大型石化公司發展加氫生物燃料的現狀及對策

施翔星， 宋洪川, 黃 瑛， 周克梅

(1.鎮江市以斯帖環保科技有限公司， 江蘇 句容 212431； 2.中國石油四川石化公司南充煉油廠， 四川 南充 637000；3.云南師范大學 能源與環境科學學院，云南 昆明 650500； 4.東南大學 能源與環境學院，江蘇 南京 210096； 5.南京水務集團有限公司， 江蘇 南京 211106)

2017年，我國石油消費量達5.89億噸，其中凈進口量為3.96億噸，同比增長10.8%，石油對外依存度達到67.4%[1]。消費量和對外依存度的持續上升，給國家能源安全與節能減排帶來巨大壓力，替代能源的開發和規模化應用日臻迫切。在眾多類型的替代能源當中，生物燃料因具有能直接提供氣體和液體形態燃料、原料來源廣、減排性能好等優點而占有一席之地。在交通領域，雖然電動汽車是發展趨勢之一，但重型卡車、船舶、飛機目前依然要以柴油和煤油為主要動力。2016年國內柴油和煤油表觀消費量分別為1.65億噸和3 026萬噸。因而從替代能源的角度看，生物柴油與生物航煤的發展空間很大。過去十多年，國內外石化企業開始涉足生物燃料領域，取得成效，但也遇到突出問題。筆者綜述了制備加氫生物燃料的代表性工藝(以UOP公司工藝為主)、產品特性和應用狀況，著重分析了大型國有石化企業發展生物燃料所遇到的具體困難，并提出了相應對策。

1 加氫制備生物燃料的工藝概況

第一代生物柴油以酯交換技術為代表，但隨著對燃油品質要求的不斷提高，加氫工藝在煉油工業的地位日趨重要[2]，以催化加氫技術為代表的第二代生物柴油問世，并衍生出生物燃料家族的新成員生物航煤。2005年以來，Neste Oil、Petrobra、Syntroleumn等國外石化企業先后開發出加氫工藝制備的生物燃料[3-9]；由美國霍尼韋爾UOP公司和意大利Eni公司聯合研發的“精煉工藝”通用性廣、操作彈性大，成為第二代生物燃料制備技術的代表[2-3]。UOP/Eni公司2006年開發出煉制生物柴油的Ecofining技術(又稱綠色柴油)，在此基礎上又研發出制備生物航煤的Renewable Jet Process工藝，并進行了工業化生產。芬蘭Neste Oil公司也幾乎同期研發出生物柴油-航煤聯產工藝，且大規模商業化應用的步伐更快。

國內起步較晚，2009年，UOP 公司與中石油簽訂先進生物燃料開發的合作協議，為中石油提供技術支持[8]。UOP公司的Ecofining和Renewable Jet Process工藝在反應過程上均可歸納為生物質油脂加氫脫氧和異構化2個階段[5,9-10]，工藝路線見下圖：

采用該技術的裝置工藝流程圖見圖1。

AAR:胺吸收器amine absorption； AGR:胺再生器amine regenerator; AGE:酸氣富集acid air enrichment； D1、D2:分離塔sperator； E1、E2:冷凝器condenser； F:分餾器fractionator； G:干燥器drier； H1、H2:加熱爐heater； R1:脫氧反應器deoxygenation reactor； R2:異構化反應器isomerization reactor； S:汽提塔stripper； T:脫凝器decondenser1. 精制后的油脂refined oil and fat; 2. 液化石油氣liquefied petroleum gas(LPG); 3. 石腦油naphtha; 4. 綠色柴油green diesel; 5. 生物航煤jet biofuel圖1 UOP公司生物燃料裝置工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of UOP biofuel plant

將脫磷脫膠后的油脂在酸性環境下(加入二甲基二硫醚(MSDS))，在R1反應器內完全脫氧，甘油三酯被分解成直鏈烷烴，副產物主要為丙烷以及COx、H2S、H2O[9]，經換熱后進入分離塔分離后，剩下的直鏈烷烴被送入R2反應器中。直鏈烷烴和甘油三酯相比，不含氧原子，因此本階段被稱為脫氧反應。COx、H2S、H2O等最后進入胺吸收單元被脫除，酸氣進入煉廠尾氣回收系統。

