将藻类残渣和含油污泥综合转化为氢气和液态生物燃料：详细工艺模拟及初步可行性评估

《Regional Studies in Marine Science》：Integrated valorization of algae residue and oily sludge into hydrogen and liquid biofuels: detailed process simulation and preliminary operational assessment

　　马塞洛·玛丽亚·博齐尼（Marcello Maria Bozzini）|弗朗切斯科·德·富斯科（Francesco de Fusco）|努里亚·费雷拉·洛伦佐（Nuria Ferrera Lorenzo）|马蒂亚·瓦莱里奥（Mattia Vallerio）|弗拉维奥·马内蒂（Flavio Manenti）
米兰理工大学“朱利奥·纳塔”化学、材料与化学工程系
地址：莱昂纳多·达·芬奇广场32号，米兰20133，意大利

**摘要**
利用生物质生产燃料可以显著减少能源行业的环境足迹。在这种情况下，微藻残渣和工业油泥成为生产可持续燃料的有前景的原料。本研究评估了这种综合废物到燃料转化路径的技术可行性，并对其进行了敏感性分析，该路径包括废物衍生原料的氢气和液体生物燃料的联合生产。该路径结合了微波热解、重整和水煤气转换（针对气态部分），无氢氢脱氧（针对液态部分），以及将固态残渣转化为活性炭的工艺。同样的框架也被应用于藻类残渣和油泥，以评估其对原料变化的适应性。通过Aspen Plus和Aspen HYSYS模拟得出了过程的质量和能量平衡，从而可以评估关键性能指标。结果表明，整体能源效率在41%到48%之间，其中油泥在液体燃料产量和能源性能方面表现更为优越。敏感性分析进一步指出，富含碳氢化合物的液体产率和微波转化效率是最关键的参数。研究结果表明，所提出的工艺布局是废物衍生原料增值的有前景的选择，而共热解配置则留待未来研究。

