季東，王健，王可，李婧瑋，孟文亮，楊勇，李貴賢，王東亮，周懷榮

摘要：大量的化石燃料燃燒導(dǎo)致溫室氣體排放增加，全球氣候變暖。世界各國以全球協(xié)約的方式減排CO₂，我國也由此提出“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)。CO₂捕集以及轉(zhuǎn)化制液體燃料和化學(xué)品是雙碳目標(biāo)下行之有效的碳減排措施之一，不僅可以實(shí)現(xiàn)CO₂的資源化利用，同時也緩解了國家能源安全問題。本文以燃煤發(fā)電煙氣CO₂捕集以及CO₂合成甲醇為研究對象，分析了基于四種不同CO₂捕集技術(shù)的CO₂耦合綠氫制甲醇工藝。對四種不同CO₂捕集技術(shù)的CO₂制甲醇工藝進(jìn)行了嚴(yán)格的穩(wěn)態(tài)建模和模擬，分析和比較了不同CO₂捕集技術(shù)情景下的CO₂制甲醇工藝的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能。結(jié)果表明MEA、PCS、DMC和GMS情景的單位甲醇能耗分別是7.81、5.48、5.91和4.66 GJ/t-CH₃OH，GMS情景的單位能耗最低，其次是PCS情景，但隨著更高效相變吸收劑的開發(fā)，PCS情景的單位甲醇產(chǎn)品的能耗將降低至2.29-2.58 GJ/t-CH₃OH。四種情景的總生產(chǎn)成本分別是4314、4204、4279 和4367CNY/t-CH₃OH，PCS情景的成本最低，更具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。綜合分析表明PCS情景的性能表現(xiàn)最好，可用于燃煤電廠最佳的碳捕集技術(shù)，為CO₂高效合成燃料化學(xué)品提供方向，緩解化石燃料短缺和環(huán)境污染問題。

關(guān)鍵詞：CO₂捕集；CO₂制甲醇；模擬；過程系統(tǒng)；技術(shù)-經(jīng)濟(jì)分析

引言

         2021年世界CO₂排放量達(dá)到363億噸，大量的CO₂排放導(dǎo)致全球氣候變暖，人類生存環(huán)境日益惡化。在如此嚴(yán)峻的形勢下，為了減緩溫室效應(yīng)的影響，建立綠色生產(chǎn)和可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，必須迫切的控制CO₂排放并解決CO₂轉(zhuǎn)化利用的問題。碳捕集、利用與封存（Carbon capture, utilization and storage，CCUS）作為一種新興技術(shù)，可以減少燃煤電廠、供熱和工業(yè)生產(chǎn)等各種集中式CO₂排放，實(shí)現(xiàn)碳資源的循環(huán)利用，對減緩氣候變化至關(guān)重要。

         CO₂捕集是CCUS技術(shù)的核心部分，而捕集能耗高是目前的技術(shù)瓶頸。因此，降低CO₂捕集能耗是目前研究的熱點(diǎn)問題。近些年來，研究人員在傳統(tǒng)化學(xué)吸收法捕集CO₂的基礎(chǔ)上著重于CO₂新型吸收劑的開發(fā)、CO₂捕集過程的設(shè)計(jì)優(yōu)化，以及開發(fā)不同氣液吸收強(qiáng)化傳質(zhì)設(shè)備和新型捕集技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)低能耗高效CO₂捕集。相變?nèi)軇≒hase change solvent，PCS）捕集CO₂技術(shù)是在溶劑吸收CO₂后發(fā)生貧富液分相，大大減少了解吸過程處理量，同時降低了水汽化潛熱，從而降低解吸能耗。王濤等針對傳統(tǒng)MEA化學(xué)吸收法能耗高的問題，采用相變?nèi)軇煔庵械腃O₂進(jìn)行捕集，再生能耗降低至2.58 GJ/t-CO₂。碳酸二甲酯（Dimethyl carbonate，DMC）在較低溫度下對CO₂有較高的溶解度，使得DMC在CO₂吸收分離方面表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。