若以直鏈烷烴作為燃料組分，通常有濁點較高、低溫流動性差等缺點，因而需改善其濁點及抗凝性。第二階段是在中性環境下，在R2反應器內進行選擇性裂解和異構化反應，將直鏈烷烴轉化為異構烷烴；反應過程中，部分柴油組分中度裂化為煤油、石腦油等輕質組分。該階段氫氣消耗量較大，目的在于最大程度地減少中間產物，以保證產品質量和收率。從R2反應器中出來的組分再經分餾、冷凝、干燥后得到最終產品。

生產操作中，可通過調整R2反應器的溫度和壓力來控制柴油的裂化程度，切換為綠色柴油和生物航煤2種生產模式，脫氧催化劑以Ni-Mo、Co-Mo系列為主[9-11]。表1為以麻瘋果油為原料時2種工況的運行參數。UOP公司已測試多種原料，動物油脂較植物油脂的飽和脂肪酸含量更高，氫耗量要減少約10%[4]。

表1 UOP綠色柴油和生物航煤模式工藝參數比較[4,9-10]

從表1可以看出，因同時具有綠色柴油和生物航煤2種工況，裝置的靈活性得以擴展，能更好地應對市場行情變化；并且副產物為石腦油、丙烷等石化產品，相比第一代生物柴油工藝的副產物甘油，具有更高的附加值。因此，該工藝裝置又被視為加工生物油脂的“石化裝置”，這也是中石油選擇該工藝的主要原因。

2 加氫生物燃料的性能與應用

第一代生物柴油的成分主要為脂肪酸甲酯(FAME)，與石化柴油相比，盡管燃燒過程中碳排放降低，但凝點較高、容易變質、添加比例少(5%左右)、不能充分依托現有儲運設施，在使用上受到限制[4-5]，更多地被視作添加劑。而加氫法生產的綠色柴油以烴類混合物成分為主，使用性能上與石化柴油基本一致，可與石化柴油以任意比例混溶，無需改進發動機，能直接利用現有的儲運設施。從表2和3可以看出，UOP綠色柴油的各項質量指標優于傳統石化柴油和第一代生物柴油，生物航煤已滿足ASTM D7566標準要求[12]，意味著在資源量充足的前提下，加氫法制備的生物燃料可以大規模取代石化燃料。其最大的優勢還體現在減少溫室氣體排放量方面，相比同類石化產品最大可降低80%以上[5,13]，環境效應明顯。

表4列舉了國外使用加氫工藝的主要生物燃料裝置，所用工藝來自Neste和UOP公司，累計產能超過320萬噸/年。

表2 3種柴油產品質量指標表

表3 生物航煤和石化航煤燃料性能比較

表4 世界上主要的加氫生物燃料商業化運營商[9]

1)Neste Oil公司在荷蘭、新加坡各有一套80萬噸/年生產規模裝置 Neste Oil Company has a set of 800 kt each year device in Netherlands and Singapore, respectively

目前為止，通過加氫工藝制備的生物燃料已初步實現了在軍用和民用領域的規模化應用[14-18]。美國海軍基于戰略考慮，早在2009年宣布組建“大綠艦隊”，要求艦船和飛機逐漸使用可再生燃料。從2010年4月起，以亞麻薺、微藻、動物廢油等為原料提煉的加氫生物燃料按50%的添加比例混合后已在美軍的多種艦載機、快艇及驅逐艦上試用成功。2016年起在實戰部署的軍艦上正式使用。

民用方面，從2008年起，英國、德國、荷蘭、墨西哥等國的航空公司先后開展了30次以上的航空生物燃料驗證飛行[6-7]。2011年7月起，德國漢莎航空公司還開通過為期半年的生物航煤定期航班(采用Neste工藝)，后因庫存不足終止。

在國內，2011年10月，中石油、國航、波音和UOP等聯合發起的中國首次航空生物燃料驗證飛行取得成功；2015年3月，加注中國石化1號生物航煤(以地溝油為原料，中石化自主知識產權技術生產)的海南航空HU7604航班順利完成國內航線的首次商業載客飛行，2017年11月又完成首次跨洋商業載客飛行，標志著中國成為世界上少數幾個擁有生物航煤自主研發能力并成功商業化應用的國家。因此，加氫生物燃料在技術上是成熟的。

3 國內加氫生物燃料發展面臨的問題及對策

3.1 面臨的問題

從表4還可以看出，迄今所有在用的加氫制生物燃料裝置集中在發達國家或地區，但在繼續擴大產能上已放緩；而國內暫無實質建成的商業化運行裝置。以中石油為例，大型國企具有發展生物能源的優勢條件(資金和生產經驗)，從2007年起布局生物能源產業，但新項目2013年擱淺。結合該項目剖析，無法穩定提供廉價原料是首要因素，在業內已成為共識[19-22]，這使生物燃料的生產成本高于同類石化產品，與農業發達的歐美國家相比尤為明顯。

