顆粒在線訊：背景介紹

隨著使用化石衍生化學(xué)品引起的環(huán)境問題的出現(xiàn)，人們不斷努力用可再生和環(huán)境友好的資源替代化石原料，以減輕化學(xué)品生產(chǎn)對環(huán)境的影響。該項研究設(shè)計了一個利用分離和催化轉(zhuǎn)化的集成工藝來聯(lián)合生產(chǎn)己二酸(ADA)，一種用于生產(chǎn)尼龍6.6和1,4-戊二醇(1,4-PDO)的前體，一種可生物降解的單體聚合物，來自玉米秸稈作為可再生資源。纖維素和半纖維素同時轉(zhuǎn)化為γ-戊內(nèi)酯(GVL)，GVL進一步分裂并轉(zhuǎn)化為ADA和1,4-PDO。通過設(shè)計和結(jié)合熱交換器網(wǎng)絡(luò)，該過程的能耗顯著降低，并且進行了技術(shù)經(jīng)濟分析和生命周期評估，以評估具有不同GVL分流比的ADA和1,4-PDO生產(chǎn)的三個代表性案例的經(jīng)濟和環(huán)境影響。

該研究的結(jié)果表明，在提議的假設(shè)下生產(chǎn)最多ADA的案例導(dǎo)致1382美元/噸ADA的最佳最低銷售價格，并且與基于化石的ADA生產(chǎn)相比，對環(huán)境的影響很小；不確定性分析表明，這種聯(lián)合生產(chǎn)過程在多變的市場條件下具有經(jīng)濟穩(wěn)定性。這些結(jié)果提出了改進所提出工藝的經(jīng)濟和環(huán)境可行性的方向。

圖文解讀

1. 熱集成

圖1展示了熱集成前后的能量需求。在所有子系統(tǒng)中，1,4-PDO的生產(chǎn)需要最大部分的加熱能量(97.0MW，占總熱量需求的43.5%)。1,4-PDO生產(chǎn)子系統(tǒng)具有相對較低的工作溫度，允許方便的熱集成。與1,4-PDO生產(chǎn)相比，具有第三大熱量需求的GVL生產(chǎn)子系統(tǒng)具有相對較高的運行溫度，這使得熱集成更難以實現(xiàn)，從而導(dǎo)致集成性能較低。經(jīng)過熱集成后，加熱和冷卻所需的能量分別降低到84.8MW（減少61.9%）和152.4MW（減少47.5%）。由于熱集成的容易實現(xiàn)，1,4-PDO生產(chǎn)子系統(tǒng)的加熱需求從97.0MW變?yōu)?3.4MW（減少86.2%），而GVL生產(chǎn)子系統(tǒng)的加熱需求從58.0MW變?yōu)?0.8MW(減少12.4%）。由于熱集成性能，GVL生產(chǎn)子系統(tǒng)成為繼熱集成后最廣泛的需熱子系統(tǒng)。熱集成后的該過程的總熱量需求(84.8MW)可以通過該過程中產(chǎn)生的熱量進行內(nèi)部管理。

圖1. 熱集成化前后的能量需求

2. 最低售價

在工藝安裝后的產(chǎn)品之間采用可控的分割比例，可以在不同的市場條件下實現(xiàn)利潤最大化。為了研究GVL分割比對MSP的影響，我們使用現(xiàn)金流折現(xiàn)法計算了每種策略的MSP。1,4-PDO的價格固定在2,000美元/噸，低于2018年報告的1,4-PDO的市場價值，以保守地確定ADA的MSP。圖2展示了每種策略的MSP。策略A擁有最高的MSP（1719美元/噸ADA）和最高的總收入（3600美元/噸），其他案例的MSP和總收入分別為1382美元/噸和2387美元/噸（策略B），以及1223美元/噸和1783美元/噸（策略C）。策略A的MSP比策略B高24%，而策略C的MSP比基本情況低12%。這些結(jié)果表明，發(fā)送到ADA生產(chǎn)子系統(tǒng)的GVL部分的增加，導(dǎo)致了MSP和總收入的減少。盡管1,4-PDO的價格更高，但由于1,4-PDO生產(chǎn)的較低生產(chǎn)力和更高的熱量需求，ADA生產(chǎn)的1,4-PDO價格（2000美元/噸）在經(jīng)濟上更有利。因此，結(jié)果表明策略C是MSP的最佳生產(chǎn)策略。

圖2. 策略的成本和收入

圖3展示了基本情況(策略B)的?；鶊D，它描述了生物質(zhì)的%碳日志預(yù)測流量、加熱需求和每個子系統(tǒng)的成本貢獻，箭頭和條的高度表示每個子系統(tǒng)的碳含量、成本或加熱能量需求的比例。最終產(chǎn)品的基本外殼的碳效率為25.6%(ADA為15.9%，1,4-PDO為9.7%)，63.2%的總碳作為熱源供應(yīng)給熱和發(fā)電子系統(tǒng)，4.3%的碳在廢水處理子系統(tǒng)中被處理，4.7%作為二氧化碳?xì)怏w排放到空氣中。烷烴是1,4-PDO生產(chǎn)反應(yīng)的副產(chǎn)物，它降低了碳效率，而不像ADA生產(chǎn)反應(yīng)沒有任何副產(chǎn)物，事實上碳效率隨著ADA生產(chǎn)率的增加而提高。