         Tang等研究了各種操作條件對CO₂-DMC吸收和解吸過程的影響，通過優(yōu)化操作條件，使得捕集率達(dá)到95%以上時能耗降至1.3-1.7 GJ/t-CO₂。氣體膜分離（Gas membrane separation，GMS）CO₂捕集技術(shù)以壓力差作為推動力，根據(jù)各組分在膜中的滲透速率差異實(shí)現(xiàn)氣體分離，由于該技術(shù)分離過程能耗低，因此受到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注。Kim等用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了典型的中空纖維膜逆流流型多組分分離模型，通過采用熱交換器可以顯著降低膜分離過程的總能耗至1.31 GJ/t-CO₂，但是GMS技術(shù)的投資大、成本高，文獻(xiàn)中并沒有量化該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性能。

         通過利用捕集的CO₂耦合可再生氫氣合成甲醇（CO₂-to-methanol，CTM），可以作為汽柴油的替代品或者燃料電池的原料，契合諾貝爾獎得主Olah提出的“甲醇經(jīng)濟(jì)”概念?？稍偕茉措娊馑茪溥^程清潔無污染，被認(rèn)為最清潔的制氫方法，因此通過可再生能源電解水技術(shù)制取的氫氣被稱為綠氫。此外CO₂捕集耦合綠氫合成甲醇工藝可有效解決可再生能源消納及電力并網(wǎng)穩(wěn)定性問題，提高電力系統(tǒng)的靈活性，實(shí)現(xiàn)能源的時空平移。考慮到其潛在的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，冰島和日本已經(jīng)建立了專門利用捕集的CO₂生產(chǎn)甲醇的設(shè)施，每年分別生產(chǎn)甲醇4000噸和100噸。2018年蘭州新區(qū)和大連化物所等單位利用大規(guī)模太陽能發(fā)電產(chǎn)生的H₂與CO₂反應(yīng)生成甲醇，建設(shè)了全球首個液態(tài)陽光甲醇合成工業(yè)示范項(xiàng)目，年產(chǎn)1440 噸可再生綠色甲醇。Lee等人對可再生能源電解水制氫耦合CO₂合成甲醇的技術(shù)-經(jīng)濟(jì)可行性做了研究，分析了H₂價格和碳稅對單位甲醇生產(chǎn)成本的影響。

         上述研究顯示了不同CO₂捕集技術(shù)的優(yōu)勢和潛力以及CO₂加氫轉(zhuǎn)化制甲醇路線的優(yōu)勢和潛力。然而，很少有文獻(xiàn)研究將不同CO₂捕集技術(shù)應(yīng)用于燃煤發(fā)電廠煙氣CO₂捕集，分析不同技術(shù)CO₂捕集過程的能耗和經(jīng)濟(jì)情況。另外，很少有文獻(xiàn)研究將不同CO₂捕集技術(shù)以及CO₂耦合綠氫制甲醇過程進(jìn)行集成，研究適合于綠色甲醇合成工藝低碳、高效以及經(jīng)濟(jì)權(quán)衡最優(yōu)的碳捕集技術(shù)。因此，本文提出基于不同CO₂捕集技術(shù)的CO₂耦合綠氫制甲醇工藝方案，如圖1所示，通過對不同CO₂捕集技術(shù)下CO₂耦合綠氫制甲醇工藝的技術(shù)-經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行比較，篩選該工藝最優(yōu)的CO₂捕集方式，為雙碳背景下碳捕集轉(zhuǎn)化利用提供理論依據(jù)和發(fā)展方向，為甲醇清潔化生產(chǎn)提供技術(shù)和經(jīng)濟(jì)途徑。本研究的主要內(nèi)容是：（1）建立了采用不同CO₂捕集技術(shù)（單乙醇胺（MEA）、相變?nèi)軇≒CS）、碳酸二甲酯（DMC）和氣體膜分離（GMS）的CTM工藝的模型；（2）在物質(zhì)和能量平衡的基礎(chǔ)上分析了CO₂捕集單元和整個系統(tǒng)的能耗；（3）比較上述CTM 工藝的總資本投資和總生產(chǎn)成本，展示其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和競爭力；（4）評估這些工藝的綜合性能，尋找CTM工藝綜合性能最優(yōu)的CO₂捕集技術(shù)。

