在大豆生物精炼厂背景下不同生物柴油生产技术的比较

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Comparison of different biodiesel production technologies in the context of a soybean biorefinery

　　

生物精炼厂在当前的能源情景中发挥着重要作用，作为能源、生物燃料和高附加值产品生成的平台，兼具能源效率和可持续性。最成熟的生物精炼厂之一是大豆生物精炼厂，其中油脂可用于燃料或食品生产。如果用于燃料生产，有多种生物柴油生产技术可用，因为过去几十年已做了大量努力来克服传统路线的局限性。尽管没有一种替代技术证明足够优越以证明市场的决定性转变是合理的，但一些技术看起来比其他技术更有前景，并可能受益于特定的经济环境。然而，从未考虑过在整个生物精炼厂框架内比较不同技术。因此，在本研究中，研究人员评估了不同生物柴油生产技术在大豆生物精炼厂背景下的响应。比较了均相碱催化和酸催化、非均相化学催化和酶催化以及超临界工艺用于生物柴油生产（使用甲醇和乙醇）。使用文献中的工艺模拟参考文献来提供解决质量平衡所需的信息，并为没有可用数据的那些工艺替代方案创建了假设情景。这些假设情景必须被视为初步估计，需要进一步验证，但用于允许对不同工艺替代方案进行广泛比较。使用甲醇的均相碱酯交换确实是最经济的替代方案（基案情景下净现值（NPV）为5400万美元），并且很明显乙基生物柴油更昂贵（平均约1.5%），不仅因为乙醇价格更高，还因为其使用所需的公用工程成本更高。在整个大豆加工链中，尽管利润较低，非均相酯交换也显示出经济可行性（净现值为2600至2900万美元），而均相酸（-1.17亿至-1.24亿美元）、酶催化（-9200万至-8900万美元）和超临界（-4800万至-4900万美元）酯交换路线不可行。然而，正如所证明的，任何路线的经济性能对投入价格和产品需求高度敏感，而利润最低的技术可能在未来根据市场约束变得有吸引力。

### 关于大豆生物精炼厂背景下不同生物柴油生产技术的比较研究解读

#### 1. 研究背景、存在问题与研究目的

生物精炼厂作为将生物质转化为生物燃料、生物产品、能源及其他产品的集成平台，在当前能源转型中扮演关键角色，其核心目标在于最大化自然资源利用并最小化废弃物与排放。大豆生物精炼厂是发展最为成熟的体系之一，其油脂既可流向食品工业，也可用于生物柴油生产。在巴西，大豆生物柴油占全国总产量的72.4%，且随着政府强制添加比例提升（2025年8月起柴油中生物柴油强制添加比例达15%），生物柴油需求将持续增长。然而，尽管传统的均相碱催化酯交换是当前最主流的工业路线，但其仍依赖政府补贴，且尚未有任何替代技术（如均相酸催化、非均相催化、酶催化、超临界酯交换）被证明足够优越以引发市场格局的根本改变。现有研究多聚焦于单一技术的优化，而缺乏将不同生物柴油生产技术置于完整的大豆生物精炼厂框架内进行系统比较与统一经济评估的研究。因此，本项研究旨在通过构建包含油脂提取、精炼及多种酯交换路线的大豆生物精炼厂过程超结构，全面评估五种主要生物柴油生产技术——均相碱催化、均相酸催化、非均相CaO催化、酶催化及超临界酯交换——分别使用甲醇和乙醇时的经济可行性，并分析关键市场参数变动对技术竞争力的影响。论文发表在《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》。

#### 2. 主要关键技术方法

研究人员主要采用以下关键技术方法：首先，基于文献中的工艺模拟参数，在GNU Octave环境中构建了一个大豆生物精炼厂过程超结构（包含脱壳、萃取、脱胶、中和、水洗、漂白、脱臭及不同酯交换路线等单元），通过线性质量平衡方程求解各物流的流率。其次，采用量级估算（可行性研究）方法进行经济评估，利用六分之十规则修正资本成本，并以2024年6月的化工工程厂成本指数和巴西当地指数（萃取阶段为1.43）进行修正。第三，设置基案情景（处理大豆31.01万吨/年）及十种生物柴油生产组合（五种技术×两种醇），对于文献中缺乏完整数据的组合（如均相酸催化使用甲醇、酶催化使用甲醇、超临界使用甲醇、非均相使用乙醇），基于相同资本成本和公用工程成本的比例关系创建假设情景。第四，通过净现值、内部收益率、折现回收期三个指标评价各情景的经济表现，并开展包含大豆粕、生物柴油、乙醇、己烷、大豆、角鲨烯、甘油、脂肪酶价格/需求量变动的敏感性分析。样本队列来源方面，所有数据均基于文献中已发表的工艺模拟与设备规格，未涉及临床试验或队列研究。