**引言**
全球能源需求的不断增加以及对化石燃料环境影响的日益关注，推动了寻找更可持续和高效的生物燃料生产工艺的步伐[1]。在这种背景下，将废物流转化为有价值能源载体和化学品的“废物到X”（Waste-to-X）工艺在学术界和工业界引起了越来越大的兴趣[2]。结合利用废物资源和可再生能源生产先进生物燃料，是生态转型和实现脱碳的关键途径[3]。根据欧盟的《可再生能源指令》，预计到2030年，先进生物燃料将至少占运输领域最终能源消耗的5.5%[4]。同时，英国通过《可再生运输燃料义务》和《可持续航空燃料指令》推广低碳燃料，要求燃料供应商在传统喷气燃料中混合越来越多的可持续航空燃料[5]。正在研究多种生物原料和转化途径，如木质纤维素残渣或富含脂质的物质，通过生化或热化学途径（气化、热解、加氢处理）进行转化[6]。特别是，由于微藻残渣和乳制品行业的油泥具有良好的組成，并且可以结合废物管理与能源生产，因此成为有前景的原料[7]。在这一背景下，生物氢是一种战略性的低碳能源载体和气态生物燃料，其与液体生物燃料的联合生产可以提高工艺灵活性和整体价值创造[8]。从“废物到X”的角度来看，微藻使得可再生投入和边际资源的整合成为可能，因为其培养不受耕地可用性的限制，从而避免了与粮食作物的竞争；在有利条件下，微藻生产生物柴油的潜力可以是大豆基方法的50-100倍[9]。美国能源部的报告强调了这一机会的规模，估计每年全国可生产1.52亿吨无灰干藻类生物质，这相当于约144亿加仑汽油，并能捕获2.68亿吨二氧化碳[10]。从经济角度看，该行业正在快速增长；2020年全球微藻市场的价值为34亿美元，预计到2027年将增长到46亿美元，这得益于人们对藻类相较于传统食品和能源生产方法的功能化合物和可持续性优势的认识不断提高[11]。与藻类生物质类似，乳制品行业的油泥也作为一种重要的原料出现。2020年，欧洲乳制品行业处理了约1.446亿吨牛奶，比美国多46%；这种密集处理产生了大量废物——该行业的废水处理每处理1立方米牛奶会产生最多20公斤的乳制品加工污泥，仅2020年欧盟就需要处理约245万吨乳制品加工污泥（湿重）[12]。基于最近的研究结果，微藻和乳制品行业的油泥成为生产生物燃料的有希望的候选原料[13]。斯佩兰扎（Speranza）等人通过面积需求方法评估了藻类生物柴油的生产，建议在气候适宜的地区附近进行就地生产[14]；基亚（Chia）等人回顾了将藻类生物质转化为生物燃料的各种方法，重点关注不同生物燃料产品的材料产量[15]；哈曼-韦尔（Harman-Ware）等人比较了Scenedesmus的快速热解技术，发现其生物油的性质与木质纤维素热解相当，但氮含量更高[16]。以前关于藻类热化学转化的过程模拟研究主要依赖于基于平衡的Aspen模型，而不是氢气和液体生物燃料联合生产的综合路径[17]。然而，这些研究很少提供完全封闭的质量和能量平衡，也没有在一个模拟框架内综合评估氢气和液体生物燃料的联合生产。从油泥中生产生物燃料的概念研究也非常广泛[18-20]。本工作通过研究从家庭废水和乳制品行业油泥中培养的微藻残渣生产气态和液态生物燃料（氢气和生物油）的综合路径，解决了这些不足。在提出的框架中，这两种原料被作为独立案例进行研究，同样的工艺方案分别应用于每种原料，以评估其转化为氢气和液体生物燃料的可行性。微波热解用于将原料热分解为气态、液态和固态部分；先前的研究表明，与传统加热方法相比，微波热解可以缩短反应时间并提高产品质量[22]。微波热解非常适合工艺电气化和集约化，尽管其效果取决于原料的介电性质和反应器规模[23]。随后，热解气体通过成熟的技术进行处理，包括催化重整和水煤气转换（WGS）反应器[24]。对于液态部分，主要目标是降低原始生物质中的高氧含量；这一升级步骤通常能耗较高，需要大量的氢输入，从而带来显著的环境和经济影响[25]。因此，“无氢”氢脱氧（HDO）作为一种有前景的替代方案出现[26]。本研究的新颖之处在于综合模拟了包括微波热解、重整和水煤气转换（WGS）的气态部分，无氢氢脱氧（HDO）的液态部分，以及将固态残渣转化为活性炭的工艺。同样的框架应用于两种不同的废物衍生原料——藻类残渣和油泥，以评估其适应性，并量化原料性质对产量、公用设施和整体工艺性能的影响。在这种情况下，工艺模拟对于得出封闭的质量和能量平衡、量化公用设施需求以及在工厂规模上识别整合机会至关重要[27]。此外，初步的操作筛选有助于识别主要的成本驱动因素，并支持未来更详细的技术经济评估[28]。本研究的主要目标是从物质和能量平衡、公用设施需求以及关键性能指标的角度评估所提出的氢气和液体生物燃料联合生产路径。由于混合原料的行为需要关于混合比例和产品质量的专门数据，因此本研究未考虑两种原料的共热解[29]。

**论文结构**
第2节描述了建模方法和选定的技术；第3节展示了两种特定原料的质量和能量平衡；第4节讨论了整体能源效率及其影响；第5节总结了主要结论并展望了未来展望。

**方法**
本研究旨在提出并评估将废物衍生原料转化为氢气和液体生物燃料的综合路径，以微藻残渣和油泥作为两个代表性案例。每种原料分别进行了单独的工艺模拟，假设每种原料的进料速率为100公斤/小时。关键性能参数包括能源效率、材料产量以及每公斤原料提取的能源含量。

**结果与讨论**
本部分分为两个主要部分，每个部分分别关注研究中分析的一种原料。第一部分包括藻类残渣原料的工艺数据表及其相应的能量和质量平衡；随后将类似的方法应用于油泥原料。模拟基于每小时100公斤的湿原料输入。最后对两个案例进行了比较分析，重点关注产品产量、公用设施消耗和整体工艺性能。

**结论**
本研究重点开发了通过微波热解和热解气体的后处理将藻类残渣和油泥转化为氢气和液体生物燃料的详细工艺模拟。同样的工艺方案分别应用于这两种原料，以评估其转化的技术可行性并量化相关的物质和能量平衡。整个过程的能源效率在41%到...

**作者贡献声明**
弗拉维奥·马内蒂（Flavio Manenti）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、监督、方法论、资金获取、概念化
马蒂亚·瓦莱里奥（Mattia Vallerio）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、数据管理、概念化
努里亚·费雷拉·洛伦佐（Nuria Ferrera Lorenzo）：撰写——初稿、方法论、数据管理、概念化
弗朗切斯科·德·富斯科（Francesco de Fusco）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、数据分析
马塞洛·玛丽亚·博齐尼（Marcello Maria Bozzini）：撰写——审阅与编辑