《Bioresource Technology》：Techno-Economic assessment of Energy–Optimised grass biomethane and biofertilizer production simulated with Aspen plus and pinch technology
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以草为原料的厌氧消化系统 techno-economic 和 energy 评估，采用三种产能（25,000-60,000吨/年）和三种能源配置（常规、热交换网络、热交换网络+热泵），发现热泵整合可使能耗降低55-60%，经济收益提升，支持爱尔兰2030年生物天然气目标。
Milad Motaghi | Pedram Vousoughi | Abolghasem Kazemi | David Styles | Kenneth A. Byrne
爱尔兰利默里克大学科学与工程学院生物科学系及伯纳尔研究所，利默里克 V94T9PX
摘要
本研究对以草为原料的厌氧消化（AD）技术进行了技术经济和能源评估，同时考虑了水洗涤和氨气脱除过程。评估了三种不同的工厂规模（年处理量分别为25,000吨、40,000吨和60,000吨）以及三种能源供应配置：A（传统方式）、B（热交换网络（HEN）和C（热交换网络+热泵（HP））。优化后的热交换网络实现了完全的内部热量回收，而热泵则满足了高达63%的供暖需求和36%的制冷需求。能源整合使配置B的公用事业消耗减少了30–35%，配置C的消耗减少了55–60%。经济分析表明，当氨气售价为200欧元/吨（236美元/吨）时，生物甲烷的盈亏平衡售价为103欧元/兆瓦时（122美元/兆瓦时）；而当氨气售价为1000欧元/吨（1183美元/吨）时，这一价格降至96欧元/兆瓦时（114美元/兆瓦时）。总体而言，热量回收提高了厌氧消化工厂的能源效率和经济效益。这些结果为支持气候中性和循环型生物经济发展的厌氧消化工厂配置提供了依据。
引言
厌氧消化（AD）技术是处理农业废弃物、城市固体废弃物中的有机部分以及牲畜粪便的有效方法（Taramasso等人，2024年）。该技术可以减少废弃物体积和温室气体（GHG）排放，并产生沼气作为主要产品，消化物作为副产品（Vousoughi等人，2026年）。沼气的能量含量通过其低位热值（LHV）来表示，范围通常在20至25 MJ/m3之间。将沼气升级为生物甲烷后，其LHV可提升至接近36 MJ/m3，从而满足作为传统燃料的使用标准（Angelidaki等人，2018年）。在爱尔兰，政府承诺到2030年每年生产5.7太瓦时的生物甲烷，作为实现2045年全面脱碳燃气网络战略的一部分（Vousoughi等人，2026年）。有多种沼气升级技术可供选择，包括化学/物理吸收、吸附和膜过滤方法，其中水洗涤系统应用最为广泛（Angelidaki等人，2018年）。在厌氧消化过程中，沼气是主要产品，消化物是副产品。有多种技术可用于消化物处理，以最大化养分回收并提高经济效益和环境效益（Alrbai等人，2024年）。例如，在磷酸镁结晶法中，通过调节pH值和离子浓度，镁、铵和磷酸根离子可形成固态磷酸镁（Zhang等人，2026年）。在膜过滤消化物处理中，膜作为选择性屏障，在外力作用下实现养分的部分或完全分离（Carpanez等人，2025年）。氨气脱除技术则是另一种养分回收方法，通过改变pH值和温度将消化物中的溶解铵氮转化为气态氨，随后通过气液传质过程从液相中去除（Alhelal等人，2022年）。
为了优化这些过程，过程模拟被用作一种经济有效的工具，以预测工业和研究中的实际情况（Rajendran等人，2014年）。Aspen Plus软件被许多研究人员广泛用于厌氧消化过程模拟（Rajendran等人，2014年）。厌氧消化系统的热能需求通常通过联合发电单元来满足，该单元燃烧部分产生的沼气（Taramasso等人，2024年）。然而，由于这些工厂涉及多种热流和冷流，内部热量回收可以减少整体的供暖和制冷能耗。这降低了联合发电单元中沼气的消耗量，增加了可用于生物甲烷生产的沼气量。因此，能源回收有助于可持续发展，并同时降低运营成本（Dimian等人，2014年）。Pinch分析是一种成熟的方法，用于工业过程中的内部能量回收和高效能源利用（Kemp，2011年）。Pinch分析展示了热交换网络（HEN）如何增强热流之间的热量回收（Babaei & Patel，2025年）。除了热量回收外，Pinch分析还可以评估工业过程中能源转换的整合（Bhadbhade等人，2024年）。它能够确定最佳的热泵（HP）整合方案，以最大化能源转换效率。热泵将热量从热量过剩区域转移到热量需求区域，从而减少系统的供暖和制冷需求（B de Raad等人，2024年）。