1 過程描述與工藝建模

         本文以燃煤發(fā)電煙氣CO₂捕集以及CO₂制甲醇為研究對象，由于燃煤電廠尾氣裝置同時考慮SO₂脫除和CO₂捕集，且兩者密不可分。但SO₂和NO_X等腐蝕性氣體的過量存在對CO₂捕集性能有一定影響，本文不做研究，故在煙氣預(yù)處理方面不考慮SO₂、NO_X與CO₂的內(nèi)在關(guān)系，表1為預(yù)處理后的燃煤電廠煙氣的工況參數(shù)。

         基于四種不同CO₂捕集技術(shù)的CO₂耦合綠氫制甲醇工藝的配置如圖1 所示，他們分別是MEA情景（使用MEA捕集技術(shù)的CO₂制甲醇工藝，CMEATM）、PCS 情景（使用PCS捕集技術(shù)的CO₂制甲醇工藝，CPCSTM）、DMC情景（使用DMC 捕集技術(shù)的CO₂制甲醇工藝，CDMCTM）和GMS情景（使用GMS捕集技術(shù)的CO₂制甲醇工藝，CGMSTM）。整個CTM過程包括兩部分，分別是CO₂捕集和CO₂轉(zhuǎn)化部分。CO₂捕集（CC）包括四個核心的技術(shù)，分別是MEA、PCS、DMC 和GMS，CO₂轉(zhuǎn)化部分包括甲醇合成單元（MS）和甲醇精餾單元（MD）。建模和模擬過程中詳細(xì)的關(guān)鍵操作參數(shù)如表2所示。

1.1 CO₂捕集單元

1.1.1 MEA技術(shù)

         簡化的MEA法CO₂捕集工藝流程如圖2所示，整個工藝流程主要包括CO₂吸收過程和CO₂解吸過程。吸收過程主要發(fā)生兩類反應(yīng)，第一類是MEA與CO₂反應(yīng)生成氨基甲酸鹽，如式（1）所示。第二類為質(zhì)子化反應(yīng)，首先，溶于水的CO₂解離為HCO₃^-、CO₃^2-和H₃O⁺，包括水的電離反應(yīng)，見式 (2)-(4)。然后，MEA結(jié)合H₃O⁺生成質(zhì)子化鹽MEAH⁺，如式（5）所示。解吸反應(yīng)為吸收過程的逆反應(yīng)。整個捕集過程采用ENRTL-RK活度系數(shù)模型進(jìn)行汽液相平衡計(jì)算，在該捕集過程中同時考慮動力學(xué)反應(yīng)和平衡反應(yīng)。其中式 (1)-(2) 及其逆反應(yīng)是整個反應(yīng)體系的決速步驟，采用冪律表達(dá)式（6）計(jì)算其反應(yīng)速率，相關(guān)參數(shù)見表3。式 (3)-(5) 為平衡反應(yīng)，采用式（7）計(jì)算其平衡常數(shù)，相關(guān)參數(shù)見表4。

         式（6）中，r是反應(yīng)速率，k是指前因子，T是溫度（K），E是活化能（cal/mol），R是普遍氣體常數(shù)（cal/(mol K)），x_i是組分i的摩爾分?jǐn)?shù)，γ_i是反應(yīng)方程中組分i的活度系數(shù)，α_i是反應(yīng)方程中組分i的化學(xué)計(jì)量系數(shù)，N是反應(yīng)中組分的個數(shù)。

