催化剂类型对二苄基甲苯（Dibenzyl Toluene, DBT）作为液态有机氢载体（Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC）技术经济性的影响

《International Journal of Hydrogen Energy》：Impact of catalyst type on the techno-economics of dibenzyl toluene as a liquid organic hydrogen carrier

　　

摘要专业翻译 液态有机氢载体（LOHCs）为常温条件下大规模氢储存与运输提供了前景广阔的途径；然而，其技术经济性能对催化剂选择高度敏感。本研究以二苄基甲苯（DBT）为LOHC对象，开展详细的技术经济分析（Techno-Economic Analysis, TEA），重点考察加氢催化剂选择带来的系统级影响，同时将脱氢条件保持恒定，以分离加氢驱动的系统效应。研究评估了镍（Ni）、钌（Ru）及铂（Pt）基催化剂，所用流程模拟集成了文献衍生动力学、现实航运物流以及详细的资本与运营成本模型。结果表明，催化剂选择强烈影响反应器尺寸、压缩需求、DBT降解及更换成本，在依赖催化剂与脱氢热源的不同组合下，氢的平准化能源成本（Levelised Cost of Energy, LCOE）介于8.22至16.14 A$·kg?1 H2之间。尽管材料成本高，铂基催化剂因更快的动力学与更低的操作压力，始终提供最低的系统级成本。敏感性分析确定催化剂更换率与铂回收率为关键经济阈值。与液氢（Liquid Hydrogen, LH2）和氨的对比证实，DBT是一种具竞争力且技术成熟的氢载体，尤其在可获得低碳热源时。

研究背景与意义

氢能是化石能源的低碳替代选项，但储运面临高压（压缩气态氢，Compressed Gaseous Hydrogen, CGH₂）或深冷（液氢，Liquefied Hydrogen, LH₂）的高能耗挑战。液态有机氢载体（LOHC）可在常温常压下通过可逆加氢/脱氢循环储氢，兼容现有油气基础设施。二苄基甲苯（Dibenzyltoluene, DBT）因非毒性、高沸点、理论储氢容量6.2 wt% H₂及低蒸气压被视为最成熟的LOHC候选物之一。已有研究多固定采用铂基加氢催化剂，而催化剂尺度动力学如何传导至反应器尺寸、压缩功、载体降解及整体技术经济尚缺系统量化。为此，研究人员以澳大利亚至日本出口场景为例，将加氢催化剂（Platinum, Ruthenium, Nickel）作为核心设计变量，耦合全供应链模型，同时评估不同脱氢热源策略，以明确催化剂选择与热供应方案对氢平准化成本（Levelised Cost of Energy, LCOE）及净CO₂减排的联合影响。论文发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

主要技术方法

研究人员在Aspen HYSYS v12中搭建加氢与脱氢流程模型。DBT及其加氢产物作为假组分由结构构建器定义并用UNIFAC估算物性，选用Peng–Robinson状态方程。加氢侧分别植入铂（简单动力学）、镍（三步简单动力学）、钌（Langmuir–Hinshelwood动力学）的文献速率方程；脱氢侧统一采用铂基简单动力学以隔离加氢催化剂效应。反应器单台上限100 m³，更大处理量用多台并联/串联实现。经济模型以HYSYS的停留时间、体积、压力、压缩功、加热负荷及DBT循环量为输入，用Sinnott & Towler设备费用关联式并按化学工厂装置成本指数（Chemical Engineering Plant Cost Index, CEPCI）折算为2024澳元（A），叠加Lang因子得到界区内（InsideBatteryLimits,ISBL）资本支出（CAPEX）。运营支出（OPEX）含人工、维护、电价（100A/MWh）、冷却水、DBT补充（由Modisha–Bessarabov温度依赖降解模型估计）及催化剂定期更换。航运逻辑以布里斯班至横滨7261 km为例，两船轮换降低DBT库存。LCOE按25年寿命、加权资本成本（Weighted Average Cost of Capital, WACC）5%贴现。热源场景分：外部废热（零成本）、产品氢燃烧（约33% H₂内部消耗）、天然气（Natural Gas, NG）燃烧（日本现货价0.88 A$/kg）。敏感性涵盖WACC、寿命、DBT价格、降解温区、催化剂更换率及铂回收率。

研究结果

3.1 加氢催化剂选择的经济影响

通过改变加氢反应器内催化剂可显著改变过程经济。铂材料单价最高，但因其最快动力学可在30 bar下运行，仅需2×~90 m³反应器；镍需50 bar及8×96 m³（总768 m³），停留时间5.27 h；钌居中（2×90 m³，0.37 h）。铂负载仅0.3 wt%，钌1.92 wt%，故尽管铂单价~46,000 A/kg（Ru 19,000A/kg，Ni~24 A/kg），铂体系催化剂购置费仍低于钌。以催化重整为参照设8年更换基准，年催化剂更换成本：Ni1.3百万A，Ru 30.5百万A，Pt11.0百万A。铂的低压操作省去额外压缩电耗（对比Ni省>4万A/年）。长停留时间加剧DBT热分解（270°C下半衰 897h，每升10°C倍速），Ni的DBT年补充费达1.79百万A，Pt与Ru约0.86百万A。固定运营成本随CAPEX浮动，铂最低（2.82A/kg H₂）。仅加氢步骤LCOE：Ni 1.01、Pt 1.34、Ru 3.43 A/kgH₂；但加上固定成本与DBT替换后，综合氢化处理+固定+DBT的LCOE为Pt5.32、Ni5.34、Ru7.98A/kg H₂，铂略优。

