生物质合成生物航油经济性分析
按照“碳中和”要求，2030年前二氧化碳排放达到峰值，2060年前实现碳中和。我国航油年使用量超过3300万t，年均递增10%，2025年航油最大使用量将达到5000万t。依据国家双碳政策要求，航空业碳减排任务迫在眉睫。目前可实现航空碳减排的方式主要有两种：一种通过开发新型发动机、机身优化、空管优化等机身改造技术，另一种通过生物航油掺烧实现碳减排。然而,前者受制于西方飞机制造行业发达的国家，是当前的卡脖子技术，实现较为困难，后者是我国能源战略规划中重要一环。依托中科院广州能源所的生物航油技术，可以实现航空业碳减排50%，适合我国国情。该项利用废弃生物质中的木质纤维素制备生物航油技术是在国家重点研发计划、973、863、科技支撑计划、自然基金等一系列重大项目支持下开发的新一代生物质利用技术，拥有完全知识产权。
本技术以催化方法转化生物质原料得到生物航油，通过自主开发的水热解聚技术实现了呋喃类和羰基类含氧平台化合物的定向生成。在获得的生物质解聚液中利用原位反应实现增碳异构获得长链异构的固态含氧化合物，通过简单的固-液相分离和提取，避免了高耗能的分离过程。固态长链含氧化合物利用自主开发的加氢脱氧技术可以高选择性生成C8~C15正/异构烷烃，最后经加氢精制、蒸馏、物理脱水成为生物航油产品。由于生物航油碳链构成约束，平台化合物会有部分剩余，通过成熟的分离工艺可实现联产高值化学品——乙酰丙酸。该技术已在百吨级中试系统上验证和运行，成功打通各工艺流程。产品经第三方机构检测，产品的性能指标全部满足ASTM-D7566标准。经专家委员会鉴定该航空航油技术处于国际领先水平。在此基础上，2019年获得科技部重点研发项目支持，开展千吨级工程建设。
然而,该技术在推广过程中遇到了建设和运营成本较高、经济性较差的问题。由于目前国内生物航油推广不够、标准制定尚未完善、碳税政策尚不明朗，生物航油价格扶持不到位，使当前生物航油在市场化过程中受到较大阻力。当前合成路线水解中间产物糠醛、乙酰丙酸的市场定价均不低于航油，进一步合成生物航油，不仅增加加氢装置建设投资，还增加了运营消耗，使生物航油合成路线整体经济性较差。针对此问题，本文通过提出分布-集中的处理路线，将生物质原料合成航油中间体后转运至加氢厂集中处理，减少建设成本、运输成本，并对经济性进行分析，实现了项目整体的技术经济可行，同时为国内其他同类工程项目更好选择建设模式提供一定的参考。
1生物航油合成技术路线
木质纤维素水相催化制备生物航油工艺流程图见图1。生物质原料（以玉米秸秆为例）经酸液预浸渍后，采用饱和蒸汽提取，半纤维素经酸催化解聚，降解为糠醛，液相提浓得到精制糠醛。汽提后的生物质残渣中加入酸液进行水解，纤维素在酸催化下解聚转化获得粗水解液，利用自主研发的功能嫁接型过滤吸附材料，采用脱色-过滤-除杂过程一体化分离纯化技术提浓液相，实现精制乙酰丙酸的生产。将糠醛和乙酰丙酸进一步缩合、加氢、提浓，可制得生物航油。100000t生物质原料可年产10000t生物航油、2500t乙酰丙酸。项目的主要建设单元为原料预处理单元、解聚单元、缩合单元、加氢脱氧单元及分离纯化单元。
本技术促进了生物质转化利用过程的简化，促进解决源于生物质含碳化合物的分离和能量密度富集问题。根据生物质原料的分散特点，建立起生物质原料分散处理-生物化学品集中生产的运行模式，即从原料种类的多样化和适用性方面，提出低能量密度原料分散处理转化为高能量密度产物，进行大规模化生产生物化学品的生产模式。
2建设模式分析
2.1建设基础
建设规模：年处理玉米秸秆100000t，年产生物航油10000t、乙酰丙酸2500t。
2.2现有建设模式损益分析
针对现有的生物航油合成技术经济性进行分析，建设内容包括原料预处理单元、解聚单元、缩合单元、加氢脱氧单元及分离纯化单元，考虑项目的运营成本、产品销售利润，综合考虑得到项目的技术经济指标。
2.2.1建设成本