1.1.2 PCS技術(shù)

         相變?nèi)軇┎都疌O₂工藝流程如圖3所示，采用30% MEA、40%正丙醇和30% 水作為相變吸收劑，與預(yù)處理后的煙氣在吸收塔內(nèi)逆向接觸，發(fā)生反應(yīng)生成氨基甲酸鹽。正丙醇作為物理溶劑和分相劑，提高了氣液傳質(zhì)系數(shù)，由于氫鍵作用力的差異，產(chǎn)物氨基甲酸鹽和水之間的氫鍵作用力大于其和正丙醇之間的氫鍵作用，導(dǎo)致產(chǎn)物和正丙醇在體系中爭奪水分子，正丙醇被排出，CO₂富液往下層水相聚集，體系出現(xiàn)液液分相。分相后的富液由富液泵輸送，經(jīng)換熱器換熱后進(jìn)入解吸塔完成CO₂解吸。解吸完成后的塔底貧液經(jīng)過換熱與分相器的貧液 (體積分?jǐn)?shù)：41.2%)和補(bǔ)充的新鮮吸收劑混合，返回吸收塔繼續(xù)參與循環(huán)吸收。由于正丙醇作為物理溶劑和分相劑不參加反應(yīng)，因此吸收-解吸過程反應(yīng)方程和相關(guān)參數(shù)與MEA技術(shù)相同，見式 (1)-(7)。

1.1.3 DMC技術(shù)

         DMC捕集CO₂工藝流程如圖4所示，自吸收塔塔底進(jìn)入的煙氣與從塔頂噴淋而下的DMC溶液逆向接觸，吸收后的CO₂富液進(jìn)入高低壓閃蒸塔再生貧液，同時解吸出CO₂氣體。經(jīng)高低壓閃蒸后的貧液進(jìn)入氣提塔，在常壓下用氮?dú)庾鳉馓釟膺M(jìn)一步降低貧液中殘余的CO₂含量，氣提塔排放的尾氣直接放空。貧液吸收劑自汽提塔塔底抽出，經(jīng)過換熱器達(dá)到吸收所需溫度，與補(bǔ)充的DMC混合后，回到吸收塔參與循環(huán)吸收。

1.1.4 GMS技術(shù)

         氣體膜分離CO₂工藝流程如圖5所示，整個過程由壓縮冷凝和兩級膜分離設(shè)備組成。首先將壓縮后的煙氣引入冷凝器，經(jīng)冷凝過程后送至氣液分離器分離出大部分水，剩余部分進(jìn)入膜分離便于氣體滲透。在膜兩側(cè)存在壓力差的情況下，煙氣中的CO₂可以透過膜，富N₂氣體在滯留側(cè)出口聚集。第一級膜滲透側(cè)出口的富CO₂氣體繼續(xù)壓縮冷凝除水，然后進(jìn)入第二級膜繼續(xù)滲透，滯留側(cè)出口聚集的氣體循環(huán)至第一級膜繼續(xù)參與分離提純，滲透側(cè)出口得到高純度的CO₂。

1.2 甲醇合成與精餾單元

         來自捕集單元的CO₂經(jīng)過多級壓縮后與可再生電力電解水得到的綠氫以及甲醇合成過程的循環(huán)氣混合，混合物進(jìn)入換熱器達(dá)到反應(yīng)所需溫度，然后進(jìn)入甲醇合成反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，工藝流程如圖6所示。

由于CO₂加氫合成甲醇反應(yīng)單程轉(zhuǎn)化率較低，反應(yīng)器出口物流中除了甲醇外還含有大量未反應(yīng)的CO₂、H₂和CO，因此將這股物流冷凝至30℃后通過高低壓分離罐（HP、LP）分離成兩相，氣相經(jīng)FSplit模型分成兩股，大部分循環(huán)回甲醇合成反應(yīng)器，而少量作為馳放氣排放，液相進(jìn)入甲醇精餾塔提純。二氧化碳加氫合成甲醇工藝采用Redlich-Kwong-Soave熱力學(xué)模型，選用Rplug模型模擬反應(yīng)過程。甲醇合成反應(yīng)動力學(xué)為Langmuir-Hinshelwood (LHHW) 形式，反應(yīng)動力學(xué)模型如表達(dá)式 (11)-(13) 所示，KA、KB和KC為反應(yīng)平衡常數(shù)，從Lim等人的研究中獲得。式（14）是反應(yīng)速率常數(shù)的表達(dá)式，相應(yīng)的動力學(xué)數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)。

