本研究由来自伊朗多所高校的研究人员合作完成，第一作者为 Mohsen Nasrollahi（萨里农业科学与自然资源大学），通讯作者为 Mohammad Ebadollahi（莫哈格赫·阿尔达比利大学）和 Majid Amidpour（K. N. 图西理工大学）。该研究于2026年7月7日在线发表于 Elsevier 旗下的《Energy Nexus》期刊（第23卷，文章编号100758），题为“化学法和基于微藻的燃烧后二氧化碳捕集系统的比较生命周期评价”。

一、 研究背景与目标

本研究属于环境工程与能源系统交叉领域的生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）研究。在全球变暖加剧和二氧化碳（Carbon Dioxide, CO₂）排放持续增长的背景下，开发高效的CO₂捕集技术已成为实现《巴黎协定》气候目标的关键。燃烧后碳捕集（Post-Combustion Carbon Capture, PCC）技术，特别是基于化学溶剂吸收的方法，以及利用微藻进行生物固碳的方法，是目前最具应用前景的两条技术路线。然而，传统PCC技术面临溶剂再生能耗高的瓶颈，因此衍生出了多种优化配置，如贫液蒸汽压缩（Lean Vapor Compression, LVC）、富液溶剂循环（Rich Solvent Recycle, RSR）和溶剂分流（Solvent Split Flow, SSF）。与此同时，微藻生物固碳虽能生产有价值的副产品，但其大规模应用对土地、水资源和营养盐的需求也可能带来新的环境负担。此前的研究多侧重于能量、㶲和经济（3E）分析，缺乏从全生命周期角度对优化后的化学法和生物法捕碳系统进行系统性的环境比较。

为填补这一研究空白，本研究的主要目标为：采用统一的方法学框架，即基于Simapro软件和ReCiPe 2016评价方法，从“摇篮到大门”的系统边界，系统评估并比较四种化学PCC配置（PCC、LVC、RSR、SSF）和一种基于微藻的生物捕集系统的环境影响，识别关键环境热点，并为未来可持续碳捕集策略的选择与优化提供科学依据。

二、 研究流程与方法详解

本研究主要包含三个核心流程：化学捕集系统的过程模拟、微藻培养系统的建模，以及全生命周期评价。

1. 化学PCC系统建模与模拟： 研究以二甘醇胺（Diglycolamine, DGA）作为化学吸收剂，利用Aspen HYSYS软件对四种PCC配置进行模拟。模拟的烟气为无氮氧化物和硫氧化物的烟道气，其成分明确（CO₂占4.65mol%）。 - 基准PCC配置：烟气进入吸收塔与来自塔顶的50 wt% DGA溶剂逆流接触，CO₂被吸收。富液经换热器和泵加压升温至约110°C和300 kPa后进入汽提塔，通过再沸器提供的热量将CO₂从溶剂中解吸出来，实现溶剂再生。 - LVC配置：在基准流程基础上增加蒸汽压缩环节。来自汽提塔的贫液通过控制阀减压，部分汽化，气相被压缩后注入再沸器，从而直接降低再沸器的热负荷。此配置以增加电耗为代价，换取热负荷的显著降低。 - RSR配置：将约10%的富液直接循环回吸收塔，通过优化吸收塔内的液气比和温度分布，利用吸收反应的放热提高CO₂捕集效率，并减少换热器中的不可逆损失。 - SSF配置：在富液进入换热器前，将其中约10%直接分流送入汽提塔，从而降低汽提塔顶部冷凝器的负荷，并间接减少再沸器负荷，使塔内温度梯度更平滑。

通过模拟，获得了各配置的能量消耗数据，其中LVC配置的电耗最高（64.2 kW），而基准PCC和SSF的热耗最高（约3200 kW）。

2. 微藻培养系统建模： 生物法碳捕集系统被建模为一个以开放池塘培养微藻、以烟气为碳源、最终生产生物柴油的“从摇篮到大门”的工艺流程。整个流程分为培养、收获（絮凝与离心）、油脂提取和转酯化四个阶段。研究通过一系列方程式（公式1至13）对系统进行量化建模，基于CO₂输入速率、日生长率、池塘运行时间等参数，计算出所需的培养面积和生物质产量，并据此估算了尿素、磷酸盐等营养物的需求量以及系统总电力需求。该系统最终产品为微藻生物质（本研究的系统边界止于此）并带来副产品生物柴油，但本研究仅考虑生物质生产环节。