设备总成本由设备费、材料费和安装费构成。设备包括与生产操作有关的一切土建、设备、管道、仪器等，还包括水、电、气供应以及所有管道、管件、阀门、防火设施及三废处理，但不包括辅助生产项目、公用工程、服务性设施生活福利设施以及厂外工程的投资。项目投资估算见表1。
2.2.2年销售收入
根据目前市场价格，航油出厂价按每吨1万元估算，乙酰丙酸出厂价按每吨4万元估算。年产航油10000t、乙酰丙酸2500t，则年销售收入为2亿元。
2.2.3总成本估算
成本计算依据如下：
1）生物质原料为农林废弃物，基本不需要费用，但在收储运过程要加入运输费用，计每吨300元，年处理原料100000t。
2）水每吨4.0元，电每千瓦时1.0元，蒸汽供应采用生物质锅炉供应蒸汽，按每吨180元估算。
3）其他材料，硫酸、烧碱、催化剂、氢气等的消耗及成本见表2。
4）项目定员40人，月人均工资5000元，福利费每年5000元，每人每年人员费支出6.5万元。
5）设备折旧年限取15年，残值均按5%，项目总投资22875万元（不包括土地购买、技术使用费），每年设备折旧费1449万。
6）维修费用按投资费用（不包括土地购买、技术使用费）的1%估算，每年支出228.7万元。
7）三废处理及环保方面费用，每年支出按1200万计算。
8）生产时间按每年7200h算。总成本核算：每年总的成本为24469万元，具体情况见表2。
2.2.4损益分析
利润测算过程中的数据取值按照下述估算：
1）销售项税金按15%计算，城建维护费及教育附加费分别按增值税的5%和3%计算。
2）所得税按投产后从获利年度起,利润总额的20%计取。
核算结果：税金合计每年3240万元，无法产生利润，具体情况见表3。
从以上分析结果来看，以生物航油为主要产品方案，生产10000t生物航油、2500t乙酰丙酸时，销售收入仅为每年20000万元，运行消耗却高达每年24469万元，收入不能维持运行成本，项目不可能产生利润。
这主要是由于销售收入上：一方面受石化航油价格影响，航油产量虽高，但价格却被限制；另一方面产物中高值附加化学品乙酰丙酸的产量低，所以总年利润较低。运行消耗上：原料运输费3000万元，催化剂5900万元，其他费与设备投资、人员工资有关，年运行消耗3138万元，仅这3项固定运行消耗即高达每年12038万元，年运行消耗降低困难。
2.3建设模式优化
考虑到目前生物航油定价过低问题，可以通过分期建设项目，调整产品方案，提高高值化学品糠醛、乙酰丙酸产量，调整产物比例等方式实现项目运行。采用分布-集中建设模式，在生物质原料丰富的地区建设。图2为优化的建设模式技术原理图。
图2中实线部分，分布处理生物质原料；虚线部分通过与已建含加氢装置的石化工厂合作进行，将生产的中间体集中运输至加氢厂进行处理。优化后的建设模式，一方面由于中间体相对生物质原料的质量密度高，可以降低原材料的运输费用，另一方面可以通过扩大加氢装置的建设规模，带来航油生产的规模效益。此外，该建设模式可以更好地适应市场的发展需求，针对小型企业资金不足、投资回收期要求短的需求现状，可以分期建设，一期建设乙酰丙酸和糠醛生产路线，待生物航油市场化、定价合理后，二期建设图中虚线部分。一期项目中每100000t原料可产糠醛10870t、乙酰丙酸10940t，技术经济性可以得到提高。
2.3.1优势分析
将优化的项目总投资进行估算，一期建设水解及缩合装置总投资为20798万元，其中项目建设投资费19298万元、技术使用费1500万元；二期建设加氢装置总投资8117万元，其中项目建设投资费7117万元、技术使用费1000万元。
按照上述投资估算与效益分析方法，在处理量每年100000t原料时，对优化的生产方案与典型的生产方案的经济效益进行分析，所得结果如表4所示。