3.2 系统级技术经济表现

3.2.1 热源场景比较

脱氢热由外部流体传导，三种场景：废热（无直接成本）、H₂燃烧（约32.6%产氢内部供热）、NG燃烧（0.836 kg NG/kg H₂产）。铂始终最低：废热8.22、H₂燃烧12.19、NG 8.70 A/kgH₂；镍8.27/12.32/8.76；钌10.89/16.14/11.36。NG比废热高 0.48A/kg H₂；H₂燃烧因净出氢降为67%使LCOE升约48%。

3.2.2 环境表现

以工业热代用NG为基准（2.75 kg CO₂/kg NG，0.39 kg H₂等价热）。废热场景100%产氢可用，避免7.05 kg CO₂/kg H₂产（58.8 kg CO₂/GJ H₂）；H₂燃烧与NG燃烧净避排均为4.75 kg CO₂/kg H₂产（39.6/kg GJ）。NG燃烧虽排CO₂但成本较低，可作过渡。

3.2.3 其他经济考量

基准假设50%铂回收；计入绿色制氢成本2.79 A/kgH₂后，总LCOE：Pt废热9.91、H₂燃14.70、NG10.39A/kg H₂。若不计制氢，与表观文献值接近。

3.2.4 敏感性分析

LCOE随项目寿命延长（>25年边际递减）及WACC降低而降；WACC升至10%明显不利。DBT单价从6.5降至甲苯水平（1.15 A$/kg）可降LCOE达20%。操作温升到280 °C时降解成本陡增，保守270 °C优先。无铂回收时，当催化剂更换率>0.13/年（<7.7年一换）镍反超铂；50%回收可将阈值推至0.5/年（2年一换），更高回收进一步巩固铂优势。

3.2.5 情景分析

联合最差（20年、DBT 8 A/kg、更换0.2/年、280°C、0/kg、0.1/年、270 °C、75%回收、WACC 5%）包裹基准：Pt为12.30/7.12/5.64 A$/kg H₂，Ni为12.32/7.64/6.25，Ru为16.41/10.25/8.58。铂始终保持最低，相对排序稳健。

3.2.6 铂催化剂乐观情景

设30年、DBT 1.15 A/kg、10年一换、90/kg H₂，减去回收后达4.61/5.09/6.83 A$/kg H₂。

3.3 对比分析

3.3.1 与既往DBT技术经济研究比较

与Niermann & Drünert（~9.2 A/kg H₂）、Spatolisano & Restelli（10.77 A/kg H₂）相比，本研究废热铂方案8.22 A$/kg H₂略低，差异来自海运-only、低压缩、显式催化剂及DBT降解成本。既往研究多固定Pt催化剂且不联动力学至反应器与降解，本研究弥补该缺口。

3.3.2 与其他氢载体比较

压缩气态氢罐/洞穴存储估算62–81 A/kgH₂；氨载体合成 6A/kg H₂以上且裂解需~900 °C、PSA分离；液氢液化能耗大（~?253 °C），文献LCOE 6.6–14 A$/kg H₂。DBT在中等温压、无极端分离、兼容现有油轮下取得平衡，尤其有废热时具竞争力。

3.4 研究局限

系统边界限于港口到港口海路，未含内陆配送；假组分与简化传热（理想等温）引入不确定；动力学与寿命来自实验室及类比工业；脱氢催化剂固定未来可变。但框架在一致基准下适于早期LOHC供应链比对。

讨论与结论翻译总结

本研究通过将催化剂动力学显式耦合至反应器尺寸、压缩需求、DBT降解及更换动态，证明催化剂选择是LOHC系统级经济的主导驱动而非次要参数。铂基催化剂尽管单价高，但凭借快动力学、低操作压力、小反应器体及低DBT分解，在全部脱氢热源下给出最低LCOE。镍受慢动力学导致大反应器与明显DBT降解惩罚；钌因高催化剂成本且性能提升有限而表现偏弱。敏感性指出铂更换率与回收率为关键阈值：当回收≥50%且更换间隔>2年时铂更优，更高回收进一步强化经济。在乐观但合理情境（DBT降价、长寿命、高回收）下，DBT体系LCOE可低至4.61 A$/kg H₂。环境评估确认配废热的DBT物流可大幅避免温室气体；氢燃烧为全零排热源，而天然气燃烧因成本较低且净避排相当可作过渡。综上，相较液氢与氨，DBT在技术成熟与经济性间取得有利平衡，结果为LOHC供氢链的催化剂选型、回收策略及操作条件提供明确指引。