脂肪、油和油脂废弃物转化为化学品过程的能量分析、有效能分析、经济评估及多目标优化

《International Journal of Hydrogen Energy》：Energy, exergy and economic analysis and multi-objective optimization of fats, oil, and grease waste-to-chemicals processes

本研究提出五种FOG废弃物同时生产生物柴油、氢气和磷酸二钾的集成工艺设计，包括酯化、转酯化和甘油蒸汽重整三阶段，通过能源-熵-经济（3E）综合分析评估工艺性能，发现热交换网络可降低53%和65%的热/冷需求，规模化生产时税后回报率达84.6%。

　　

Muhammad Ikhsan Taipabu|Karthickeyan Viswanathan|Hafiz M. Irfan|Po-Chih Kuo|Muhammad Aziz|Wei Wu

国立成功大学化学工程系，台湾台南市70101

摘要

本研究提出了五种集成工艺设计，用于从脂肪、油和油脂（FOG）废弃物中同时生产生物柴油、氢气和二钾磷酸盐（K₂HPO₄）。FOG转化为化学品的路径包括三个主要阶段：（i）酯化反应，（ii）酯交换反应，以及（iii）甘油蒸汽重整（GSR）反应，从而使废弃物中的脂质能够转化为多种高价值产品。对所有工艺配置进行了全面的能量、?和经济（3E）分析，包括能源效率、热力学性能和经济可行性方面。能量分析表明，实施换热器网络（HEN）可以显著降低热能和冷能需求，分别减少53%和65%。?分析显示，GSR单元是系统中?损失的主要来源。经济评估表明，工艺的可扩展性显著提高了盈利能力，在年产量为10万吨的工厂中，税后回报率（ARR）达到了84.6%。

引言

化石燃料资源的日益枯竭及其燃烧带来的环境影响加速了全球开发可持续能源系统的努力。化石燃料仍然是温室气体（GHG）排放的主要来源，尤其是二氧化碳（CO₂），它是气候变化的主要驱动力。根据国际能源署（IEA）的数据，与能源相关的CO₂排放量持续增加，特别是在快速工业化和人口增长的新兴和发展中经济体[1]。因此，向可再生能源和绿色化学品生产的转型对于减少碳排放和确保长期能源安全至关重要。

在可再生能源选项中，从脂肪、油和油脂（FOG）废弃物中提取的生物柴油因其环境效益、低成本和广泛可用性而受到广泛关注。FOG是一种第三代原料，来源于废弃油脂流，如使用过的食用油和油脂捕集器残渣。其利用具有双重好处：既能生产可再生燃料，又能缓解与废弃物处理和下水道堵塞相关的环境问题[2]。与传统的食用油原料（如棕榈油或大豆油）相比，FOG是一种更可持续且更具成本效益的资源，它通过将废弃物转化为有价值的产品来支持循环经济原则。

FOG转化为生物柴油通常涉及由均相或非均相催化剂催化的酯化和酯交换反应。催化剂的选择对工艺效率、产品产量和运营成本起着关键作用[3]。尽管均相催化剂具有较高的催化活性，但它们常常会产生分离难题和废水问题。相比之下，非均相和离子液体基催化剂具有可重复使用性和提高工艺可持续性的优势。此外，FOG中常见的游离脂肪酸（FFA）含量较高，需要在酯交换前通过酯化进行预处理，以防止皂化反应。

除了生物柴油生产外，酯交换过程中产生的甘油还具有进一步增值的巨大潜力。甘油可以通过热化学过程（如蒸汽重整、部分氧化和自热重整）[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]转化为高价值化学品和氢气。整合这些下游转化途径可以开发出基于FOG的生物精炼厂，生产多种产品，包括可再生燃料和化工原料。这种整合提高了资源利用率，并改善了生物柴油生产系统的整体可持续性和经济性能[10]。

为了评估这些集成工艺的可行性，进行全面的能量、?和经济（3E）分析是必要的。能量分析有助于了解工艺中的热量消耗和回收情况[11]，而?分析则能识别热力学效率低下和潜在的改进领域[9,12]。经济分析进一步评估了生产成本、盈利能力和可扩展性，从而对工艺可行性进行全面评估[13]。

