一种新型钾腐殖酸（K-Humate）生产过程的经济分析：该过程采用低品位煤炭作为原料，并结合了碳捕获与热能集成技术

《Journal of Cleaner Production》：An economic analysis of a novel potassium humate (K-Humate) production process from low rank coal: Incorporating carbon capture and heat integration process

本研究提出一种结合碳捕获与热回收技术的新型钾humate生产方法，利用低阶煤通过氧化-提取-气泡工艺制备，实验室验证了KHCO3形成，并进行了经济和环境评估，发现集成方案最可持续和经济。

　　本研究提出了一种创新的方法，用于从低阶煤中生产钾腐殖酸（K-Humate），同时整合碳捕集与热回收技术。通过实验室实验验证了从低阶煤中通过氧化-提取-气泡过程成功合成K-Humate的可行性，并利用X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析确认了最终产品中钾碳酸盐（KHCO?）的形成。初步的二氧化碳吸收动力学模型显示了与实验数据之间高度一致的结果。质量与能量平衡分析表明，在氧化和二氧化碳吸收过程中表现出放热特性，而在腐殖酸提取过程中则呈现吸热特性，同时能够捕集每吨产品约55.92千克的二氧化碳。本研究评估了三种情景下的可持续性和经济表现：（1）不进行碳捕集或热集成；（2）仅进行碳捕集；（3）同时进行碳捕集和热集成。通过使用次烟煤、海洋燃料油（MFO）和液化天然气（LNG）评估蒸汽生成过程的温室气体（GHG）排放。技术经济评估显示，在第三种情景中，结合碳捕集和热集成的方案提供了最可持续且经济上最有利的结果。在使用LNG作为燃料的情况下，该情景下的资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）分别估计为每千克K-Humate 0.622美元和4.468美元，而投资回报率（ROI）、生产周期（POT）、内部收益率（IRR）和GHG排放（范围1和2）分别为13.71%、3.6年、14.52%和2.215千克CO?e/千克K-Humate。敏感性分析表明，产品定价是影响盈利能力的最关键因素。这种集成过程为可持续的K-Humate生产以及低阶煤的利用提供了有前景的途径，通过同时减少环境影响并保持良好的经济表现。

腐殖物质，包括腐殖酸、富里酸和腐泥，是经过数百万年植物和动物物质分解后自然形成的有机化合物（Singh等，2023）。这些物质广泛存在于土壤、泥炭和沉积岩中，特别是在低阶煤如褐煤和次烟煤中（Ore等，2023）。腐殖物质因其能提高土壤肥力、促进植物生长和增强水分保持能力而被广泛认可，使其在农业和环境管理中具有重要价值（Maffia等，2025）。其中，钾腐殖酸，即腐殖酸的钾盐，因其在提供必需养分和改善土壤结构方面的双重作用而尤为突出（Kumar等，2013）。

传统的钾腐殖酸生产主要依赖于一种名为“Leonardite”的氧化型褐煤，其腐殖酸含量较高（Karcher，1970）。然而，Leonardite的储量有限，因此需要寻找替代原料。低阶煤如褐煤或次烟煤因其储量丰富且有机含量相对较高，成为可行的替代原料（Wali等，2019；Sabar等，2020）。典型的生产过程如图1A所示，包括通过氧化提高腐殖酸产量、用碱提取腐殖物质，以及在沉淀或蒸发后干燥产物（Wang等，2021；Kusumastuti等，2025）。常用的化学氧化剂包括过氧化氢（H?O?），尽管这一过程会产生二氧化碳（CO?）作为副产物（Mae等，2001；Li和Yuan，2021），从而导致温室气体的积累。

