究利用镍氧化物和氧化钙作为氧载体和吸附剂，分析了吸附增强化学 looping气化（SECLG）技术处理废甘蔗生物质生产氢和液体燃料的工艺经济与环境效益。结果显示氢和石油的资本投资分别为2280万美元和5830万美元，平准化成本分别为1.08美元/千克和0.56美元/升。生命周期评估表明硫排放和二氧化碳浓度是主要环境问题，但人体健康和非可再生能源消耗影响较低。该技术为废甘蔗资源化提供了经济可行且低碳的解决方案。
作者：Lebohang Gerald Motsoeneng、Bilainu Oboirien、Andrea Lanzini、Tohid N. Borhani
所属机构：南非约翰内斯堡大学化学工程技术系
摘要
吸附增强型化学循环气化（SECLG）为原位碳捕获、降低氮气稀释以及降低合成气中的焦油浓度提供了有效解决方案，从而显著降低了生物质气化的经济成本。在本研究中，我们评估了SECLG生产氢气和石油的技术经济性能及其生命周期环境影响。研究采用伊利曼石负载的氧化镍和氧化钙作为氧载体，以促进碳氧化合物（CO?）的捕获。结果表明，氢气和石油生产厂的资本投资分别为2280万美元和5830万美元。值得注意的是，氢气和石油的平准化成本分别为1.08美元/千克和0.56美元/升，这对成本估算至关重要。敏感性分析显示，氧载体和吸附剂对工厂整体盈利能力的影响较小。在生命周期评估（LCA）中，硫和CO?的排放量分别为0.009千克和91千克，被认为是主要问题；而每单位氢气和石油产生的相关人类健康影响及非可再生能源消耗影响较低。这些发现凸显了SECLG在将废甘蔗渣转化为氢气和液体燃料方面的巨大潜力——这是一种低碳且经济可行的途径。
引言
带有碳捕获与储存（CCS）的生物能源开发通常涉及在生物质处理单元（如燃烧、热解和气化）之后捕获二氧化碳（CO?）[1]。其中，吸附增强型化学循环气化（SECLG）作为一种低碳技术，能够以与燃煤气化相当的经济成本生产能源和燃料[2]。SECLG的核心原理是通过循环操控氧载体（OCs）的价态，实现高效的化学转化、资源优化、热量管理以及反应产物的分离[3]。如图1所示，这种方法可以实现减少焦油生成、调节气体浓度、回收能量以及原位碳捕获等多重效益。“氧载体（OC）”指的是任何能够在600-1200°C的温度和100-2000 KPa的压力下保持功能平衡、耐用性和化学反应性的固体氧化物（Me?O?）[3]。在还原过程中，OC和吸附剂与其稳定形式在燃料反应器（FR）中与燃料及还原剂（通常是空气或蒸汽）反应，生成贫氧的OC（Me?O?-1）、碳酸钙（CaCO?）和缺CO?的气体[5]。随后，这些贫氧形式的OC和吸附剂被氧化，恢复为可用的稳定形式，从而完成整个氧化还原过程[4]。
最早关于SECLG在氢气（H?）合成和CO?管理中的应用的研究由[6]提出。该研究通过实验验证了SECLG在电炉加热的双管反应器中的效果，该反应器专门用于分离气化和碳酸化阶段。结果表明，SECLG能够提高合成气中的H?浓度并促进CO?捕获。此后，5、7、8等研究重点关注SECLG的工艺建模与优化，以提高H?合成气的质量及能量效率，研究结果显示能量效率提高了80%，H?浓度超过50%。[9]利用反向传播神经网络（BPNN）优化模型进一步提升了H?的回收率，当SECLG在711°C温度下运行，使用氧化钙（CaO）和蒸汽（流速分别为6.02、3.53、8.54 kmol/h）时，H?/CO比达到了最佳值0.99967。
基于这些及其他研究结果，我们开发了基于高性能镍氧化物和亚铁氧化物氧载体以及CaO吸附剂的SECLG Aspen Plus模型，用于生产氢气和石油[10]。废甘蔗渣气化的工艺流程图如图1所示。
该过程中，气化强化、吸附剂再生及氧载体稳定状态的恢复分别发生在燃料反应器、煅烧器和空气反应器中。这一流程实现了高纯度H?（摩尔浓度约68%）、极低的焦油产量（干生物质中低于2 × 10??克/千克）以及低浓度的CO?（合成气中摩尔浓度低于10%）。基于这些研究结果，我们对废甘蔗渣气化的技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）进行了探讨，考虑了图1中所示的各个环节之间的相互作用。
BTG（生物质制气）和BTL（生物质制液体燃料）场景的TEA和LCA研究均遵循图1中规定的系统边界。我们的目标是证明SECLG能够提升传统生物质气化在氢气和运输燃料生产方面的商业效益和环境可行性。
材料与工具
BTG和BTL工厂的TEA模型采用Aspen Plus v14商业工艺建模软件及Capcost 2017技术经济评估工具开发。Aspen Plus软件用于估算物料和能源消耗及公用事业成本（见表1）。随后，LCA分析使用openLCA软件完成，该软件基于ReCiPe 2016生命周期影响评估框架。
结果与讨论
经济评估模型考虑了库存成本、投资评估、盈利能力以及不确定性分析[13, 18]。虽然我们早期研究[10]中描述的模拟模型配置未作更改，但优化后的工厂数据汇总见补充材料表11。各场景的功能单元基于处理100吨废物的规模。
结论
尽管已有大量关于生物质化学循环气化的研究，但完全集成的SECLG技术在提高氢气和运输燃料的经济和环境性能方面仍待探索。本研究评估了SECLG生产氢气和石油的技术经济性能及生命周期环境影响。技术经济分析（TEA）基于资本投资、回收期等指标进行。
作者贡献声明
Bilainu O. Oboirien：撰写、审稿与编辑、验证、项目协调、方法论设计、数据整理、概念构思。
Lebohang Motsoeneng：撰写初稿、验证、方法论设计、数据整理、概念构思。
Tohid Borhani：审稿与编辑、资金筹措。
Andrea Lanzini：撰写、审稿与编辑、项目监督
利益声明
作者声明无利益冲突。
资助
作者感谢Global Excellence and Stature (GES) 4.0奖学金的资助。通讯作者还感谢南非国家研究基金会和伍尔弗汉普顿大学提供的FSE访问学者奖学金（2023–2024年），以及他们对本次合作的支持。利益冲突声明
作者声明以下财务利益/个人关系可能构成潜在的利益冲突：
代表作者签署：Bilainu Oboirien 博士