#### 3. 研究结果

**3.1 基案经济结果**
基于基案假设（大豆价格378美元/吨、生物柴油1,475美元/吨、甲醇662美元/吨、乙醇669美元/吨等），在所评估的十种生物柴油生产组合中，仅均相碱催化（使用甲醇和乙醇）与非均相CaO催化（使用甲醇和乙醇）呈现正向净现值。均相碱催化使用甲醇（情景a1）的经济性最佳，净现值为5,398万美元，内部收益率为13.37%，折现回收期12.99年；其次为食品油方向（情景f，净现值4,864万美元）和均相碱催化使用乙醇（情景a2，净现值4,151万美元）。非均相CaO催化使用甲醇和乙醇（情景c1和c2*）净现值分别为2,903万和2,615万美元。均相酸催化（情景b1*和b2，净现值-1.17亿至-1.24亿美元）、酶催化（情景d1*和d2，净现值-8,911万至-9,188万美元）及超临界酯交换（情景e1*和e2，净现值-4,925万至-4,802万美元）均表现为负净现值，经济上不可行。此外，由于甲醇价格更低、反应活性更高，使用甲醇的路线在原料成本和公用工程成本上均低于使用乙醇的对应路线（乙基生物柴油平均贵约1.5%）。超临界路线因需极高醇油比（40:1）导致设备投资和蒸馏能耗最大，均相酸路线因硫酸腐蚀需特殊材料而增加资本成本，酶催化路线则因脂肪酶价格过高（占原料总成本1,460万至2,100万美元）而难以盈利。

**3.2 敏感性分析结果**
通过对八个关键参数进行±10%～±20%的敏感性分析，研究人员发现：①大豆粕价格或需求量降低10%后，仅食品油方向（情景f）和均相碱催化甲醇路线（情景a1）保持净现值为正（分别约503万和1,134万美元），显示出大豆粕作为主要收入来源（占总收入45%）对项目经济性的决定性影响；②生物柴油价格或需求量降低10%后，仅情景f、a1、a2保持可行性，但整体敏感性低于大豆粕；③乙醇价格降低20%后，均相碱催化使用乙醇（情景a2）净现值增至4,843万美元，非均相CaO使用乙醇（情景c2*）净现值增至3,126万美元，表明乙醇价格波动可显著影响乙基路线与甲基路线的竞争力；④己烷价格增加10%对结果影响可忽略，因其回收效率高、补充量极少；⑤大豆价格降低20%可使所有生物柴油生产路线（包括均相酸、酶催化、超临界）变为正净现值，其中均相碱催化甲醇路线净现值高达1.85亿美元，内部收益率24%；⑥角鲨烯价格降低10%使可行情景的净现值下降20%～25%，反映了高附加值共产品（角鲨烯单价约194.78万美元/吨）对盈利的显著贡献；⑦甘油价格增加10%使可行情景的净现值略有提升；⑧脂肪酶价格降低80%后，酶催化路线（情景d1*和d2）净现值转为正值（约270万和266万美元），但需进一步提高酶重复使用次数（模拟显示需9次循环）方具备竞争力。

#### 4. 总结讨论与结论

**讨论部分总结**：研究人员在讨论中强调，所有经济评估结果均依赖于所采用的市场价格、资本成本、操作成本及质量平衡参数，这些参数会因地域、时间和市场条件而显著变化。基案结果表明，均相碱催化（甲醇路线）是最经济的生物柴油生产技术，但非均相CaO催化显示出相近的资本与生产成本，且通过催化剂进一步开发（如提高回收次数、纳米催化剂或生物炭衍生催化剂）有望降低总成本。超临界路线的高资本成本主要源于超高醇油比导致的大尺寸蒸馏塔和高压容器。均相酸路线的竞争力受限于硫酸的腐蚀性及高价特殊材料需求。酶催化路线的主要瓶颈是脂肪酶的高价格，但通过酶固定化与多次重复使用可显著改善其经济性。高附加值产品（如角鲨烯、生育酚、卵磷脂）的产量虽小，但对总体利润贡献显著，表明其纯化成本与纯度等级对经济结果存在重要影响。此外，研究人员指出，对于假设情景（如均相酸/酶催化/超临界使用甲醇）的评估结果需基于一次设计数据进行进一步验证。

**研究结论（翻译）**：在本研究中，基于在GNU Octave中进行的质量平衡计算，评估了大豆油脂提取、精炼与酯交换在大豆生物精炼厂背景下的集成。比较了不同的生物柴油生产技术，以展示在考虑的经济背景下哪些技术表现更佳、哪些因素会使某种技术相对于其他技术具有优势，以及哪些技术能与大豆油脂流向食品工业相竞争。经济分析的主要结论是，均相碱催化使用甲醇是从经济角度最有趣的路线，其次是相同技术使用乙醇的路线。在多种替代技术中，非均相化学催化似乎是最有前景的替代方案，其资本与生产成本非常相似，通过进一步的催化剂开发甚至可能降低。超临界酯交换的资本成本高，不可行。均相酸催化和酶催化成本更高，也显示出不可行性。对于这些路线，大豆价格降低20%可能使其变得可行，但其他路线在这种情况下将呈现更高的盈利能力，仍能得到更高的净现值。重要的是要观察到，任何这些路线的可行性不应被视为绝对结论，因为它们受制于供应价格，也受制于大豆生物精炼厂其他许多产品的价格和需求。这些结果与在本研究中考虑的具体参数相关，并可能根据市场条件和季节性效应呈现不同结果。此外，通过一种技术推导出的缩放因子生成的假设情景的结果必须仔细审视，研究人员建议在未来的工作中进行验证。