《Energies》：Techno-Economic and Carbon Footprint Assessment of Hydroprocessing Sustainable Oil Feedstocks into Green Diesel and Bio-Jet Fuel
Aristide Giuliano,
Ada Robinson Medici and
Diego Barletta
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本研究对两种替代生物燃料（绿色柴油和生物航空燃料）进行了技术经济与碳足迹（GHG, CO2-equivalent）分析，这些燃料由可再生脂质生产。研究重点是比较各种脂质原料，包括废食用油和四种植物油：cardoon、大豆、棕榈和向日葵。研
本研究对两种替代生物燃料（绿色柴油和生物航空燃料）进行了技术经济与碳足迹（GHG, CO2-equivalent）分析，这些燃料由可再生脂质生产。研究重点是比较各种脂质原料，包括废食用油和四种植物油：cardoon、大豆、棕榈和向日葵。研究人员利用过程模拟软件Aspen Plus?进行过程优化与设计以最小化生产成本。绿色柴油和生物航空燃料分别通过加氢脱氧（HDO）和加氢异构化/加氢裂化（HI/HC）获得。敏感性分析确认了所测试植物油的结果一致性。加氢脱氧实现了超过97%的甘油三酯摩尔转化率，柴油馏分的总质量产率超过79%。相反，绿色柴油的加氢异构化/加氢裂化导致正构烷烃（n-paraffin）转化率超过90%，总质量产率超过50%。经济分析表明，影响生物燃料回收售价（PSP）的主要成本因素是脂质原料的价格。只有当脂质价格低于1000 �/吨且氢价格低于3000 �/吨时，生物燃料才具有经济可行性。另一个重要方面是联合循环能量回收系统，它强烈影响总资本成本并提高内部发电效率。在从摇篮到坟墓（cradle-to-grave）边界上计算的碳足迹显示，所有情景相对于化石参考燃料都有净温室气体（GHG）减排。在所研究的原料中，净避免排放范围从1.74到3.63 kgCO2-eq/kg绿色柴油，以及从0.80到3.70 kgCO2-eq/kg生物航空燃料，在所述背景和物流假设下，相对于化石参考燃料分别节省约40–84%和20–95%。结果以每公斤生产燃料为功能单位（FU）表示，使用文献推导的上游排放因子用于油料供应和背景输入（氢气、意大利电网电力和运输）。对于生物航空燃料配置，副产品负荷按质量分配；讨论部分强调了绿色柴油（GD）与生物航空燃料（BJF）比较对副产品处理和分配选择的敏感性。在这种背景下，原料选择对于确定两种生物燃料的温室气体强度至关重要。从经济和气候变化角度来看，废食用油（WCO）是最有前景的选择，特别是考虑到它在系统边界中被归类为废物衍生原料，而原始油料来源则不是。
该研究针对航空和重型运输等难以直接电气化部门的脱碳需求，指出液态“drop-in”生物燃料（如绿色柴油和生物航空燃料）可通过现有物流和发动机替代化石燃料，而加氢处理（hydroprocessing）可再生脂质是成熟路线。然而，不同原料（如废食用油、四种植物油）、过程设计（氢耗、能量回收）和生命周期评价（LCA）假设的差异导致文献间比较困难，缺乏统一框架。因此，研究人员在《Energies》期刊上发表论文，旨在通过一致的过程模拟、技术经济评估（TEA）和碳足迹（GHG）分析，评估五种脂质原料（废食用油、cardoon、大豆、棕榈、向日葵）生产绿色柴油（GD）和生物航空燃料（BJF）两条路线的技术、经济和环境性能，识别关键驱动因素，为工业化决策提供依据。
研究人员利用Aspen Plus
? V11模拟两种配置：GD路线经加氢脱氧（HDO）反应器（多床滴流床，Ni-W/SiO
2-Al
2O