3. 生命周期评价（LCA）： LCA是本研究最核心的方法，严格遵循ISO 14040标准。 - 目标与范围定义：研究目标为比较五种捕集系统的环境影响。功能单位是LCA中的核心基准，本研究为化学系统定义的功能单位是“捕集1吨CO₂”，为生物系统定义的是“生产1吨微藻”。系统边界为“从摇篮到大门”，涵盖了原料采掘、能源供应、运行操作直到捕获的CO₂或生产的微藻，不包括后续运输、使用和废弃阶段。 - 生命周期清单分析：化学系统的清单数据来自Aspen HYSY过程模拟结果，包括电力、热、冷却水和DGA溶剂的消耗量。生物系统的清单数据基于前述模型计算。背景数据（如伊朗电网电力生产、尿素生产）均来自Ecoinvent数据库。伊朗高压电网的电力结构主要以化石燃料（天然气、石油）为主。 - 生命周期影响评价：利用Simapro软件和ReCiPe 2016 (H)方法，将清单数据转化为环境影响。该方法提供了终点（Endpoint）指标，将环境影响归为三大类：人体健康（以伤残调整生命年衡量）、生态系统（以物种·年衡量）和资源稀缺（以美元2013年衡量），并进行加权得到单一总分（以点Pt为单位）。同时，也进行了中点（Midpoint）分析，识别对各类终点损害贡献最大的具体环境压力，如全球变暖、细颗粒物形成等。 - 数据分析：对结果进行贡献分析，识别电力、加热、化学品等不同投入对总体环境影响的贡献大小，并特别针对“电网电力占比”（100%、50%、0%）和“尿素用量”（100%、50%、0%）进行了敏感性分析。

三、 主要研究结果详述

研究结果表明，电力消耗是所有系统环境影响的绝对主导因素。

• 终点损害评估：在化学法中，LVC配置总加权影响最高（81.45 Pt），RSR配置最低（52.43 Pt）。在各自的功能单位下，生物法（微藻）的总影响为27.62 Pt，低于各化学法。然而，由于功能单位不同，这个数值不能直接对比，该局限性在原文中被明确指出。在人体健康损害方面，LVC配置最高（0.004366 DALY），生物法最低（0.00149 DALY），表明减少电耗可避免显著的健康寿命损失。
• 中点影响分析：
  • 对生态系统损害贡献最大的中点指标依次是全球变暖/陆地生态系统、陆地酸化和陆地生态系统臭氧形成。这与化石燃料燃烧发电排放的CO₂、氮氧化物和硫氧化物直接相关。
  • 对人体健康损害贡献最大的指标是全球变暖/人体健康和细颗粒物形成。全球变暖通过热应激、疾病传播等影响健康，而细颗粒物（PM2.5）则直接导致心血管和呼吸系统疾病。
  • 在资源稀缺类别中，化石资源稀缺的贡献远大于（约10-15倍）矿产资源稀缺，这直接反映了系统对天然气等化石燃料的深度依赖。
• 贡献分析：对于所有化学系统，电力消耗对三大终点损害的贡献均超过95%，几乎决定了其全部环境影响。而对于生物系统，电力的贡献率约为49%，尿素的贡献上升至33%，加热的贡献约为18%，呈现出与化学法不同的、更多元的贡献结构。
• 敏感性分析：对化学系统的分析显示，环境影响与电网电力占比呈完全线性关系，当电网电力降至0%时，影响归零。对生物系统的分析同样揭示了电力（影响值13.45点）和尿素（影响值9.06点）的线性影响规律，电力仍是敏感性最高的参数。

四、 研究结论与价值

本研究的核心结论是：在碳捕集系统的设计和运行中，电力来源和消耗量是决定其环境可持续性的最关键因素。 - 科学价值：首次在统一LCA框架下，对多种优化的PCC构型和微藻生物捕集系统进行了详细的环境影响量化与比较，填补了以往3E分析缺乏全面环保视角的空白。研究明确指出，由于化学法和生物法输出产物的本质不同，直接比较需审慎解释，并阐明了不同系统环境热点（化学法为电力，生物法为电力和尿素）的差异化特征，为后续研究指明了跨系统比较的方法学难题。 - 应用价值：研究结果为工业脱碳的技术选择提供了明确的环保导向。在化学PCC系统中，采用RSR等低电耗设计，其环境影响可较LVC降低约36%，这是在不改变电力来源下的有效优化策略。长远来看，将捕集系统与可再生能源（如太阳能、风能）耦合，是大幅降低其环境足迹的根本途径。对于生物固碳系统，除降低电耗外，寻找低碳尿素或实现营养物循环利用是其关键优化方向。

五、 研究亮点与局限

• 研究亮点：
  1. 配置特异性的详尽对比：与一般性比较不同，本研究细致地考量了PCC内部多种技术改进方案（LVC, RSR, SSF）的环境表现差异，发现简单的溶剂循环策略（RSR）具有显著的环保优势。
  2. 环境热点的精确识别：通过贡献分析，精确量化了电力在不同技术路线中的主导作用，尤其在化学法中高达95%以上的贡献比，将复杂的LCA分析简化为了清晰的单一关键指标。
  3. 方法学严谨性：作者对功能单位不统一造成的比较局限性进行了反复强调和讨论，体现了科学严谨性，为后续进行更公平的比较研究奠定了基础。
• 研究局限与未来方向：研究明确指出系统边界为“从摇篮到大门”，未包含下游应用及废弃处置。数据源于模拟和文献，缺乏工业实际运行数据验证。生物系统仅考虑了开放池塘培养，并做出了无副产品的单一输出假设，可能会高估其环境影响。未来研究应扩展边界至全生命周期“从摇篮到坟墓”，整合中试或工业规模的真实运营数据进行验证，并探索化学法与生物法耦合的混合捕集路径，以实现协同效益。