生物质替代化石燃料合成油的过程设计、技术经济分析与生命周期评估研究

本研究针对合成油生产中化石燃料消耗与环境污染问题，系统开展了天然气制油(GTL)、煤制油(CTL)和生物质制油(BTL)三种路线的过程设计、技术经济分析和生命周期评估。研究发现CTL过程经济性最优(最低售价1088.9美元/吨)，而BTL过程在温室气体减排方面表现突出(-2.79 kg CO2当量/公斤合成油)，研究表明在特定原料价格条件和政策支持下，BTL技术具备替代传统化石路线的潜力。

　　

随着全球化石燃料日益枯竭，能源安全问题日益凸显。石油作为重要的化石燃料，在交通运输、能源生产和化工等领域扮演着关键角色。然而，全球石油资源分布极不均衡，中东、北美和独联体国家拥有丰富储量，而中国等亚太地区国家则严重依赖进口，这使得能源供应面临市场波动和地缘政治风险。为应对这些挑战，合成油生产技术应运而生。中国利用丰富的煤炭资源发展了煤制油(CTL)技术，多个示范项目已成功实施。同时，随着天然气开采量增加，天然气制油(GTL)技术也取得显著进展。

然而，CTL和GTL过程都存在不可再生特性和显著环境缺陷，导致大量碳排放和生态退化。面对日益严峻的环境恶化和能源消耗问题，开发绿色能源和可持续资源已成为全球环境保护和资源节约的关键策略。生物质作为清洁可再生资源，被认为是继煤、石油和天然气之后的第四大能源，其可再生性和环境效益在减少化石资源消耗、降低环境污染和促进经济发展方面具有显著优势。

在这项发表于《Results in Engineering》的研究中，Yang Lei等人通过综合比较评估GTL、CTL和BTL过程的经济和环境性能，探讨了生物质制油作为天然气制油和煤制油替代方案的可行性。研究采用Aspen Plus 12软件对三种过程进行了概念设计和模拟，基于先前的生命周期评估(LCA)和技术经济分析(TEA)框架，采用了更广泛的评价指标。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先使用Aspen Plus 12进行过程模拟和优化，包括煤气化、天然气重整和生物质气化等关键单元操作；其次采用技术经济分析模型评估投资成本、运营成本和最低销售价格，包含敏感性分析和蒙特卡洛模拟风险评估；第三运用生命周期评估方法，采用"从摇篮到大门"的系统边界和ReCiPe 2016影响评估方法；最后通过碳税政策分析和可再生能源补贴评估，考察政策因素对过程经济性的影响。

3.1. Techno-economic Analysis results

3.1.1. Economic indicator comparison and cost breakdown

研究发现，在相同生产能力下，CTL过程的MSP为1088.9美元/吨，GTL过程为1413.4美元/吨，BTL过程为1437.7美元/吨。这表明BTL生产成本最高，其次是GTL和CTL。影响MSP的主要因素包括总投资成本(TCI，主要与设备成本相关)和总制造成本(TCM，主要与原材料成本、副产品收入、公用工程成本和废水处理成本相关)。

在TCI评估中，GTL和BTL的成本高于CTL。BTL设备成本中80%来自水回收(WR)单元，因为酸气脱除(AGR)单元需要高压环境，而生物质气化单元的粗合成气处于低压状态。同样，在GTL中，77%的设备成本来自AGR单元，主要是因为CO₂酸气吸收环境与高压F-T合成环境之间的压力差。相比之下，CTL采用高压氮气输送的煤气化方法，降低了后期加压设备成本，设备成本相对较低。

在TCM评估中，BTL值最高，其次是CTL，GTL最低。公用工程成本和原材料成本占TCM的最大份额。分析表明，BTL和CTL的高TCM值源于其较高的原材料成本(分别为5410万美元/年和6000万美元/年)和能耗成本(分别为3000万美元/年和1800万美元/年)，而GTL的低TCM值主要归因于其较低的原材料成本(5330万美元/年)和能耗成本(2020万美元/年)。

3.1.2. Sensitivity analysis

敏感性分析显示，在所有参数中，原料(煤、天然气和生物质)价格的变化对MSP波动影响最大，表明整体经济性对原料成本的依赖性。对于CTL过程，副产品收入也表现出高度敏感性，突显了该过程对副产品收入的依赖以实现显著成本降低。公用工程成本的影响幅度虽小于煤炭成本，但仍是一个关键因素。其他原材料成本、设备成本和额外运营成本敏感性较低。

