木质纤维素生物质转化制备生物基石墨及液态烃的工艺设计与技术经济分析

本研究通过热解生物油升级技术，创新性地将木质纤维素生物质转化为锂离子电池负极材料生物石墨（biographite）和燃料级烃类。采用Aspen Plus V12.1模拟显示，集成生物精炼厂总能耗为10,784kWh/吨生物石墨，其中36%可通过热集成网络和电厂供给。案例D（联产生物燃料）实现3.3美元/kg的负极级生物石墨最低售价（MSP），利润率达27%，较中国中等品质合成石墨（～4.2美元/kg）展现成本优势。研究为可持续能源存储材料开发提供了关键技术经济评估框架。

　　

核心发现

工艺模拟显示，混合软木生物质通过快速热解（fast pyrolysis）转化为生物石墨和液态烃类时，碳转化效率达到68.4%。其中生物石墨的振实密度（tap density）达1.05 g/cm³，优于商用合成石墨标准（>0.9 g/cm³）。铁催化剂的循环利用率突破92%，显著降低生产成本。

经济性分析

多变量敏感性分析揭示，生物油产率（bio-oil yield）和石墨化反应器温度（1200±50°C）是影响最低售价（MSP）的关键参数。当生物油产率提升5%时，MSP可降低11%。案例B通过催化剂回收设计，使资本支出（CAPEX）减少23%，内部收益率（IRR）达19.7%。

未来方向

建议将催化石墨化技术整合到三大工业场景：1）石油炼厂现有加氢处理装置；2）生物乙醇厂副产品利用；3）废弃生物质热解协同处理。特别值得注意的是，利用炼厂现有氢气基础设施可使生物石墨生产成本再降18%。

结论展望

案例D的蒙特卡洛模拟（Monte Carlo simulation）显示，在原油价格>65美元/桶时，项目净现值（NPV）为正的概率达83%。生物石墨作为独立产品生产时，获得>20%IRR的风险比联产方案低13%，但碳减排潜力减少41%。