从以上概算结果来看，生产方案优化，改变项目建设模式后，①产品方面：分期建设时，一期产品为高值化学品乙酰丙酸和糠醛，市场销售渠道更为成熟，且产量更高。②项目投资方面：分期建设时，一期可以减少约30%的投资，并且由于减少了加氢装置，减少了项目的立项难度。③年运行消耗方面：分期建设时，一期减少了加氢工艺对氢气、催化剂、乙醇的消耗，使原材料消耗减少了4644万元，极大地降低了年运行消耗成本。④销售收入方面：分期建设时，一期销售收入高达54630万元，是以航油为主产品模式的2.73倍，这主要是由于目前生物航油价格受石化航油价格影响，定价过低导致。⑤损益方面：分期建设可以使一期项目投资回收期缩短至0.4年。
2.3.2应用讨论
结合上面的优势分析可以看出，采用分布-集中的处理模式可以在当下形成生物航油技术积累，同时保证项目的生产效益。
下面以在沿海地区推广为例，对建设模式的应用性进行讨论。应用假设山东、辽宁等沿海农业省份工厂将合成的中间体运输至上海已建石化工厂，利用其现有的加氢装置，加氢成生物航油。分布式处理点采用分期建设模式，一期建设高值化学品、中间体生产的工艺装置，二期建设加氢装置。首先，分期建设减少了项目投资和立项难度，可以在短期内快速回收资金。其次，目前生物航油的价格定价过低，且质量标准尚未建立健全，分期建设可以避免当前的生产风险。最后，通过与上海已建石化工厂的加氢装置合作，利用船运行业的运输成本低优势，将山东、辽宁等沿海农业省份合成的中间体运输至上海，在上海进行加氢生产生物航油，并与航空公司合作返程飞行试用，建立国际首条碳中和航空运输线，通过3~6个月的运行，形成评价报告（如图3所示）。当前该应用模式中，仅分布处理工艺阶段的项目即具备了经济性，可以根据生物航油市场价格变动、企业科研任务要求等开展中间体加氢生产航油的工作。
考虑到未来碳减排要求的提高，对航油政策扶持力度加大，因此对生物航油价格的敏感性进行分析，以期得到在分布点建设加氢装置的技术经济平衡点。表5是不同生产方案的项目经济效益分析表。计算时数据采取一次性建设生物质解聚、加氢的现有模式考虑，建设投资取28915万元，总成本费用取每年24469万元，产品按照10000t生物航油、2500t乙酰丙酸规模，其余参数取值与3.2节相同。
从表5可以看出，当生物航油市场价格为每吨3万元时，项目的回收期即可缩短至约4年，即具备了良好的经济可行性。对于企业的长远发展来看，当前采取分布-集中建设与合作模式，不仅可以降低投资风险，带来经济效益，还可以使企业站在生物航油市场的制高点。在碳减排和碳中和的时代背景下，生物航油的推广是大势所趋、势在必行。2019年航空业CO2占全球交通运输CO2的10.0%，中国航空碳排放量更是高达全球人为碳排放量0.22%。由于航空运输对能源种类和能量密度要求较高，很难通过一般性的清洁能源完全进行替代。综合考虑来看，生物航油是可行办法之一，需要贡献50%～75%的碳减排量。本项目一期通过与上海石化工厂合作，制定生物航油的行业标准，推动生物航油市场化，同时在二期建设中，帮助企业在政府方面得到相关扶持。未来几年，生物航油很可能受到政策和碳交易的影响而提高价格，进入生产生物航油可产生经济效益的阶段，分期建设可以使企业等待时机，适时而动，顺势而为。
3结论
分布-集中建设模式既可以保证项目近期经济效益，还可以提前占据生物航油市场，符合国家产业结构调整、能源结构优化、大气污染物排放协同控制政策推进要求，成为项目独特的生产经营优势和市场竞争优势，远期优势潜力巨大，项目具有很强的适应性和经济性。
该建设模式作为生物航油的推广、示范模式，为企业提供了经济可行的技术投资选择，企业一期可以通过乙酰丙酸、糠醛产品在短期内快速回收建设投资，实现经济利润，并通过与其他加氢厂合作，将中间体集中运输至加氢厂，开展生物航油合成工艺生产的熟化工作。当航油价格达到每吨3万元时，可根据一期的技术积累及市场情况，建立适宜规模的加氢装置，在不同区域内授权中间体生产，定点收集中间体，集中加氢处理生产生物航油，减少前端生物质原料的收集运输成本，降低运行消耗，同时增大生物航油产能，带动周边区域发展，帮助自身抢占生物航油市场先机，成为该领域的龙头企业。
