化学循环生物质制液体燃料的技术经济评估：与传统路径的对比分析

本研究针对日益增长的液体燃料需求及CO2排放问题，系统评估了基于化学循环（CLFT）、气化（GFT）和热解（PHP）三种生物质制液体燃料路径的技术经济性能。结果表明，CLFT路径具有最低的最低燃料销售价格（MFSP，3.59 $/GGE）和较高的能源效率（37.7%），展现了其作为可持续、低成本燃料生产替代方案的巨大潜力，为生物质能技术的商业化部署提供了关键数据支撑和决策依据。

　　

全球对石油及其他液体燃料的消费需求持续增长，预计到2040年将比2014年水平增加38%，其中交通运输和工业部门将占据总需求的92%。这种依赖传统化石燃料的能源体系不仅加剧了二氧化碳排放和气候变化，还面临着资源枯竭的严峻挑战。开发可再生资源利用技术，特别是以生物质为原料生产液体燃料，已成为实现可持续和韧性能源未来的关键路径。

目前，生物质制液体燃料的主流技术包括气化结合费托合成（GFT）和快速热解加氢处理（PHP）两条路径。GFT技术需要复杂的合成气净化步骤和昂贵的空分装置，而PHP技术则因生物油的高氧含量而需要能耗巨大的加氢升级单元。这两种技术都存在资本投入高、操作复杂的问题。近年来，化学循环技术（Chemical Looping, CL）作为一种新兴替代方案崭露头角，它通过金属氧化物氧载体（OC）的循环使用来实现高效生物质转化，避免了直接使用空气或蒸汽带来的分离纯化问题，但其技术经济性能尚未得到系统评估。

为了填补这一研究空白，俄亥俄州立大学William G. Lowrie化学与生物分子工程系的Krutarth Pandit、Ishani Karki Kudva、Shekhar G. Shinde、Christian Boose和Liang-Shih Fan研究团队在《Fuel Processing Technology》上发表了一项重要研究，对三种生物质制液体燃料路径进行了全面的技术经济评估。研究团队设计了化学循环生物质制合成气结合费托合成（CLFT）的完整工艺流程，并与传统的GFT和PHP路径进行对比分析。

研究人员采用ASPEN Plus流程模拟软件建立了CLFT过程的详细模型，其中化学循环单元采用双反应器配置（移动床还原器和流化床燃烧器），使用铁钛基（Fe-Ti）氧载体。技术经济分析（TEA）采用第n工厂方法，使用折现现金流（DCF）方法计算最低燃料销售价格（MFSP）。所有成本数据都统一调整到2024年基准，使用化学工程工厂成本指数（CEPCI）进行校正。分析基于2000干吨/天的生物质处理能力，评估了资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）、碳转化效率和能源效率等关键指标。

研究结果显示，CLFT过程展现出显著的经济优势。其最低燃料销售价格仅为3.59美元/汽油加仑当量（GGE），远低于GFT的5.26美元/GGE和PHP的4.54美元/GGE。资本投资方面，CLFT为5.77亿美元，而GFT和PHP分别为7.01亿和6.76亿美元。CLFT的经济优势主要源于避免了空分装置的使用和减少了合成气净化需求。

在技术性能方面，PHP路径表现出最高的碳转化效率（40.4%）和能源效率（46.4%），这主要归功于其气相升级技术能够更有效地将生物质衍生物转化为液体燃料。CLFT的碳转化效率和能源效率分别为32.3%和37.7%，略高于GFT的30.5%和37.3%。CLFT的自动化特性和内部热集成使其能够实现自热运行，减少了外部能源需求。

敏感性分析揭示了影响经济性的关键因素。原料成本对MFSP的影响最大，其次是内部收益率（IRR）和资本支出。所有工艺对原料价格波动都高度敏感，突显了确保稳定生物质供应的重要性。规模效应分析表明，将工厂规模从基线2000干吨/天增加50%只能使MFSP降低11%，而减少50%规模则会导致MFSP增加17%，这表明在2000干吨/天的规模下已经实现了较好的规模经济。

化学循环技术的核心优势在于其创新的反应器设计和氧载体系统。移动床还原器中，氧载体向生物质提供晶格氧产生合成气，同时自身被还原；还原后的氧载体在燃烧器中通过空气再氧化，完成循环。这种设计不仅实现了产物的内在分离，还避免了空分单元的使用。研究中采用的Fe-Ti氧载体具有高机械强度（约120 MPa）和耐久性（可承受3000次循环），能够促进一氧化碳形成同时限制过度氧化生成二氧化碳和水。

费托合成部分采用浆态床反应器，使用钴催化剂，在240°C和30 bar条件下操作，氢气/一氧化碳比为2.05，单程一氧化碳转化率为80%。烃类产物分布遵循Anderson–Schulz–Flory（ASF）分布，链增长概率因子（α）为0.92，主要生产柴油馏分。

研究的讨论部分强调了CLFT技术虽然在经济性方面表现突出，但在碳效率方面仍有优化空间。未来需要通过工艺优化，如增加循环流或避免水煤气变换反应器，来提高净燃料产量。此外，研究中包含的资本和能耗密集的合成气净化步骤（Rectisol）以及费托合成循环所需的 purge stream（导致碳损失和排放）都是需要进一步优化的领域。

尽管在当前经济环境下实现正投资回报仍具挑战性，但技术进步、市场变化和政策支持可能会显著改善财务可行性。可再生能源识别码（RIN）、第二代生物燃料生产税收抵免（SGBPTC）和碳信用计划等政策机制为提高经济回报提供了可行机会。

这项研究通过严格的比较框架，为新型CLFT路径与成熟基准提供了直接评估，建立了经过严格推导的MFSP，为化学循环技术作为具有成本优势的生物质制液体燃料平台提供了量化经济基准。未来研究将重点关注CLFT过程的全面生命周期评估（LCA），以严格评估其碳足迹，确定该系统是否可可信地归类为碳负性技术。

该研究的重要意义在于首次提供了CLFT技术与传统GFT和PHP路径的全面技术经济对比，揭示了化学循环技术在降低资本投资和运营成本方面的巨大潜力，为生物质能技术的商业化发展和规模化部署提供了科学依据和决策支持。研究结果不仅对学术界有重要参考价值，也为产业界投资决策和政策制定提供了关键数据支撑，推动生物质制液体燃料技术向更加经济、高效、可持续的方向发展。