         來自氣液分離器下部的粗甲醇預(yù)熱至泡點(diǎn)溫度后進(jìn)入甲醇精餾塔。由于CO₂ 加氫制甲醇工藝生成的粗甲醇組成簡單，故在本節(jié)中，甲醇精餾塔采用流程簡單，操作穩(wěn)定的單塔工藝。精餾塔用RadFrac嚴(yán)格模型進(jìn)行模擬，塔板數(shù)33塊，回流比2.3，壓降選擇為0.0068 atm。少量CO₂溶于液相粗甲醇中，一起進(jìn)入甲醇精餾塔，CO₂等不凝性組分從塔頂蒸出，通過壓縮機(jī)輸送、冷凝器冷凝后，在閃蒸罐上部分離出不凝性氣體，閃蒸罐下部分離出甲醇。最終甲醇回收率為99.5wt.%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9 wt.%。

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析方法

         本文主要從能耗、總投資和生產(chǎn)成本三個方面評價不同CO₂捕集技術(shù)的CTM工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。在計(jì)算整個系統(tǒng)的能量平衡和主要設(shè)備購置費(fèi)用時，考慮以下條件：（1）為了不影響燃煤電廠發(fā)電效率，配套的碳捕集設(shè)施采用光伏發(fā)電；（2）不考慮氫氣的生產(chǎn)、運(yùn)輸以及電解水制氫過程投資，只考慮氫氣價格。

2.1 能耗

         本節(jié)通過對不同CO₂捕集技術(shù)的CTM工藝總能耗以及CO₂捕集單元、甲醇合成單元和甲醇精餾單元的能耗進(jìn)行分析，比較不同CO₂捕集技術(shù)的CTM工藝的技術(shù)性能。采用MEA、PCS、DMC和GMS技術(shù)捕集CO₂的能耗計(jì)算如式（15）所示，CTM過程總能耗計(jì)算如式（16）所示。

         式中WCC為CO₂捕集單元能耗，Qreb是再生過程的熱負(fù)荷，Wcom和Wpum分別為冷卻設(shè)備、壓縮機(jī)和泵機(jī)的功耗。Wtotal為CTM工藝的總能耗，WMS和WMD 分別為甲醇合成單元和甲醇精餾單元的能耗。CTM過程主要的能源消耗為蒸汽和電力，其中蒸汽由天然氣燃燒產(chǎn)生，電力由可再生能源發(fā)電提供。本文將MS 單元產(chǎn)生的熱回收至精餾塔塔釜用于加熱產(chǎn)生蒸汽，分析了采用熱集成和未采用熱集成對MD單元的單位產(chǎn)品能耗影響。采用熱集成可以降低蒸汽生產(chǎn)過程中的能量投入，進(jìn)而降低單位產(chǎn)品能耗。由于公用工程蒸汽是由天然氣燃燒產(chǎn)生，因此熱集成后所需要的天然氣消耗量會降低一部分，這在計(jì)算生產(chǎn)成本時已經(jīng)考慮。另外本文不考慮氫氣生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的能量消耗，氫氣采用外購。相關(guān)的能量消耗統(tǒng)計(jì)如表5所示，按照能量轉(zhuǎn)化系數(shù)折算為吉焦，再折算到單位甲醇產(chǎn)品的能耗。

