将热泵技术集成到乙醇-水蒸馏过程中：电网碳强度和碳定价对碳足迹及工艺经济效益的影响

《Journal of Food Engineering》：Integrating heat pump technology into ethanol-water distillation: Influence of grid carbon intensity and carbon pricing on carbon footprint and process economics

　　约翰·J·菲茨帕特里克|伊莎贝尔·凯霍|玛丽·A·奥沙利文
爱尔兰科克大学工程学院过程与化学工程系

**摘要**
在农业、食品和饮料行业中，乙醇-水蒸馏通常是一个高碳强度的操作。本文定量研究了三种用于为蒸馏过程提供热量的热泵技术（蒸汽压缩VC、蒸汽再压缩VRC和底部闪蒸BF），并与天然气锅炉进行了比较。研究的重点是探讨电网碳强度和碳定价对系统经济性和碳足迹的影响。由于热泵能够利用从蒸馏柱顶部排出的蒸汽中的热量，因此它们的碳足迹要低得多。由于热泵需要电力，将电网转化为低碳强度可以降低其碳足迹，从而有助于加工企业实现净零碳排放的目标。例如，在电网碳强度为0.1 kg CO2 kWh?1的情况下，VC、VRC和BF热泵的碳足迹分别为天然气锅炉的9.9%、5.4%和6.9%。热泵的年能源成本约为天然气锅炉的30%至60%，但资本成本却高出2至6倍。研究表明，引入碳定价并同时将电网转化为低碳强度后，热泵在经济上将逐渐比天然气锅炉更具竞争力。这激励了热泵的广泛应用，以实现其减少碳排放的重要环境优势，从而使加工企业能够在减缓气候变化方面发挥作用。

**引言**
基于乙醇的产品是农业食品和饮料（AFD）行业中的重要产品。主要例子包括从甘蔗和玉米中生产生物乙醇（主要用于生物燃料），以及生产酒精饮料如威士忌。AFD行业的乙醇产品主要是通过发酵各种农业原料（包括从甘蔗和玉米、大麦等谷物中提取的糖和淀粉）制成的（Jain & Kumar, 2024; Joyia et al., 2024; Kazmi et al., 2025; Melendez et al., 2022）。发酵和分离固体后，从剩余的水溶液中分离或分级乙醇的主要方法是蒸馏（Tgarguifa et al., 2017; Santos et al., 2022）。蒸馏可以在连续模式和批次模式下进行，这两种模式在AFD行业中都有应用。连续柱蒸馏过程通常用于从甘蔗和玉米中生产高纯度的乙醇，而批次蒸馏则更常用于生产强化酒精饮料（如威士忌）。许多AFD行业的加工工厂对热能和电力有大量需求（Ladha-Sabur, 2019; Clairand et al., 2020），因此使用高效节能技术来降低成本和碳足迹非常重要。蒸馏是一种从水溶液中分离乙醇的能源密集型过程，需要大量的热能输入。例如，如图1a所示，连续柱蒸馏过程需要加热输入将原料预热到饱和液态，并将热量传递给再沸器以向蒸馏柱底部提供饱和蒸汽。原料预热通常通过热交换器实现，利用离开蒸馏过程的热水流（包括残余产物流）进行热量传递。因此，主要的熱量输入发生在沸腾过程中（例如图1a中的再沸器）。这一过程传统上由蒸汽锅炉提供热量，蒸汽锅炉通过燃烧化石燃料或废弃物生物质来产生蒸汽。从蒸馏柱顶部排出的蒸汽被冷凝，冷却水用于去除冷凝热量。如果这些热量未被利用，就会成为能量的主要浪费。

热泵技术可以大大减少所需的能量输入及其相关的碳足迹（Kiss & Smith, 2020; Kiss et al., 2012; Zühlsdorf et al., 2025）。在工业蒸馏过程中，有三种热泵技术受到了广泛关注（Diez et al., 2009; Reddy et al., 2014; Kazemi et al., 2016, 2018, 2024），分别是蒸汽压缩（VC）热泵、蒸汽再压缩（VRC）热泵和底部闪蒸（BF）热泵。这些热泵在本研究中被考虑，并将在第2节中进一步阐述。它们从蒸馏柱或蒸馏釜排出的蒸汽中回收热量，并将其传递到沸腾过程中。例如，图1b展示了VC热泵的工作原理：从蒸馏柱顶部排出的蒸汽中回收热量，并将其传递给再沸器，为进入蒸馏柱底部的蒸汽提供能量。蒸汽压缩机用于克服蒸馏冷凝器和再沸器之间的温差，从而实现有效的热量传递，从而节省大量能源。虽然热泵中的压缩机确实需要大量的电能输入，但仍能显著节省能源。这种节能也有助于减少蒸馏过程的碳足迹，但这取决于向热泵压缩机供电的电网碳强度。由于工业过程通常从电网获取电力，因此供电的碳足迹将由电网的碳强度决定。