已有许多研究使用能量、?和经济评估方法研究了生物柴油生产系统的性能。例如，Mehrpooya等人[14]开发了一个结合生物柴油生产、甘油蒸汽重整和发电的集成系统，实现了高热效率。Amelio等人[15]证明，基于?的优化可以显著降低生物柴油纯化单元的能耗。同样，Aghbashlo等人[16]和Khoobbakht等人[17]报告了生物柴油酯交换过程的高?效率，尽管没有考虑甘油的增值途径。其他研究则专注于从各种原料（包括废弃食用油和油脂捕集器废弃物）生产生物柴油的技术经济分析，在工业规模条件下展示了有希望的经济可行性[18]、[19]、[20]。然而，许多研究要么忽略了?分析，要么没有整合甘油的转化途径，导致对整个系统性能的评估不完整。

最近的研究还探索了工艺集成策略，以提高生物柴油生产的可持续性。例如，Song等人[12]证明热集成可以显著降低基于微藻的生物柴油系统的生产成本。同样，Yang等人[21]提出了一种通过工艺优化实现显著节能的集成生物柴油生产系统。然而，同时考虑生物柴油生产、甘油增值和工艺整合的全面3E评估仍然有限。

我们之前的研究调查了FOG转化为化学品路径的关键组成部分，包括通过酯化-酯交换反应生产生物柴油[3]和通过甘油蒸汽重整生成氢气[4]。虽然这些研究证明了每种工艺的技术可行性，但尚未全面探讨考虑能量、?和经济性能的集成评估。因此，本研究旨在开发并评估一种集成工艺，用于同时生产生物柴油、氢气和二钾磷酸盐。该工艺使用Aspen Plus?进行建模，并进行了全面的3E分析，以评估热力学效率和经济可行性。本研究的结果有望为基于废弃物的生物精炼厂的最佳设计和运营提供见解，支持可持续和循环能源系统的发展。

部分内容

系统边界

为了确保对工艺性能进行一致评估，为集成的FOG转化为化学品工艺定义了明确的热力学和经济系统边界（图S1）。热力学边界包括所有将脂肪、油和油脂（FOG）转化为生物柴油、氢气和二钾磷酸盐（K₂HPO₄）的主要工艺单元。值得注意的是，在3E分析中，原料预处理被排除在系统边界之外，这一假设在所有分析中始终得到应用

工艺优化

随后通过ANOVA分析对模型进行了评估，以确定每个术语的统计显著性以及整个模型的适用性。最后进行了模型验证，以确认预测准确性，并确保所开发的回归方程能够可靠地表示系统行为。根据两个反应器（CSTR-1、CSTR-2）的三个操作变量的编码和未编码符号的下限和上限（表S1），进行了分析

本研究在非洲背景下的相关性

非洲面临着日益增长的能源需求、快速的城市化以及与化石燃料依赖相关的环境问题。在这种背景下，从废弃物资源中开发可持续燃料已成为解决能源安全和废弃物管理挑战的可行途径

结论

本研究开发了五种集成的FOG转化为化学品的路径，将生物柴油生产（酯化-酯交换）与甘油蒸汽重整（GSR）相结合，并使用统一的能量-?-经济（3E）框架进行了评估。工艺优化和热集成使总的热能和冷能需求减少了40-65%；方案2取得了最佳的能量性能（热能节省53%，冷能节省65%），方案5紧随其后。相比之下，方案3-4显示

CRediT作者贡献声明

Muhammad Ikhsan Taipabu：撰写——初稿、方法论、研究、形式分析、概念化。Karthickeyan Viswanathan：监督、研究、概念化。Hafiz M. Irfan：方法论、概念化。Po-Chih Kuo：软件、概念化。Muhammad Aziz：监督、形式分析。Wei Wu：撰写——审阅与编辑、监督、研究、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国立成功大学（NCKU）通过NCKU大学发展项目总部的人才招聘合同提供的财务支持。本研究还得到了台湾国家科学技术委员会（NSTC）的资助，资助编号分别为113-2321-B-029-002、113-2622-8-006-020和113-2221-E-006-019。