Techno-Economic and Life Cycle Assessment of Integrated CO2-to-Olefins Routes: Leveraging Industrial Symbiosis to Enhance Economic and Environmental Resilience

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作者
Huashuai Wu,Shijie Chang,Ao Li,Junwen Wang,Ailian Wu,Xingwu Liu
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:14 (33): 14626-14640
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.6c02201
摘要

Abstract The industrialization of sustainable CO2 conversion for light olefin production is governed by the synergistic integration of carbon capture, hydrogen sourcing, and catalytic efficiency. This study presents a comprehensive techno-economic (TEA) and life cycle environmental (LCA) assessment of four integrated pathways at a 700 kTA scale, comparing a one-step CO2-Fischer-Tropsch-to-olefin (CFTO) route against methanol-mediated (CMTO) and two-step (RWGS-FTO) benchmarks. Leveraging industrial symbiosis, fossil-derived byproduct hydrogen from propane dehydrogenation (PDH) serves as a transitional bridge, complemented by renewable-powered electrolysis. Upstream optimization of the carbon capture unit via a blended MEA + MDEA absorbent coupled with heat pump integration reduces the regeneration energy from 3.83 to 2.64 GJ/t CO2. Results reveal that the PDH-CFTO route achieves an exceptional target carbon utilization ratio of 79.9% and an energy efficiency of 35.1%, significantly outperforming the PDH-RWGS-FTO route (31.4%) and maintaining parity with the CMTO route. Economically, PDH-CFTO demonstrates high resilience with an MSP of 1594.2 USD/t, surpassing CMTO when carbon taxes exceed 80 USD/t. Environmental assessments confirm that the CFTO route achieves the lowest greenhouse gas footprint (1.88 t CO2-eq/t) among fossil-integrated pathways. While the renewable-hydrogen pathways minimize the emissions to 0.50 t CO2 eq/t, their MSP remains prohibitively high. Sensitivity analysis reveals a path-dependent impact of capture optimization, and catalyst selectivity remains the dominant economic driver. A 40% selectivity threshold is sufficient for CFTO to systematically outperform CMTO in economic viability, while reaching a 70% selectivity would trigger a 20.5% reduction in MSP and a 36.94% decrease in carbon footprint. These findings underscore that the synergy between high-selectivity catalysis, advanced carbon capture, and industrial byproduct integration provides a pragmatic and data-driven roadmap for sustainable olefin production.
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