3催化剂，80 bar，<400 °C）和真空蒸馏；BJF路线在HDO后增加加氢异构化/加氢裂化（HI/HC）反应器，再经多级分离（部分冷凝、PSA提氢、常压蒸馏、吸收塔、脱丁烷塔、真空蒸馏）回收BJF、GD、LPG和石脑油共产品。采用集总动力学模型和体积平移Peng-Robinson状态方程。经济分析基于Seider方法计算总资本投资（TCI）和净现值（NPV），考虑原料、氢、催化剂价格敏感性。环境分析采用摇篮到坟墓（cradle-to-grave）边界，功能单位（FU）为1 kg燃料，使用系统扩展（避免负荷）法，背景数据来自ecoinvent和文献，核算上游油料供应、氢（绿色电解）、运输、废水处理等排放，并对比化石柴油、航空燃油的替代效益。
结果部分：3.1 反应阶段——HDO反应器：通过敏感性分析优化四床长度（10.75 m），所有原料甘油三酯摩尔转化率>97%，柴油质量产率>79%，氢耗顺序为大豆/WCO > 向日葵 > cardoon > 棕榈，与不饱和度相关；产物分布以C15–C18正构烷烃为主，C15/C16和C17/C18比值表明脱羧/脱羰反应占优。HI/HC反应器：正构烷烃质量转化率>90%，BJF质量产率50–73%（棕榈最高），异构化产物中单支链异构体>60%，产物分布显示原料对BJF选择性影响显著。3.2 产品纯化——GD纯化：部分冷凝在24 bar、39 °C下回收氢>99.9%，真空蒸馏塔实现>99%纯度和回收率，热负荷随回流比优化。BJF纯化：常压蒸馏塔优化后总热负荷约5 MW，BJF塔（C8–C16）回收率>98%且纯度>99%，GD塔回收率>99%；棕榈油BJF产率最高（50.1%），但热负荷较高（12 MW），向日葵油GD产率最高（34.5%）。3.3 能量回收——联合循环（燃气轮机+余热锅炉+蒸汽轮机）效率约0.43，BJF系统因可燃气减少导致发电量低于GD系统。3.4 经济结果——TCI：GD约192 M�，BJF约197 M�；能量回收部分占TCI比例高。生产价格（PSP）随原料成本（500–2000 �/t）和氢价（0–6 �/kg）变化，生物燃料在原料<1000 �/t时具有竞争力，废食用油最经济；BJF的PSP范围0.6–4.4 �/kg，高于文献平均值（1.3 �/kg），归因于较小的规模（45 t/h原料）和次优热集成。3.5 环境分析——净避免排放：GD为1.74–3.63 kgCO
2-eq/kg，BJF为0.80–3.70 kgCO
2-eq/kg，废食用油最高；上游油料供应负担主导，转换过程为次要因素；BJF配置因多产品分配更敏感，GD与BJF的相对表现取决于原料。
讨论部分指出，HDO段虽对原料变化鲁棒，但氢耗、热集成和分离强度差异显著；BJF并非简单“GD加反应器”，而是涉及柴油、航空燃油、轻质产品之间的三向权衡，优化需考虑共产品价值、能量平衡和氢耗。碳足迹性能主要继承自原料和氢源，而非过程差异；BJF对LCA分配方法（质量、能量、经济）敏感，未来需多指标全生命周期评价（LCA）以避免负担转移。研究结论翻译如下：两种脂质制燃料的生物精炼厂配置通过集成模拟、技术经济分析和CO
2-eq筛选进行了评估：绿色柴油（GD）通过加氢脱氧（HDO）生产，生物航空燃料（BJF）通过对HDO产品进行加氢异构化和加氢裂化生产。结果表明，GD生产对原料变化鲁棒，在所有研究油料中实现97.7–99.3% mol转化率和79.5–81.1% w/w产率，而BJF路线保持高转化率（91–93% w/w），但显示更宽的航空燃油产率范围（50–73% w/w），受原料依赖的正构烷烃分布和升级选择性驱动。经济竞争力要求脂质原料<1000 �/t，该阈值反映了原料成本主导（占生产成本80%），氢价是次要驱动因素。环境上，所有情景净避免排放为正，主要受上游油料供应负担控制，除废食用油外；转换过程成为次要驱动因素，而多产品BJF案例对共产品处理更敏感。BJF路径涉及更复杂的优化框架：更苛刻的升级将柴油范围物料重新分配为航空燃油、轻质产品和残余柴油，产生航空燃油产率、分离负荷和可用于内部发电的燃料气量之间的三向权衡。最低上游负担原料（如废食用油）实现最高净温室气体效益，表明过程气候性能主要继承自上游原料和氢源，而非柴油与航空燃油配置之间的内在差异。技术经济与环境比较可能受限于集总动力学模型，但不同脂质原料的过程性能变化未发现对过程本身或商业工厂部署构成潜在损害。未来工作可关注鉴定其他脂质基或脂质丰富的原料，适用于使用（绿色）氢转化为drop-in燃料。