在這個過程中，主要的成本貢獻者是生物質(zhì)分解、熱和發(fā)電，以及GVL生產(chǎn)子系統(tǒng)。最高的運營成本貢獻者和第二高的資本成本貢獻者是生物質(zhì)能分解（占總運營成本的52.6%，占總資本成本的28.6%）。在生物質(zhì)解構(gòu)子系統(tǒng)的各種成本中，原料價格占總運營成本的40.1%。熱和發(fā)電子系統(tǒng)占總資本成本的35.6%，因為它從大量的碳（占總碳的63.2%）中產(chǎn)生熱量和電力，需要昂貴的設(shè)備。由于廣泛使用H2作為反應(yīng)物，1,4-PDO的生產(chǎn)子系統(tǒng)占總運行成本的8.8%。

圖3. 策略的成本和收入

3. 不確定性分析

采用蒙特卡羅模擬方法進行了不確定性分析，研究了不確定性參數(shù)對MSP的影響。不確定性分析中使用的參數(shù)為原料價格、1,4-PDO價格、催化劑價格和貼現(xiàn)率。這些都是很容易受到市場狀況影響的關(guān)鍵波動因素。圖4(a)顯示了MSP的變化當(dāng)三個經(jīng)濟參數(shù)(原料價格，1,4-PDO價格和催化劑價格)變化10%，20%，30%的固定貼現(xiàn)率（30%），而圖4(b)顯示了MSP的變化當(dāng)貼現(xiàn)率固定在10%，20%和30%的其他經(jīng)濟參數(shù)（20%）。

當(dāng)原料、1,4-PDO和催化劑價格分別變化10%、20%和30%時，MSP的百分比變化范圍分別為26.5-28.3%、57.1-59.5%和80.8-86.2%。由于這些參數(shù)變化率固定在20%，貼現(xiàn)率變化，較低的貼現(xiàn)率導(dǎo)致累積曲線產(chǎn)生較低的MSP值，表明更好的經(jīng)濟可行性。較高的貼現(xiàn)率增加了失去其經(jīng)濟可行性的可能性。因此，這些結(jié)果表明在30%的貼現(xiàn)率下，失去盈利能力的概率約為27.5%，而其他經(jīng)濟參數(shù)的不確定性為20%。

圖4. 不確定性分析顯示不同的MSP取決于(a)貼現(xiàn)率（30%）原料、1,4-PDO和催化劑價格（10%、20%和30%）的變化百分比；(b)貼現(xiàn)率（10%、20%和30%）經(jīng)濟參數(shù)變化百分比（20%）。

4. 生命周期評價

該過程的環(huán)境影響被計算為12個因素。圖5展示了對具有代表性的8個環(huán)境因素的預(yù)測比較，分別是氣候變化、化石消耗、臭氧消耗、陸地酸化、海洋富營養(yǎng)化、陸地生態(tài)毒性、自然土地轉(zhuǎn)化和水消耗。將化石衍生的ADA生產(chǎn)因子設(shè)置為100%（對環(huán)境的負(fù)面影響），并將三種策略的值相對于這些值進行確定，與化石衍生的ADA生產(chǎn)相比，這三種策略對所有8個因素都顯著提高了環(huán)境可持續(xù)性。除自然土地轉(zhuǎn)化外，大多數(shù)因素均隨ADA產(chǎn)量的增加而呈下降的趨勢(圖5(a))。

策略A的氣候變化值為0.038 kgCO2eq，策略C為-0.304 kgCO2eq，因為在木質(zhì)素燃燒過程中產(chǎn)生的電力；此外，策略A的化石消耗值為0.121 kg油eq，而策略C的值為0.051kg油eq，表明隨著ADA產(chǎn)量的增加，這兩個主要的環(huán)境因素得到了緩解，影響環(huán)境影響因素的主要因素是電力（正貢獻）、CO、玉米秸稈和H2(圖5(b，c))。雖然策略A有最大的發(fā)電量，用于發(fā)電的1,4-PDO生產(chǎn)的副產(chǎn)品，但策略C生產(chǎn)更多的總產(chǎn)品，包括ADA和1,4-PDO，這減少了對環(huán)境的影響，這一結(jié)果表明策略C是最可持續(xù)的案例。由于在ADA生產(chǎn)中使用CO對環(huán)境有顯著的負(fù)面影響，從生態(tài)友好資源中獲得的CO可以減輕這種環(huán)境影響，特別是在策略C。

圖5. (a)比較三種策略的環(huán)境影響和基于化石的ADA生產(chǎn)、子系統(tǒng)對(b)氣候變化的貢獻，以及基本情況下的(c)化石耗竭(策略B)。

總結(jié)與展望

該研究提出了一種集成工藝共同生產(chǎn)ADA和1,4-PDO，這兩種化學(xué)品之間的可調(diào)生產(chǎn)比，這一過程允許適應(yīng)不同的市場條件，以使該過程的盈利能力最大化。在我們的假設(shè)下，ADA產(chǎn)量的增加導(dǎo)致了MSP的降低；然而，如果1,4-PDO的市場價格保持在2,771美元/噸以上，共同生產(chǎn)經(jīng)濟就會顯示出相反的趨勢，這表明增加1,4-PDO的產(chǎn)量也可以根據(jù)市場條件改善過程經(jīng)濟。成本計算和敏感性分析表明，通過降低原料價格、提高反應(yīng)產(chǎn)率和副產(chǎn)品價格的提高，可以提高共產(chǎn)工藝的經(jīng)濟可行性。

鑒于原料成本是最重要的成本貢獻，使用不同類型的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)作為原料可以被認(rèn)為是一個替代策略來提高經(jīng)濟和可持續(xù)性，如果它有一個有競爭力的價格和足夠的內(nèi)容纖維素和半纖維素。LCA表明與基于化石的ADA生產(chǎn)相比，所有策略都顯示出了改善的環(huán)境影響，ADA生產(chǎn)率的提高進一步提高了擬議工藝的可持續(xù)性，并改善了對環(huán)境的影響。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.131920