2.2 總資本投資

         總資本投資（TCI）主要包括固定資本投資和營運(yùn)資本，前者主要用于購買設(shè)備、管道、電氣、土建以及安裝費(fèi)用等，后者是維持項(xiàng)目正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的資金。一般來說，設(shè)備投資（EI）在很大程度上決定了固定投資和總資本投資，設(shè)備投資由式（17）估算，總資本投資用式（18）估算，資本投資中的其他費(fèi)用可以根據(jù)它們與設(shè)備投資的比率進(jìn)行估算。

         式中EI表示設(shè)備投資費(fèi)用，EIrefj表示設(shè)備j的基準(zhǔn)投資費(fèi)用，S表示某設(shè)備的實(shí)際規(guī)模，Sref表示某設(shè)備的基準(zhǔn)規(guī)模，sf指的是規(guī)模指數(shù)，f表示國內(nèi)生產(chǎn)指數(shù)，相關(guān)數(shù)據(jù)見表6。TCI指的是總資本投資，RFi為第i個資本投資的比率因子。

2.3 生產(chǎn)成本

         本研究考慮CO₂捕集成本以及不同CO₂捕集技術(shù)的CTM工藝總生產(chǎn)成本（TPC），比較不同CO₂捕集技術(shù)下CTM工藝的經(jīng)濟(jì)性能，計(jì)算公式如式 (19)-(21) 所示。

         其中，TCR_k是第k個單元所需要的總投資，COM_k是第k個單元的年度操作和維護(hù)費(fèi)用，C_k表示第k個單元的殘值（4%），mMeOH是甲醇流量，CRF是資本回收系數(shù)，r和n分別為折舊率（12%）和裝置折舊年限（15）。原材料H₂、MEA、1-propanol和DMC的價格分別是17.5 CNY/kg、9000 CNY/t、6500 CNY/t和5500 CNY/t。公用工程水的價格是2 CNY/t，天然氣價格是1.8CNY/Nm³，電力采用光伏發(fā)電，價格為0.35 CNY/kWh。操作維護(hù)成本（CM）包括操作人工成本、直接監(jiān)督和文書成本、維護(hù)和維修成本、操作用品成本和實(shí)驗(yàn)室費(fèi)用，其他部分成本按照相關(guān)比例因子計(jì)算。

3 結(jié)果與討論

         通過能耗、總資本投資和生產(chǎn)成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析方法，對四種不同的二氧化碳捕集技術(shù)的CTM工藝性能進(jìn)行評價和分析。

3.1 能耗分析

         基于不同CO₂捕集技術(shù)的CTM工藝能耗如圖7所示，CMEATM、CPCSTM、CDMCTM和CGMSTM工藝的單位甲醇能耗分別是7.81、5.48、5.91 和4.66 GJ/t-CH₃OH。不同情景的MS單元以及MD單元的單位甲醇產(chǎn)品能耗差別不大，主要是因?yàn)椴煌榫暗腗S單元和MD單元均采用相同的甲醇合成與精餾技術(shù)，其規(guī)模相差不大。不同情景的CC單元的單位甲醇產(chǎn)品能耗差別較大，傳統(tǒng)的MEA法CO₂ 捕集單元能耗最高，為5.76 GJ/t-CH₃OH，主要是因?yàn)镸EA技術(shù)是一種化學(xué)吸收法，MEA- CO₂富液再生時溶液中含有大量的水，再生過程除了反應(yīng)熱和升溫顯熱之外還有水的汽化潛熱，且潛熱占了整個能耗的30%?；赑CS技術(shù)的CO₂捕集單元能耗相比傳統(tǒng)MEA法降低了29.83%，因?yàn)镻CS技術(shù)分相器的使用使得進(jìn)入解吸塔的貧液減少，降低了換熱器的升溫顯熱和解吸塔的貧液汽化潛熱，使得再生能耗大大降低?；贒MC法的CO₂捕集單元能耗相比傳統(tǒng)MEA技術(shù)降低了24.33%，是因?yàn)镈MC捕集技術(shù)屬于一種物理吸收法，CO₂再生過程是通過高低壓閃蒸實(shí)現(xiàn)，主要能源消耗是電力和輔機(jī)功耗，沒有蒸汽消耗?；贕MS技術(shù)的CO₂捕集單元能耗相比傳統(tǒng)MEA技術(shù)降低了40.33%，因?yàn)闅怏w膜分離技術(shù)借助壓差推動氣體滲透，主要能源消耗為壓縮機(jī)電力消耗。綜上所述，基于GMS技術(shù)的CGMSTM工藝在能耗方面表現(xiàn)最優(yōu)，基于PCS技術(shù)的CPCSTM工藝能耗次之，但PCS 技術(shù)具有很大的前景，主要在于吸收劑以及吸收劑-分相劑配比的研發(fā)。根據(jù)文獻(xiàn)報道，第三代相變吸收劑單位CO₂捕集能耗可降至1.6-1.8 MJ/kg CO₂。按照本文甲醇產(chǎn)能規(guī)模計(jì)算，單位甲醇產(chǎn)品的能耗將降低至2.29-2.58 GJ/t-CH₃OH，相比GMS技術(shù)的CGMSTM工藝能耗更低，具有更大應(yīng)用前景優(yōu)勢。