对于BTL过程，公用工程成本的影响相对显著，主要源于水回收(WR)单元压缩和冷凝增加的能源和电力消耗。副产品收入和设备成本表现出中等敏感性，表明它们在决定经济可行性方面也发挥着不可忽视的作用。对于GTL过程，副产品收入的影响相对于其他过程明显减弱，这可能是因为其副产品二氧化碳部分回收利用。此外，公用工程成本表现出中等敏感性。

3.1.3. Risk assessment

风险评估显示，BTL、GTL和CTL的负NPV概率分别为3.33%、10.85%和15.56%，表明BTL在不确定性条件下是最稳健的过程。BTL的低风险归因于其更稳健的成本结构。敏感性分析表明，原料成本是最有影响的参数。在23年的建设和运营期间，原料成本占BTL总成本的47.6%，而GTL为55.3%，CTL为61.5%。较低的比例表明原料成本波动对利润的影响较小，从而具有更强的风险抵抗能力。

3.2. Life cycle assessment results

3.2.1. Environmental effect

环境影响评估结果显示，BTL在HTPnc(人类毒性潜力非致癌)、FFP(化石燃料潜力)、TETP(陆地生态毒性潜力)、FETP(淡水生态毒性潜力)和GWP(全球变暖潜力)方面表现出优势。对于CTL和GTL过程，煤炭和天然气开采过程中释放的重金属，结合原料生产合成气过程中产生的酸性气体，被排放到空气、水和土壤中。这些污染物破坏淡水生态系统，污染土壤，威胁植物生长和人类安全，最终导致CTL和GTL的FETP、TETP和HTPnc值较高。

FFP与化石资源消耗密切相关。煤炭和天然气作为不可再生资源，在开采和加工过程中直接消耗化石能源，贡献显著，从而导致CTL和GTL的FFP值较高。此外，在AGR单元中，生物质气化产生的酸气组成与AGR单元中使用的吸收溶剂的差异导致BTL的热公用工程需求显著低于其他过程；来自热公用工程源的燃料更少。因此，BTL的整体FFP值保持相对较低。

3.2.2. Policy impact analysis

政策影响分析表明，随着预期碳税的增加和相应可持续能源补贴政策的实施，BTL路径将获得显著的经济支持。当仅考虑碳税和补贴政策时，如果碳税超过每吨CO₂ 30美元且能源补贴占总投资成本的15%以上，BTL路径的经济性能将优于其他路径。

3.2.3. Comparison of MSP and GWP with literature

与文献比较表明，本研究通过统一标准并同时评估CTL、BTL和GTL的最低销售价格和GWP，为FT燃料生产技术提供了全面的基准。Zhou等人(2017)报道了生物质衍生燃料的GWP为-3.27 CO₂当量/公斤，与其他研究相比环境影响最小，这略优于本研究观察到的环境影响(-2.79 CO₂当量/公斤)，可能是由于原料差异。两项结果都证实了BTL技术的潜力，这归因于生物质生长过程中的碳封存——这一共识强化了生物质基合成燃料相对于化石衍生替代品的环境优势。

本研究探索了在合成油生产中用生物质替代化石燃料的可行性，通过过程设计、技术经济分析和CTL、BTL和GTL路线的生命周期评估。技术经济结果显示CTL最具成本效益，MSP为1088.9美元/吨，这归因于高效的设备和低能耗。GTL的MSP为1413.4美元/吨，比BTL的1437.7美元/吨更经济，主要是因为较低的原材料和能源需求。BTL面临生物质复杂性、能源密集型预处理和气化相关能耗带来的高成本。

在可持续性方面，BTL缓解了全球变暖，从摇篮到大门的全球变暖潜力(GWP)为-2.79 kg CO₂当量/公斤合成油，而CTL为9.75 kg，GTL为12.3 kg。尽管生产成本较高，但BTL过程的环境效益突出了其未来研究和开发的潜力。BTL过程在特定条件下可以替代CTL和GTL：(1)当木屑价格比煤低57.95%，比天然气低65.43%，且在化石燃料价格波动50%期间；(2)随着化石资源枯竭；(3)随着高效生物质气化技术和低能耗酸气脱除技术的发展；(4)在不可再生能源使用限制下，且独家考虑碳税和补贴政策时，当碳税超过每吨二氧化碳30美元且能源补贴占总投资成本的15%以上。

该研究的重要意义在于为合成油生产技术的可持续发展提供了全面的决策支持，明确了不同技术路线的经济性和环境性能权衡，为政策制定者和产业界提供了科学依据，推动了生物质能源在合成油领域的应用前景。