利用煤作为非燃烧应用的原料，如腐殖物质的生产，为全球减少煤炭在能源消耗中的份额提供了有前景的替代方案。作为世界第三大煤炭生产国，印尼正逐步减少煤炭在发电厂中的使用（IESR，2024），因此煤炭开采行业需要寻找新的产品市场。2023年，印尼大部分煤炭被出口（66.83%，%BOE），其余部分则在国内消费。发电厂消耗了大约60.64%的煤炭作为燃料，其余则被工业部门使用，例如用于冶金焦炭（印尼能源与矿产资源部，2023）。因此，将煤炭作为钾腐殖酸生产原料为煤炭开采行业提供了新的市场机会，使他们能够拓展到发电厂之外的领域。

钾腐殖酸在农业中有着广泛的应用，因其能提供钾这一植物必需的营养元素，同时改善土壤健康（Ullah等，2020；Rahi等，2021；Shen等，2024）。钾腐殖酸通过提高土壤的阳离子交换能力（CEC）来增强土壤肥力和植物健康，从而改善关键营养元素的吸收。它还能促进根系的呼吸和形成，支持强大的根系发展，从而提高植物对水分和养分的吸收能力（Hatipo?lu等，2021）。此外，钾腐殖酸通过物理、化学和生物技术机制调节养分的可用性（Al-Issawi等，2021），实现养分的即时和可控缓慢释放。当与NPK肥料一起使用时，它能够减少肥料的使用量高达30%（Ma等，2024）。这是因为腐殖酸能提高养分吸收效率（Ulfa等，2020），延长释放时间（Suwardi等，2024），减少肥料损失（Liu等，2024），从而提高整体的经济价值。它不仅在经济上有益，而且在环境上也有利，特别是在对农田的农业影响方面。这是由于合成氮肥供应链中的温室气体（GHG）排放估计在2018年约为1.13 GtCO?e，占农业排放的10.6%或全球温室气体排放的2.1%（Menegat等，2022）。因此，减少肥料使用并转向将部分煤炭利用转化为腐殖酸生产，可能有助于降低温室气体排放。

本研究提出了一种将钾腐殖酸生产与碳捕集与利用（CCU）以及热集成相结合的新型集成工艺。与以往研究将碳排放视为废弃物不同，本提出的工艺捕集氧化过程中产生的二氧化碳，并将其用于将钾氧化物（K?O）转化为钾碳酸盐（KHCO?），从而将其嵌入最终产品中。以往的研究表明，腐殖酸盐溶液具有作为二氧化碳溶剂的潜力（Spietz等，2024），但关于碳捕集过程的动力学及其在肥料生产中的应用尚未有报道。这种集成不仅能够减少使用低阶煤生产钾腐殖酸过程中的净排放，还有潜力减少由于农田中过量使用氮肥而导致的温室气体排放和土壤酸化。

本研究的关键创新点在于通过在低阶煤生产钾腐殖酸过程中增加碳捕集和热集成单元来减少二氧化碳排放。这一成果得到了实验室验证、动力学建模、过程模拟、温室气体排放分析和技术经济评估的支持。结果表明，结合这两种方案可以在减少温室气体排放的同时保持良好的经济可行性。本研究通过提供一种结合腐殖酸盐溶液和热集成的CCU集成工艺来生产钾腐殖酸，为钾腐殖酸的生产提供了新的路径，符合全球减少排放技术与循环资源利用的趋势。

在实验室规模上进行了观察，以证明该过程在扩大规模上的可行性。实验使用了多种化学品，包括作为氧化剂的过氧化氢（H?O?，50%），该化学品由印尼的PT Samator Intiperoksida提供；用于提取步骤的氢氧化钾（KOH），由德国的Merck Supelco提供；而用于气泡过程的二氧化碳（CO?）和氮气（N?）则由PT购买。通过这些实验，研究人员能够观察到整个过程的可行性，并为后续的规模化生产奠定基础。

实验室观察的特征分析结果如表4所示。根据ASTM标准D388-23，煤炭根据固定碳（FC，dmmf）、挥发分（VM，dmmf）和发热量（CV，im，mmf）被分为不同的类别（Patria和Anggara，2022）。本研究中使用的原始煤炭属于次烟煤A类，其固定碳（dmmf）和发热量（dmmf）分别为52.02%和47.98%，而发热量（im，mmf）约为。这些数据为评估煤炭的性质和生产过程提供了基础，同时也为后续的热集成和碳捕集工艺提供了参数支持。

