利用木质纤维素生物质通过酒精转喷气燃料（ATJ）路线生产生物喷气燃料的技术经济评估

《Energy Conversion and Management-X》：Technoeconomic assessment of bio-jet fuel production through alcohol-to-jet (ATJ) pathways from lignocellulosic biomass

　　

生物喷气燃料的生产通常被归类为酒精转喷气燃料（ATJ）、油转喷气燃料（OTJ）、气转喷气燃料（GTJ）和糖转喷气燃料（STJ）路线。本研究聚焦于ATJ，其通过催化过程将酒精转化为喷气燃料。利用Aspen Plus^?，研究人员从乙醇模拟了五种不同的配置，每种配置有两个案例。在案例A中，乙醇来自基于云杉木片快速热解（2,000干吨/天）的集成上游合成气发酵过程。在案例B中，使用了商业乙醇。另外两个单一案例场景采用了正丁醇和异丁醇。研究人员为所有案例开发了全面的技术经济模型。最佳案例场景实现了生物喷气燃料生产成本1.95美元/公斤（1.29美元/升），产率为47%。为了解不同产能下的生产成本差异，研究人员评估了从48到12,000吨/天的工厂产能。研究人员估算了整个工厂和子工艺单元的规模因子。灵敏度分析显示，原料成本对生产成本影响最大，其次是工厂寿命、折现率和资本成本。蒙特卡洛模拟用于在95%置信水平下估算基准和最佳情景下的平均和最可能生产成本。生物喷气燃料几乎碳中性，提供气候和能源安全双重效益。

**论文解读：利用木质纤维素生物质通过酒精转喷气燃料（ATJ）路线生产生物喷气燃料的技术经济评估**

**1. 研究背景**

航空业是全球碳排放的重要来源，约占人为碳排放的2%，且消耗了运输部门约12%的石油。为应对气候变化和化石燃料的有限性，开发可持续的替代航空燃料，即“drop-in”燃料，成为研究热点。生物喷气燃料（bio-jet fuel）作为一种可再生航空燃料，其生产路线主要包括油转喷气燃料（OTJ）、气转喷气燃料（GTJ）、糖转喷气燃料（STJ）和酒精转喷气燃料（ATJ）。其中，ATJ路线通过脱水、低聚和加氢等催化步骤将醇类转化为喷气燃料范围烃类。

目前，利用木质纤维素生物质（如森林残留物和农业废弃物）生产醇类并进一步转化为喷气燃料，面临显著的技术与经济挑战。首先，木质纤维素的有效转化需要复杂的预处理和分离过程以释放可发酵糖，且五碳糖（C5）的发酵通常需要基因改造酵母。其次，生物质气化生产合成气，进而发酵为醇类的过程，受限于低含碳量和原料杂质，商业部署主要停留在研发和示范阶段。在加拿大，针对通过ATJ路线从木质纤维素生产喷气燃料的技术经济评估（TEA）研究非常有限。因此，本论文旨在评估从云杉木片生产生物喷气燃料的技术经济可行性，通过综合的过程建模、成本分析、规模效应评估以及敏感性和不确定性分析，为该路线的商业化提供关键数据和见解。该论文发表在《Energy Conversion and Management-X》。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员为开展本研究主要使用了以下关键技术方法：
* **过程模拟：** 利用Aspen Plus^?过程模拟器建立不同场景的工艺流程模型，以确定物质和能量平衡。
* **技术经济模型（TEA）开发：** 基于过程模拟结果，利用自下而上的因子法估算资本成本（CAPEX）和运营成本（OPEX），并通过贴现现金流（DCF）分析计算生物喷气燃料的生产成本（COP）。
* **规模因子分析：** 通过评估不同产能（从48到12,000吨/天）下的资本成本，推导出整体工厂和关键子工艺单元的规模因子，以理解规模经济效应。
* **灵敏度和不确定性分析：** 采用Morris灵敏度分析和龙卷风图识别对生产成本影响最大的关键参数，并利用蒙特卡洛模拟（Monte Carlo simulation）在95%置信水平下估算平均和最可能的生产成本，以评估不确定性。

**注：** 本研究的系统边界始于上游乙醇生产，未详细建模上游林业物流。原料（云杉木片）供应和运输成本不在本研究范围内。

**3. 研究结果**

**3.1. 物料平衡与产率（Material balance and production rate）**
通过Aspen Plus^?模拟，研究人员评估了7个场景（5个双案例，2个单案例）的工艺产率、最终回收率和异构体含量。结果显示，在案例B（使用商业醇类）中，生物喷气燃料的产率范围为30%至57%，其中场景6（使用正丁醇和异丁醇混合进料）获得最高产率（57.7%）。在案例A（使用上游集成工艺生产的乙醇）中，从云杉木片到生物喷气燃料的总产率仅为6%至9%，表明该完整路线效率较低，不适用于大规模部署。研究发现，生物喷气燃料产率高度依赖于低聚步骤的转化效率。

