根据工艺模拟和技术经济评估：电解槽配置对水泥行业中利用二氧化碳生产甲酸生产成本的影响

《Separation and Purification Technology》：Based on process simulation and technical economic evaluation: the impact of electrolytic cell configuration on the production cost of formic acid from CO2 in cement industry

　　

春汉顾|丛黄|明雪苏|韩张|宁莉

中冶建材装备集团有限公司，合肥水泥研究院有限公司，中国合肥230051

摘要

将二氧化碳（CO₂）电化学还原为甲酸为工业碳循环提供了一条有前景的途径。本研究建立了一个针对水泥厂排放情况的技术经济模型，系统比较了两种路径下三种电解槽配置的可行性：先捕获碳再进行电解与直接电解烟气。结果表明，使用纯净CO₂的零间隙膜电极组件（ZG-MEA）由于其紧凑的设计和高稳定性而具有更优的经济性能。该配置的平准化成本为483.41美元/吨，20年净现值（NPV）为3851万美元，显著优于所有直接电解烟气的方案。这些发现表明，高纯度CO₂带来的系统效率提升足以抵消碳捕获的成本。单因素敏感性分析和蒙特卡洛分析均指出法拉第效率是主要成本驱动因素，在使用纯CO₂的情况下，ZG-MEA的盈利能力最高。进一步的对电价格敏感性分析显示，最佳路径在电价为0.076美元/千瓦时时仍能保持正的净现值，而所有配置在电价超过0.08美元/千瓦时时都变得无利可图。此外，将电解槽与水泥厂的废热系统集成后，生产成本可降低约100美元/吨。总之，本研究建议将重点从单元优化转向整体系统集成，以提高CO₂资源利用的经济竞争力。

引言

水泥行业是人为温室气体的主要来源，占全球二氧化碳（CO₂）排放量的约8%。随着气候变化缓解措施的紧迫性增加，碳捕获、利用和储存（CCUS）已成为该行业脱碳的关键途径。然而，碳的捕获和储存成本高昂，仍是广泛实施的主要障碍[1]、[2]、[3]。电化学二氧化碳还原反应（eCO₂RR）提供了一种有前景的替代方案；通过利用可再生能源电力，在温和条件下将捕获的CO₂转化为增值燃料和化学品，这项技术不仅减少了排放，还将间歇性的可再生能源以化学形式储存起来[4]、[5]、[6]。

在各种eCO₂RR产品中，甲酸特别具有吸引力，因为它在化学合成和氢储存方面具有广泛的应用。与需要复杂多电子转移的C₂+产品不同，甲酸的生产涉及两电子路径，通常表现出更高的法拉第效率和更快的反应动力学[7]、[8]、[9]。最近在反应器技术方面的进步——特别是碱性流式电池、零间隙膜电极组件（ZG-MEA）和固态电解质膜电极组件（SSE-MEA）——显著提高了电流密度、选择性和稳定性，从而提高了工业规模生产的经济可行性[10]、[11]、[12]。

随着实验室研究的不断深入，对eCO₂RR进行技术和经济分析以评估其工业潜力变得越来越重要。最近，Nzotcha等人对双室流式电池、直接甲酸生产电解槽和零间隙电解槽进行了详细的技术经济比较，为不同电解槽技术的选择和优化提供了重要见解[13]。然而，这项研究和大多数现有的技术和经济模型都基于一个关键假设：使用高纯度CO₂作为原材料。这一假设忽略了一个在将电催化系统与水泥厂等工业排放源结合时面临的基本战略选择：是应该承担高能耗和投资成本，首先通过胺吸收等技术捕获纯化的CO₂，还是直接将预处理的烟气引入电解槽以节省捕获成本[14]、[15]。

这两种路径——“捕获后电解”与“直接烟气电解”——呈现出不同的权衡。前者确保了高纯度的原料输入，保持了催化剂活性和系统稳定性，但成本较高。后者省去了独立的捕获单元的需求，但引入了水泥窑废气特有的杂质，如O₂、SOx和NOx[16]、[17]。这些杂质会干扰电催化过程；氧气会在阴极与CO₂的还原竞争中占据优势，而酸性气体可能会毒害催化剂并降解碱性电解质，导致CO₂损失增加和组件寿命缩短[18]、[19]、[20]。目前，缺乏关于这些路径的经济影响以及不同电解槽架构对复杂烟气组成耐受性的系统定量分析。

为了解决这一空白，本研究建立了一个针对水泥行业特定碳源特点的技术经济模型。我们对“捕获后电解”和“直接电解”路径进行了比较分析，涵盖了三种主流技术：碱性流式电池、零间隙膜电极组件（ZG-MEA）和固态电解质膜电极组件（SSE-MEA）。除了评估反应器性能外，这项研究还强调了工业集成场景如何从根本上改变技术经济格局。通过识别关键成本驱动因素并确定经济可行性的性能阈值，本研究为选择CO₂利用路径和指导水泥行业的未来技术发展提供了数据驱动的基础。

节选

CO₂电解槽系统模型

本研究建立了一个技术经济模型，用于评估将CO₂电化学还原为甲酸相关的物料和能量平衡、资本投资及运营成本。系统边界由四个主要子系统定义：气体供应、电解、产品分离和储存[11]。在这个框架内，该模型结合了两种不同的CO₂输入方案和三种代表性的电解槽配置，以确定甲酸的平准化成本

技术经济分析

为了评估电化学CO₂还原为甲酸的经济可行性，我们开发了一个过程模型，比较了不同的方案和电解槽配置。分析中包含了当前的原材料市场价格和实验确定的电池性能指标。详细假设和参数在支持信息中提供。

结论

本研究旨在系统评估将电催化CO₂还原系统整合到水泥行业中的技术经济可行性，特别是测试气体净化成本与电解槽性能之间的权衡是否决定了最佳的技术路径。通过构建一个综合模型，将碳源特点与三种不同的电解槽配置（流式电池、ZG-MEA和SSE-MEA）相结合，我们评估了经济可行性

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中冶国际前沿科学基金会（B240091）的支持。