3.1.1 成本和經濟性分析 表5為中石油采用UOP工藝、擬在四川南充建設的規模為6萬噸/年的生物燃料生產裝置生產成本分析表，由于工藝先進，輔料、能耗(水、電、氣、風等消耗)、排污成本合計僅占4.51%；而原料成本占75.47%，且仍有上漲風險(可研評估時未能確保每年6萬噸麻瘋果油的穩定供應)，這一比例遠高于絕大多數工業產品中原料成本所占的比重。工廠按每年開工8 000 h運行，正常處理量為7.5～7.8 t/h，每小時氫氣消耗量約990～1 120 m3，催化劑使用周期為12個月(煉化裝置通常每年有1個月的停工檢修，年開工時間約為8 000 h，成套催化劑壽命一般按整年計算)。2種工況下主要產品的產量見表6。

表5 麻瘋果油制備生物燃料成本分析表1)

1) 麻瘋果油價格已包含運輸成本；生產輔料指各種添加劑；人工費包括工資及福利等；設備折舊以建設投資4.12億計算；其他費用指工廠日常經營、財務、銷售等方面的費用price ofJatrophacurcasoil contains the costs in transportation, indirect materials are various additives, labour cost consists of wages and welfare, equipment depreciation calculation is based on the investment totaled 412 million RMB, other costs contains the expenses of daily operation, finance and sales

表6 UOP工藝裝置綠色柴油、生物航煤工況產量對比1)

1) 規模為6萬噸/年的生物燃料裝置 60 000 tons/year biofuel device

參照石腦油價格6 100元/噸，液化石油氣價格4 050元/噸計算，2種工況下，綠色柴油和生物航煤的價格(出廠價)分別在7 156元/噸和8 663元/噸才能做到保本；加上成品油增值稅、銷售成本及利潤，綠色柴油的市場價格將超過8 500元/噸，生物航煤將超過10 300元/噸。而當前石化柴油和航空煤油的零售價格分別在7 940元/噸和8 470元/噸左右，若不考慮免稅和財政補貼等政策扶持，這2種生物燃料在經濟上不具備競爭優勢。

3.1.2 選址效應影響 表5數據是基于扶持地方經濟發展和老廠轉型安置，選址在南充建新廠。但目前中石油在四川彭州和云南安寧已投產1 000萬噸的大型煉化基地。若選址在上述兩地，生產成本在以下方面可降低： 1) 麻瘋果原料來自于川西攀枝花和云南地區，從運輸距離上看，安寧和彭州均近于南充，可降低原料成本中的運輸成本； 2) 另建新廠，包括配套的制氫裝置等全部公用工程設施必須重新建設，這將增大投資預算；新廠區擬采用甲醇裂解制氫，每標準立方米氫氣成本約為1.8～2.5 元；若建在大煉化廠內，能有效利用煉廠干氣中的氫氣，折算后每標準立方米成本為1.0～1.6元，可降低35%～45%[23]； 3) 遠離煉化基地另建新廠將多出一級管理機構，增加日常經營活動的開支(表5中的其他費用項)，對總成本控制不利。

綜合以上3點，若考慮增建在以上2個煉化基地內，充分利用已有生產要素，經折算，總生產成本可下降5.5%左右，綠色柴油和生物航煤的出廠價將分別降低410和480元/噸，與石化產品價格有所拉近。目前，中石化旗下的鎮海煉化正在改建一套10萬噸/年生物航煤裝置，也有這方面的現實考慮。

3.2 發展的對策

原料是成本控制的重點，生物質原料種類和總量均較為豐富，但用于生產卻價格昂貴，這是過往10年生物能源產業發展的困局。要破解這一難題，還要更多從分工合作、創新模式、政策引導等非技術領域尋找解決辦法。

3.2.1 麻瘋果原料林的營建 麻瘋果已被證明是用于生物燃料生產的理想原料之一[13, 24-25]。果實畝產量和含油量這2項關鍵指標取保守值，換算后分別為4.5噸/公頃和50%[26]，每公頃產油2.25噸；6萬噸原料油需2.67萬公頃，但國內尚無此規模的成熟原料林。