本研究通过三种情景的综合评估，展示了从低阶煤生产钾腐殖酸的可行性和环境效益。情景一为不采用碳捕集或热集成，情景二为仅采用碳捕集，情景三则同时采用碳捕集和热集成。情景三的经济和技术表现最佳，表明该工艺在环境和经济上均具有显著优势。此外，本研究还评估了不同燃料来源对温室气体排放的影响，发现使用液化天然气（LNG）作为燃料的方案在降低排放方面最为有效。这一发现为未来的工业化生产提供了重要的参考，尤其是在推动低碳技术应用和资源循环利用方面。

通过实验和分析，研究人员发现将碳捕集与热集成相结合不仅能够减少生产过程中的碳排放，还能提高整体的经济可行性。这种集成工艺在降低生产成本的同时，还能够提高产品的附加值。此外，该工艺对环境的影响也得到了评估，特别是在减少温室气体排放和土壤酸化方面。这些发现为未来的可持续发展提供了理论支持，并为政策制定者和工业界提供了实践指导。

本研究的结论表明，从低阶煤生产钾腐殖酸并结合碳捕集与热集成的工艺具有显著的环境和经济优势。实验室规模的特征分析确认了煤炭通过氧化和碱提取过程的转化，并通过XRD和FTIR分析验证了最终产品中钾碳酸盐的形成。尽管腐殖酸含量略低于某些报告中的值，但该工艺仍显示出良好的可行性。通过这种集成方式，研究人员能够有效减少碳排放，并提高产品的经济价值，同时降低对环境的负面影响。这一研究为未来钾腐殖酸的生产提供了新的思路，并为煤炭资源的可持续利用提供了可行的解决方案。

本研究的作者贡献声明显示，Daniel Timotius负责撰写原始草稿、资源、方法论和概念化；Aditya Kurniawan负责软件和形式分析；Alit Istiani负责撰写原始草稿、调查和形式分析；Chandra Edward Suryanaga负责撰写原始草稿和形式分析；Aldian Fahrialam负责撰写原始草稿和形式分析；Rizqi Fathur Rohman负责形式分析；Ragil Adjeng Nur Adibah负责形式分析；Himawan Tri Bayu Murti Petrus负责撰写审阅与编辑、监督；Yuni Kusumastuti负责撰写审阅与编辑、监督；Ivano Heimbach负责撰写原始草稿、形式分析；Ferian Anggara负责撰写原始草稿、形式分析。所有作者均对研究的各个方面做出了贡献，并确保了研究的科学性和严谨性。

本研究的声明表明，作者们声明没有已知的可能影响本研究的财务利益或个人关系。这种声明确保了研究的透明性和客观性，同时也表明作者们对研究的独立性和公正性持有高度信心。

本研究的致谢部分提到，作者们衷心感谢来自UPN“Veteran”Yogyakarta的Research and Community Service Institute（Lembaga Penelitian dan Pengabdian Kepada Masyarakat；LPPM）的2024年研究资助计划的支持，合同编号为121/UN62.21/DT.07.00/2024。作者们还感谢ChatGPT（OpenAI）在手稿修订过程中提供的语法和语言建议。所有技术内容、解释和分析均基于上述支持，确保了研究的顺利进行和成果的可靠性。

综上所述，本研究通过创新的工艺设计，将钾腐殖酸的生产与碳捕集和热集成相结合，不仅提高了生产过程的经济性和可持续性，还有效减少了温室气体排放和环境影响。这种集成工艺为煤炭资源的高效利用提供了新的方向，同时也为农业领域的绿色转型提供了支持。通过实验室验证和多方面的分析，研究人员展示了该工艺的可行性，并为未来的工业化应用提供了科学依据。这一研究不仅在学术上具有重要意义，也在实际应用中展现出广阔前景。