3.2 總資本投資分析

         圖8（a）表示了不同CO₂捕集技術(shù)的CTM工藝的固定投資和總資本投資，不同情景的固定投資從大到小依次是CGMSTM、CDMCTM、CPCSTM和CMEATM，總資本投資也符合這個趨勢。CMEATM、CPCSTM、CDMCTM 和CGMSTM工藝的總資本投資分別為57.6×108 CNY、58.4×108 CNY、59.2×108 CNY和59.8×108 CNY。同CMEATM過程相比，CPCSTM、CDMCTM和CGMSTM工藝的總資本投資分別增加了1.4%、2.8%和3.8%。圖8（b）表示了不同CO₂捕集技術(shù)的CTM工藝的各個單元固定投資比例，甲醇合成和甲醇精餾單元的投資相差不大，資本投資差異主要體現(xiàn)在二氧化碳捕集單元的投資。CGMSTM工藝的資本投資最高，因?yàn)镃GMSTM工藝采用GMS技術(shù)捕集CO₂，GMS技術(shù)一般用于較高濃度的CO₂捕集，而對于煙氣低濃度CO₂捕集，所需膜面積非常大，且滿足分離要求的膜組件和材料價格昂貴。CDMCTM工藝的資本投資次之，CDMCTM工藝采用DMC 高壓物理吸收捕集CO₂，CO₂解吸過程采用高低壓閃蒸，相比CMEATM增加了高低壓閃蒸設(shè)備。另外，整個過程需要較高壓力，對設(shè)備的要求較高，因此總投資較高。CPCSTM工藝資本投資較低，相比CMEATM工藝的增加幅度不大。主要是因?yàn)镃PCSTM工藝CO₂捕集單元在傳統(tǒng)MEA基礎(chǔ)上只新增了簡單的分相器和部分輔助電機(jī)。CMEATM工藝資本投資最低，因?yàn)镃O₂捕集單元工藝成熟、易于操作控制，且工業(yè)化程度最早。綜上所述，傳統(tǒng)MEA技術(shù)的CMEATM工藝投資最低，而PCS技術(shù)是基于傳統(tǒng)MEA技術(shù)的升級，基于PCS技術(shù)的CPCSTM過程投資增幅很小，相比其它情景，具有很大的優(yōu)勢。