业界对工艺过程中的电气化表现出浓厚兴趣（Madeddu et al., 2020; Bühler et al. 2019），主要原因是为了应对气候变化并减少自身的碳排放，这一目标被称为“迈向净零排放”。许多电网的碳强度正在逐渐降低，这一趋势未来将持续下去，目标是实现非常低的碳排放。因此，来自低碳电网的电力产生的热量也将具有较低的碳排放，从而减少工业加热相关的碳排放。

综上所述，与使用化石燃料蒸汽锅炉的传统过程相比，热泵技术在减少蒸馏过程的碳足迹方面具有巨大潜力。这是通过上述两种机制实现的：
1) 它们的能量输入需求较低，通常导致更低的碳足迹。
2) 它们需要电能，如果电能来自低碳来源（如低碳强度的电网），则碳足迹也会较低。

从经济角度来看，使用电力提供热量往往比使用天然气锅炉更昂贵（欧盟统计局，2024年数据）。这最初可能被认为是一个重大劣势，然而热泵所需的能量大幅减少可以帮助抵消这一价格劣势，使热泵技术的应用更具经济优势。此外，引入碳定价将使低碳能源技术更具经济竞争力。2018年诺贝尔经济学奖得主威廉·诺德豪斯提出了经济学在实现温室气体减排目标及应对气候变化危机中的关键作用（Nordhaus, 2013）。他认为，说服个人、企业和政府做出决策并采取必要行动以大幅减少碳排放的最佳方法是利用市场机制，其中最有效的市场机制是价格机制，即对碳排放征收高价。在本研究中，足够的碳定价和较低的电网碳强度相结合，有可能使热泵技术在经济效益上超过使用化石燃料锅炉的传统蒸馏过程。

乙醇-水蒸馏是AFD行业中蒸馏应用的重要示例。热泵技术在乙醇-水蒸馏过程中是一种更高效的热量供应方式（Oliveira et al., 2001,2002; Enweremadu et al., 2009; Luo et al., 2015; Kazemi et al., 2017; Heat Pumping Technologies, 2025）。本研究通过定量和数学建模分析，研究了热泵技术（VC、VRC和BF）在乙醇-水连续柱蒸馏中的应用。具体而言，研究的目的是探讨热泵技术对以下方面的影响：
●环境影响，特别是减少碳足迹方面，以及电网碳强度的重要性。
●过程经济性及其受电网碳强度和碳定价的影响。

最后，需要认识到某些乙醇产品生产过程拥有丰富的废弃物生物质，可以燃烧这些生物质为蒸馏提供热能。例如，在甘蔗乙醇生产中使用了 bagasse（Dias et al., 2011; Eliseu Nicula de Castro et al., 2019）。从生命周期角度来看，这是一种可再生的低碳能源供应方式。然而，有些生产过程无法获得充足的废弃物生物质，必须依赖化石燃料来提供热量。此外，即使有废弃物生物质，也可以将其用于更有环境效益的用途（Kamboj et al., 2024; Matsueda & Antunes, 2024），而热泵技术由于能够从顶部蒸汽中回收能量，因此可能更具优势。鉴于此，本研究的重点是这些热泵技术，并将其与使用天然气作为燃料的蒸汽锅炉进行比较（天然气是最低碳的化石燃料）。本研究的局限性在于仅关注连续蒸馏过程，而批次蒸馏在AFD行业中同样重要，未来的研究方向是将这些成果应用于乙醇-水批次蒸馏过程。

**蒸馏过程的物料平衡和能量分析**
乙醇-水混合物的进料流量为519 kmol h?1（10 t h?1）。在AFD行业中，进入蒸馏器的乙醇浓度通常在4%到20% w/w之间（Alba-Lois & Segal-Kischinevzky, 2010; Ibenegbu et al., 2025; Puligundla et al., 2019; Mathew et al., 2015; Tgarguifa et al., 2017）。因此，初始假设进料中乙醇的摩尔分数为0.044（10.5%）。

**能源需求、碳足迹和电网碳强度的影响**
有两个加热需求：再沸器加热需求（）和进料预热需求（），其计算值见表6。进料预热需求较大，但计算表明可以回收足够的热量来预热进料。因此，在能量分析中仅考虑了再沸器加热需求。

**结论**
热泵所需的能量减少导致其碳足迹显著低于天然气锅炉。然而，由于热泵使用电力，其碳足迹受到电力来源（如电网）碳强度的强烈影响。将电网转变为低碳强度电网将减少任何电加热系统的碳足迹，包括热泵。
CRediT作者贡献声明：
John Fitzpatrick：撰写文本内容、项目管理工作、数据分析及概念构建；
Isabel Kehoe：数据调查及数据分析；
Mary A. O’Sullivan：文本审阅与编辑、数据调查及数据分析；
未引用的参考文献：Díez等人，2009年；Ladha-Sabur等人，2019年。
利益冲突声明：
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。