交通运输部门在全球温室气体（GHG）排放中占很大比例，约占能源相关CO2排放的23%，并排放约8.9 Gt CO2当量 [1]。为了减轻交通运输部门日益增长的气候影响，从化石燃料汽油转向低碳液体燃料至关重要；这些替代品在保持现有内燃机基础设施的同时，相比纯碳氢化合物提供了更低的生命周期排放 [2]。在此背景下，CO2的利用成为实现碳中和的关键途径。通过将CO2转化技术整合到现有的燃料生产系统中，该行业可以同时减少炼油厂的排放并确保低碳燃料的可持续来源 [3], [4], [5]。最近的分析表明，CO2衍生的燃料有潜力显著降低生命周期排放，同时利用现有的石化基础设施进行工业规模的应用 [6], [7]。这一观点强调了探索CO2转化为燃料的途径的重要性，不仅作为一种技术选择，而且作为连接短期减排目标和长期脱碳战略的战略解决方案。
最近的综述指出，CO2的利用已经发展成为一个多途径领域，整合了催化、电化学和循环方法来生产燃料。Kim等人对CO2转化路线进行了系统评估，详细说明了热力学限制和催化剂稳定性如何挑战CO2氢化和RWGS基方案的放大 [8]。Shi等人回顾了CO2氢化成液体燃料的关键催化系统，强调了催化剂结构与反应性之间的关系以及性能权衡 [9]。Yang等人研究了电化学和光热CO2转化为燃料的路线，强调技术经济可行性在很大程度上取决于可再生能源成本和H2价格敏感性 [10]。Do等人提出了一个涵盖72种CO2转化为燃料途径的统一框架，重点关注氢源、CO2捕获和环境经济之间的相互作用 [11]。Hong等人对CO2捕获、利用、储存（CCUS）系统和CO2利用进行了技术经济评估，评估了系统准备情况、能源需求和成本构成 [12]。Moreno-Gonzalez等人对通过电解产生的CO2合成气途径进行了经济分析，发现当与空气捕获或尾气源结合时，CO2排放和能源使用量会随着CO2来源和所需CO2回收的煅烧过程而显著变化 [13]。Centí等人对CO2利用的经济性进行了批判性分析，警告不要低估生命周期排放，并呼吁进行严格的成本效益评估 [14]。Okoye-Chine等人强调了CO2转化为燃料研究中仍存在的挑战，如转化效率低、分离负担重以及放大障碍，尽管取得了进展 [15]。尽管技术上有所进步，但CO2转化为燃料的部署仍受到基础设施限制和系统转型缓慢的阻碍。例如，替代燃料基础设施的扩展长期以来一直被认为是大规模部署非石油燃料的关键障碍 [16]。
乙醇长期以来被认为是一种可行的替代燃料，在许多生产途径下，其从井口到车轮（WTW）的碳强度低于纯汽油 [17]。由于乙醇混合基础设施在美国等关键市场相对成熟（其中大部分汽油以E10（10%乙醇燃料）的形式销售），以及巴西长期的高混合要求和乙醇车辆的普及，乙醇的采用得到了促进 [18], [19]。大量文献研究了生物质衍生乙醇的生产、其技术经济可行性和环境性能：例如，Soleymani Angili等人回顾了生物乙醇的生命周期评估（LCA）研究，强调了方法选择（如系统边界、功能单元）对结果的重大影响 [20]。Huang等人开发了一种连续气-液生物膜反应器系统，用于CO/CO2转化为乙醇，证明了增强的气-液传递和可控的停留时间显著提高了乙醇产量和工艺稳定性 [21]。von Blottnitz和Curran对生物乙醇系统进行了比较评估，显示了能源和GHG效益，但也指出了毒性和酸化影响的权衡 [22]。Konti等人分析了来自食物废物的生物乙醇，注意到虽然有显著的GHG节省，但研究假设存在高度异质性 [23]。Hosseinzadeh-Bandbafha等人对生物燃料混合物进行了能量、经济和环境的生命周期评估，发现虽然生物乙醇的添加提高了整体可持续性，但较高的乙醇比例并不总是带来成比例的效率或排放效益 [24]。Yin等人对来自农业残留物的生物乙醇进行了综合LCA，量化了全球变暖潜力、酸化和富营养化 [25]。同时，Du等人总结了催化CO2转化为乙醇的进展，指出了催化剂发展的同时，在选择性、能源输入和可扩展性方面仍存在持续挑战 [26]。总体而言，这些研究表明，尽管生物质衍生乙醇途径相对成熟且理解更深入，但直接的CO2转化为乙醇路线在效率、H2需求和分离方面仍面临关键障碍，才能成为具有竞争力的替代品。
尽管存在当前的限制，开发热催化CO2转化为乙醇的路线与基于生物的途径相比具有明显优势。传统的催化过程非常适合工业应用，受益于成熟的反应器技术、可扩展的热集成以及相对稳定的H2和公用事业供应链，从而确保了连续和可控的操作 [27]。相比之下，生物质衍生乙醇的生产受到土地可用性、作物产量和气候条件的限制，其国际贸易仅占全球乙醇产量的约8% [28]。因此，整合到炼油厂的CO2转化提供了一种地理上灵活、不依赖农业的乙醇供应方式。通过利用炼油厂的点源排放而不是生物质资源，这些系统将乙醇的可用性与食品-燃料竞争分离开来，即使在缺乏生物乙醇基础设施的地区也能实现国内生产 [29]。将炼油厂CO2转化为乙醇的热催化途径提供了一种实用的减排方法，通过中间物种将CO2转化为乙醇。Kim等人研究了在沸石基催化剂上的二甲醚（DME）羰基化，表明可以在大的CO/DME比例下形成甲基醋酸酯，但需要借助低温分离来回收未反应的CO [30]。Zhang等人报告说，甲基醋酸酯（MA）的氢化提供了直接转化为乙醇的途径，尽管相对于MA需要25–40 M当量的H2 [31]。Lu等人研究了DME烃基化作为一步羰基化氢化途径，减少了工艺步骤，但产量低且气体液体分离存在显著挑战，通常需要甲醇溶剂辅助 [32]。Zheng等人使用基于Pd和双功能Cu–Zn–Zr催化剂探索了直接CO2氢化为乙醇的途径，强调了其概念上的简单性，但也存在选择性低和能量强度高的持续限制 [33]。总体而言，这些单元反应展示了CO2转化为乙醇的多样性和技术可行性。然而，尽管对各个催化步骤进行了大量研究，仍缺乏将这些途径整合为可扩展的、适合炼油厂的燃料生产系统的综合过程，这突显了推进CO2衍生乙醇技术的关键研究空白。
为了解决这些挑战，本研究提出了一种创新的乙醇燃料生产系统，将CO2转化为乙醇（C2E）的热化学转化途径整合到传统的汽油精炼操作中。在该系统中，炼油过程中排放的CO2被捕获并通过催化合成气反应转化为乙醇，所得乙醇在现场与汽油混合，生产E10和E20燃料。这种方法实现了一个部分循环的生产系统，减少了汽油的碳强度，同时消除了对外部生物乙醇供应链的依赖。为了评估其可行性，本研究进行了工艺模拟、技术经济分析和多种C2E工艺配置的碳强度评估，并通过热交换网络设计提高了能源效率。此外，还进行了全球敏感性分析，以评估所提出系统在各种市场条件下的经济和环境性能。这些发现旨在为将CO2利用与现有石化基础设施整合为生产低碳运输燃料的战略奠定技术基础。