3.3 生產(chǎn)成本分析

         根據(jù)模擬結(jié)果以及原材料和公用工程的市場價格，計(jì)算不同CO₂捕集技術(shù)下CTM 工藝的CO₂捕集成本和總生產(chǎn)成本，如圖9（a）所示：CMEATM，CPCSTM，CDMCTM，CGMSTM四種工藝的CO₂捕集成本分別為322.7、272.8、292.6和376.4 CNY/t-CO₂，總生產(chǎn)成本分別為4314、4204、4279和4367 CNY/t-CH₃OH。如圖9（b）所示，從生產(chǎn)成本構(gòu)成的角度來看，四種工藝的工資成本（CW）和期間費(fèi)用成本（CP）沒有明顯差異，主要差異是維護(hù)成本（CM）、公用工程成本（CU）和原料成本（CR）。CGMSTM工藝因其CC單元操作條件嚴(yán)格和膜材料特殊性，其維護(hù)成本較高，且資本投資最大，故總生產(chǎn)成本最大。CMEATM工藝需要大量蒸汽解吸CO₂，以及大量的冷卻水換熱，故其公用工程成本（CU）最高，原料成本也較高，因此總生產(chǎn)成本較高。CDMCTM工藝因過程壓力較高，溶劑循環(huán)量大，所需維護(hù)成本較高，但是公用工程消耗主要是可再生電力和部分蒸汽，因此公用工程成本（CU）較低，總生產(chǎn)成本較低。CPCSTM工藝流程簡單，操作容易，具有較低的公用工程成本和維護(hù)成本，故總生產(chǎn)成本較低。綜上所述，與CMEATM、CGMSTM 和CDMCTM工藝相比，采用CPCSTM工藝具有最佳的生產(chǎn)成本優(yōu)勢。

4 結(jié)論

         燃煤電廠煙氣CO₂捕集以及資源化利用契合“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)需求，本研究分析了基于四種二氧化碳捕集技術(shù)的CO₂耦合綠氫合成甲醇工藝，以評估使用不同捕集技術(shù)捕獲的CO₂為原料結(jié)合可再生綠氫生產(chǎn)甲醇工藝的可行性，優(yōu)選CTM工藝最佳的二氧化碳捕集技術(shù)。通過工藝模擬與分析，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度對CTM工藝進(jìn)行了評價，得到如下結(jié)論：

（1）技術(shù)角度

         CMEATM工藝能耗最高，為7.81 GJ/t-CH₃OH，其次是CDMCTM 工藝，5.91 GJ/t-CH₃OH，CPCSTM工藝，5.48 GJ/t-CH₃OH，CGMSTM工藝能耗最低，為4.66 GJ/t-CH₃OH。單從技術(shù)角度來看，基于GMS技術(shù)的CGMSTM工藝具有最佳的技術(shù)性能優(yōu)勢，基于PCS技術(shù)的CPCSTM工藝的性能次之，但PCS技術(shù)具有很大的前景，隨著更高效相變吸收劑的開發(fā)，單位甲醇產(chǎn)品的能耗將降低至2.29-2.58 GJ/t-CH₃OH，相比CGMSTM工藝，CPCSTM工藝的熱力學(xué)性能更優(yōu)。

（2）經(jīng)濟(jì)角度

         CPCSTM工藝的總生產(chǎn)成本最低，為4204 CNY/t-CH₃OH，其次是CDMCTM 工藝，為4279 CNY/t-CH₃OH。CGMSTM和CMEATM工藝的總生產(chǎn)成本相對較高，分別為4367和4314 CNY/t-CH₃OH。從經(jīng)濟(jì)角度來看，基于PCS技術(shù)的CPCSTM工藝具有最佳的經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)勢。

          因此，與CMEATM、CDMCTM和CGMSTM工藝相比，采用PCS情景的CPCSTM工藝具有最佳的綜合性能。PCS技術(shù)可選為CTM行業(yè)最適合的CO₂捕集技術(shù)，隨著第三代低能耗相變吸收劑的開發(fā)和工業(yè)化應(yīng)用，CPCSTM工藝將會在捕集能耗和捕集成本方面展現(xiàn)更大的潛力。此外在碳稅價格不斷上漲的情況下，該工藝在未來綠色甲醇的生產(chǎn)中具有很大潛力。

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