**3.2. 能量消耗（Energy consumption）**
通过净能量比（NER）评估，所有场景的NER均大于1，表明这些工艺在能量上是有效率的，生物喷气燃料产生的可用能量多于其生产过程中消耗的化石能源。案例B（ATJ精炼厂）的能量需求显著低于案例A（从摇篮到大门的综合精炼厂），后者包含了上游原料生产和乙醇转化阶段的额外能耗。

**3.3. 资本投资（CAPEX）**
资本投资分析显示，场景1的CAPEX最高，而场景6的CAPEX最低。在CAPEX中，反应器是最大的成本贡献单元，特别是低聚和加氢处理单元，因其需要多个反应器和辅助设备。场景4和场景6（使用丁醇）由于低聚反应温度较低，且避免了昂贵的加氢异构化反应器，因此表现出最高的资本效率。

**3.4. 规模因子与规模经济（Scale factor and economies of scale）**
通过评估2000至50000公斤/小时产能范围内的CAPEX，所有场景的规模因子均在0.55至0.68之间，符合化工行业典型范围。场景4和场景6的规模因子最低，表明它们具有最强的规模经济效应。研究还发现，随着产能增加，单位处理醇类的CAPEX下降速率逐渐减缓，表明规模经济效应在达到特定高产能（50000公斤/小时）后变得不那么显著。

**3.5. 运营成本（OPEX）**
运营成本分析表明，在所有场景中，原料成本对OPEX的贡献最大。在案例A中，原料成本占总成本的53%至59%；在案例B的乙醇工艺中，该比例随产能增加从26%变化至63%；在丁醇工艺中，该比例在高产能时高达80%。

**3.6. 生产成本（COP）**
生物喷气燃料的生产成本（COP）范围在1.95至8.61美元/公斤（1.29至5.47美元/升）之间，是传统化石喷气燃料（约1.12美元/升）的2至7倍。在案例A中，场景2（乙醇到己烯再到喷气燃料）因产率较高而成本最低（1.95美元/公斤）。在案例B中，场景2成本最低，为2.73美元/公斤。场景6虽然产率最高，但由于丁醇原料成本较高，导致OPEX较高，其生产成本为3.76美元/公斤。与文献中其他可持续航空燃料（SAF）路线（如HEFA、FT）相比，本研究优化的场景成本处于较低端，显示出经济竞争潜力。

**3.7. 工艺优化（Process optimization）**
综合考虑产率、CAPEX、OPEX、能耗和生物喷气燃料价格，场景2（乙醇到己烯）和场景6（正丁醇/异丁醇混合）被确定为最优工艺。场景2在成本方面最优，而场景6在产率方面最优。

**3.8. 灵敏度分析（Sensitivity analysis）**
Morris灵敏度分析和龙卷风图分析均表明，原料价格是影响生物喷气燃料生产成本最敏感的因素。其他重要影响因素依次为工厂寿命、折现率、资本成本、人工成本、公用工程成本和维护成本等。

**3.9. 不确定性分析（Uncertainty analysis）**
通过蒙特卡洛模拟，在95%置信水平下，对基准和最佳场景进行了不确定性分析，给出了平均和最可能的生产成本值。例如，场景2（案例A）的最可能生产成本为1.96 ± 0.17美元/公斤。该分析强调了控制关键参数（尤其是原料价格）对于确保工艺经济可行性的重要性。

**4. 讨论与结论**

**讨论部分总结：** 论文讨论了本研究的局限性，包括：云杉衍生物残留物的实际可用性受多种因素限制；上游林业物流被排除在系统边界之外；过程模型缺乏工业设施的全面验证；以及卡尔加里“未来能源园”（FEP）项目尚未有经过同行评审的数据。研究指出，虽然技术经济评估（TEA）是生物精炼厂初步筛选的有效工具，但模型结果受限于反应产率、催化剂稳定性、能源集成和规模放大等不确定性。

**研究结论部分翻译：**
本研究的主要发现比较了工艺产率（%）、异构体含量（%）和生物喷气燃料价格（美元/公斤）。在案例B中，生物喷气燃料产率从36%到58%不等，在案例A中，基于生物质原料计算，产率为6%至9%，最大产率出现在场景6。除基准场景外，所有工艺的异构体含量均约为40%，符合商业级生物喷气燃料的标准。生物喷气燃料的最低售价（生产成本）范围为1.95至8.61美元/公斤（1.29至5.47美元/升），最高约为传统喷气燃料价格（1.12美元/升）的5倍，最低价格出现在场景2。各场景的价格范围与文献结果一致。综合考虑工艺产率、CAPEX、OPEX、能耗和生物喷气燃料价格，场景2和场景6被选为最优工艺。
本研究的技术经济评估（TEA）为从木质纤维素原料通过快速热解和合成气发酵，或直接从平台醇类生产生物喷气燃料的潜在经济竞争力提供了见解。每种技术都有其自身的优缺点。简单的工艺通常产率较低，而增强的工艺通常涉及更复杂的单元操作或催化剂，从而获得更高的产率。在大多数情况下，需要实质性的技术开发才能在长期内实现商业化和成本竞争力。如果有低成本原料可用，资本支出得到政策框架支持，且关键单元操作持续成熟，所提出的配置有可能实现具有竞争力的成本。