多项研究利用Aspen Plus软件对厌氧消化系统进行了模拟。例如，Menacho等人（2022年）模拟了在不同有机负荷率（OLR）和停留时间下食物废弃物的厌氧消化过程，并考虑了三种不同的脂肪浓度水平（20%、40%和60%）。结果表明，在有机负荷率为2升/天至5升/天的情况下，脂肪浓度为40%时甲烷（CH?）含量最高，为75%；脂肪浓度为60%时为77%。Alhelal等人（2022年）进行了Aspen Plus模拟和实验室规模的氨气脱除系统实验，评估了进料pH值、温度和氮浓度的影响。结果显示，在脱除单元进料pH值为10、温度为50°C以及吸收单元进料pH值为7、氮浓度为7克/升的条件下，系统性能最佳。另一项研究中，Martínez-Arce等人（2025年）对爱尔兰一家年处理量达50,000吨食物废弃物的生物甲烷工厂进行了技术经济和环境评估，估计其生物甲烷生产的平准化成本为249欧元/兆瓦时，约为2019年基准水平的2.9倍。
现有研究分别评估了厌氧消化、沼气升级和消化物处理过程。这些研究通常关注单个单元的性能或部分工艺链，因此没有探讨完全集成厌氧消化工厂内的系统相互作用、能源依赖性和权衡。虽然这些方法提供了有价值的单元特定信息，但它们未能提供一个综合框架，同时评估整个厌氧消化系统的过程模拟和验证、能源回收潜力、能源优化、技术经济性能和可持续性方面。为填补这一空白，本研究旨在开发一个全面的集成方法，包括过程模拟、基于Pinch分析的热量优化以及技术经济评估，涵盖厌氧消化、沼气升级和消化物处理单元及其相互连接。与以往的研究不同，本研究捕捉了单元间的能量流动和热量回收潜力，从而能够定量评估内部热量回收策略和热泵对厌氧消化工厂整体能源需求和经济性能的影响。本研究还符合联合国的可持续发展目标（SDGs），通过增加可再生能源的比例和减少温室气体排放，支持可持续能源（SDG 7）和气候行动（SDG 13）；通过改进消化物管理和养分回收以及可持续农业，支持清洁水和卫生（SDG 6）及零饥饿（SDG 2）。此外，将过程规模优化与爱尔兰的生物甲烷目标和生物甲烷环境可持续性计划相结合，为爱尔兰生物甲烷和生物肥料生产路径的可扩展性和可行性提供了政策相关的见解。
系统概述
本研究使用Aspen Plus 14版本和Pinch分析方法，对厌氧消化过程进行了技术、经济和能源评估，同时探讨了生物甲烷和生物肥料的生产。在初始阶段，选择草青贮作为工厂的原料，因为爱尔兰超过80%的农业用地为草地（Tisocco等人，2024年）。在三种原料输入情景下模拟了工厂过程：年处理量分别为25,000吨（小规模）和40,000吨（中等规模）
厌氧消化、生物甲烷和生物肥料的生产
草青贮的厌氧消化过程使用了两个消化器：一个用于水解反应的化学计量反应器，以及一个用于酸生成、乙酸生成和甲烷生成的连续搅拌反应器（CSTR）。产生的沼气（图1b中的流6）通过水洗涤系统进入沼气升级阶段，在该系统中，二氧化碳（CO?）在25°C和10巴的压力下被选择性吸收到水中（图1b中的ABSORBN模块）。吸收柱顶部的生物甲烷浓度达到了99%
结论
能源供应配置和工厂规模是决定厌氧消化工厂经济可行性的关键因素。将热交换网络（HEN）和热泵（HP）与工艺规模整合显著提高了能源和经济性能。在大型工厂（年处理量60,000吨）中，能源消耗减少了高达60%，最低的公用事业成本为4.3欧元/吨（相当于5.1美元/吨）。此外，生物甲烷的盈亏平衡售价也有所变化
未引用的参考文献
Bank, 2025; SEAI, 2015.
CRediT作者贡献声明
Milad Motaghi：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法论研究、数据分析、概念化。Pedram Vousoughi：撰写 – 审稿与编辑、验证、软件应用、方法论研究、数据分析、概念化。Abolghasem Kazemi：撰写 – 审稿与编辑、软件应用、方法论研究、数据分析、概念化。David Styles：撰写 – 审稿与编辑
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢爱尔兰气候、能源和环境部通过FORESIGHT服务合同为这项关于国家农业和土地利用建模的工作提供资金支持。