2007年前后，美國貝克休斯、中石油、中海油等多家能源公司和地方林業局合作在川西、云南等地投資布局麻瘋果生物柴油原料林，兩省最初的規劃均在10萬公頃以上，但2011年以后未見繼續建設的報道，僅以中石油為投資主體營建的1.06萬公頃原料基地稍具規模。原料林建設的嘗試以失敗告終，分析根源，當時有媒體過分炒作，讓投資者低估了實際運作的難度。主要表現為： 1) 項目周期長，投資遠超預期； 2) 農民積極性調動不足； 3) 缺乏規范化種植技術。麻瘋樹要生長3年后才進入盛果期，依照海南農戶的小范圍經驗，1公頃麻瘋樹首年的種植成本為7 500元[27]。2.67萬公頃首年則要注資 2億元以上。據攀枝花林業局2011年的估算，每公頃原料林的投入需超過11 990元/年(包括病蟲害防治、林間管理等)才能保證麻瘋樹豐產[26]，但先前各項目的補助均低于此標準。

針對麻瘋果原料林建設存在的不足，建議做到以下幾個方面： 1) 云南、川西地區農村為欠發達地區，應緊密結合國家當前精準扶貧戰略，由各級政府依據實際情況制定專門政策進行牽頭和引資； 2) 腳踏實地，調查和利用現有條件較好的林木資源，完善能源作物邊際土地發展戰略[28]，制定現實目標，如先營建2萬公頃規模的原料林作為示范； 3) 走地方政府、能源公司、農業公司(資質審查)合資共建之路，成立區域公司和籌備專項資金，簽訂嚴謹的框架協議；政府財政和大型能源企業共同對農民進行補助，能源企業缺乏農業生產組織經驗，側重于資金支持，農業公司主導生產管理與技術支持，控制成本，使產量和品質達到要求(建立行業標準)；政府部門負責監管和驗收，落實補助發放到位，體現獎懲，最大程度調動農民積極性； 4) 明確定價機制，按表5成本組成和當前油價計算，煉化廠在無免稅和財政補貼的情況下，麻瘋果干果低于2 010元/噸，麻瘋果油低于4 030元/噸，才能有盈利；參考當地主要作物玉米收購均價約為1 850元/噸，干果收購價初步定在2 000元/噸左右，基本具備可操作性。

3.2.2 地溝油回收利用 由于地溝油(餐飲廢油)危及到食品安全和城市衛生，因此規模化回收地溝油作為原料也是值得探討的。但相比西餐，中餐的烹飪過程使得地溝油的成分較西餐煎炸廢油更復雜，表現在水含量高、無機鹽及其他食物殘渣多，造成回收難度加大、處理成本更高[29-30]。按照中石化相關試驗，需3噸地溝油才能提煉1噸生物航煤，生產成本是石化航煤的2～3倍。

目前國內可利用的地溝油總量尚無準確統計數字，保守估計在400～500萬噸/年，發達省份有30萬噸/年[6]，基本滿足6～10萬噸規模的示范裝置所需，但首要問題是尚無全國性的地溝油回收機制，使地溝油回收過程艱難、價格變化大。建議方案為： 1) 國家盡快頒布規范地溝油用途的強制性法規，從法律上嚴厲打擊背后的黑色產業鏈； 2) 制定用作生物燃料的原料油質量標準； 3) 鼓勵民營公司依法參與地溝油回收和加工，落實具體監管部門的責任，規避不作為狀況； 4) 從操作難度相對較小的西餐店開始，簽訂協議將廢油回收作為餐飲運營的考核指標； 5) 從餐館、回收企業、煉化企業之間，規范各環節的收購價格，保證各方經濟利益與積極性； 6) 初始階段選址在東部發達地區為宜，利用物流網數據，合理規劃運輸路線，降低運營成本。

4 結 語

綜上所述，加氫工藝制備生物燃料在技術領域已成熟可靠，但大規模應用，僅靠大型石化企業遠遠不夠。全社會需正確認識生物燃料產業的自身特點，明確原料供應的復雜性和長期性。要打通從原料到煉化裝置的產業鏈，涉及到農林、工業、科研以及金融、服務業等多個行業的融合。以立足原料的多樣性和充分利用資源為原則，從原料林營建和廢油回收兩大方面著手，在最大限度利用土地的基礎上，重視優良品種的培育，編制針對不同能源作物種植的專業技術文本；同時，將構建食品安全和規范餐飲廢油回收緊密結合，出臺具體措施。政府部門層面要強化政策引導、監管及經濟鼓勵，企地聯手發揮各自優勢，合理選址、優化物流，最終實現原料穩定供應和生產成本降低，使生物燃料具有市場競爭力。