生物質(zhì)油與蠟油在FCC裝置共煉的多目標(biāo)優(yōu)化

吳樂(lè)，王競(jìng)，王玉琪，鄭嵐

（西北大學(xué)化工學(xué)院，陜西西安710069）

引 言

由于化石能源短缺和溫室效應(yīng)等問(wèn)題，開發(fā)綠色可再生且CO2排放量小的燃料對(duì)于社會(huì)發(fā)展是極其重要的。生物燃料是有效解決上述問(wèn)題的潛在途徑之一[1]。此外，由于原油的重質(zhì)化與劣質(zhì)化、汽柴油需求的不斷增加及其品質(zhì)的不斷提高，考慮到生物汽柴油無(wú)硫無(wú)氮的特點(diǎn)及其綠色能源的屬性，如何將生物汽柴油盡快投入到市場(chǎng)成為了研究熱點(diǎn)[2]。

生物質(zhì)原料和生物煉廠投資費(fèi)用較高，以及生物汽柴油僅僅是石油基汽柴油的某種餾分，需要進(jìn)一步調(diào)和，使生物汽柴油的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石油基汽柴油[3]。因此，如何大幅度降低生物汽柴油的生產(chǎn)成本且滿足國(guó)家對(duì)生物汽柴油的質(zhì)量要求是當(dāng)前研究開發(fā)生物汽柴油的主要關(guān)注點(diǎn)[4-5]。

如果將生物質(zhì)油與原油餾分混合在煉廠中共同煉制（以下簡(jiǎn)稱共煉）[6]，便可直接利用煉廠已有的生產(chǎn)加工裝置以大幅度降低投資費(fèi)用；其次，共煉后產(chǎn)品直接在煉廠中調(diào)和以滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可省去生物汽柴油調(diào)和的運(yùn)輸成本；最后，煉廠的分銷系統(tǒng)可有效解決生物汽柴油的消納問(wèn)題。因此，生物質(zhì)油與原油餾分在煉廠中的共煉可有效解決生物汽柴油所面臨高成本難消納等問(wèn)題[7]。

考慮到黏度和餾程的相似，生物質(zhì)油與蠟油一般在煉廠的FCC 裝置中進(jìn)行共煉，進(jìn)而生產(chǎn)含有生物質(zhì)的汽油和柴油[8-9]。而通過(guò)快速熱解技術(shù)和催化熱解技術(shù)均可制備生物質(zhì)油，研究人員對(duì)這兩種生物質(zhì)油與蠟油在FCC 裝置中的共煉進(jìn)行了大量研究。

針對(duì)生物質(zhì)原料通過(guò)快速熱解技術(shù)獲得生物質(zhì)油與蠟油的共煉過(guò)程，Pinho 等[10]以松木為熱解原料，所得的生物質(zhì)油不經(jīng)過(guò)加氫直接與蠟油在FCC中共煉，當(dāng)混合比例小于10%時(shí)，并不會(huì)對(duì)產(chǎn)品的收率產(chǎn)生影響，而當(dāng)比例大于20%時(shí)，焦炭的生成率大大增加。Huynh 等[11]開發(fā)了高性能的雙金屬加氫脫氧催化劑，使熱解生物質(zhì)油的熱值從23.6 MJ/kg 增加到33.3 MJ/kg，再與蠟油在FCC 裝置共煉后可得到與純蠟油裂化相似的轉(zhuǎn)化率；而隨著加氫程度的進(jìn)一步增加，即生物質(zhì)油氧含量的降低，其對(duì)FCC 裝置的裂化轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)品收率影響較小[12-13]。因此，對(duì)于快速熱解生物質(zhì)油，一般經(jīng)過(guò)輕度加氫后（hydrotreator, HDT）與蠟油以小于20%的比例混合在FCC 裝置中共煉，共煉進(jìn)料氧含量（加氫程度）對(duì)產(chǎn)品分布影響較小，但進(jìn)料氧含量會(huì)影響共煉產(chǎn)品汽柴油的氧含量，進(jìn)而會(huì)對(duì)下游汽柴油加氫裝置的氫耗產(chǎn)生影響[14]。

考慮到生物質(zhì)通過(guò)催化熱解可獲得熱值更高氧含量更低的生物質(zhì)油，即可不經(jīng)過(guò)加氫升級(jí)直接與蠟油在FCC 裝置中共煉[15]。Wang 等[16]將10%的催化熱解生物質(zhì)油與90%的蠟油混合在FCC 裝置中共煉，催化熱解生物質(zhì)油的加入并不會(huì)影響產(chǎn)品的收率，利用14C 分析后，汽油中7%的碳來(lái)自生物質(zhì)。Lindfors 等[17]對(duì)比了快速熱解生物質(zhì)油、加氫熱解生物質(zhì)油和催化熱解生物質(zhì)油與蠟油混合在FCC裝置中共煉的區(qū)別，結(jié)果表明：無(wú)論采用何種生物質(zhì)油與蠟油共煉，生物質(zhì)油的進(jìn)料比例需小于20%以避免更多焦炭的生成；其中，快速熱解生物質(zhì)油共煉后的液體收率最低；而加氫熱解生物質(zhì)油和催化熱解生物質(zhì)油收率差別較小。因此，對(duì)于催化熱解生物質(zhì)油，一般可直接與蠟油混合并在FCC 裝置中共煉，但生物質(zhì)油的進(jìn)料比例不能大于20%[18]。

基于以上分析，將加氫熱解生物質(zhì)油或催化熱解生物質(zhì)油與蠟油混合并在FCC 裝置中共煉，可獲得相應(yīng)產(chǎn)量且質(zhì)量合格的汽柴油。因此，生物質(zhì)油和蠟油的共煉過(guò)程在技術(shù)上是可行的[12]。Wu 等[19]提出了針對(duì)共煉過(guò)程的超結(jié)構(gòu)模型，獲得了最優(yōu)的加工方案、生物質(zhì)原料和生物質(zhì)油制備技術(shù)，同時(shí)討論了共煉過(guò)程中雜質(zhì)的脫除、轉(zhuǎn)移和分配。

將生物質(zhì)這種可再生資源引入到煉廠的加工過(guò)程中可有效降低原油消耗及其對(duì)環(huán)境的影響，因此，闡明生物質(zhì)的加入對(duì)于煉油過(guò)程和共煉過(guò)程環(huán)境影響的降低是十分必要的。然而，以往文獻(xiàn)在針對(duì)共煉過(guò)程優(yōu)化時(shí)忽略了共煉過(guò)程以及不同生物質(zhì)原料和生物質(zhì)油制備技術(shù)對(duì)環(huán)境的影響。全生命周期分析方法（life cycle assessment,LCA）被廣泛用于量化過(guò)程對(duì)環(huán)境影響[20-22]。而對(duì)于一個(gè)既要考慮經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，又要考慮環(huán)境影響的過(guò)程，一般采用多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)行分析[23-25]。

本文擬采用基于LCA 的Eco-indicator 99 方法[26-29]量化共煉過(guò)程的環(huán)境影響，并提出針對(duì)該過(guò)程的多目標(biāo)優(yōu)化模型，采用?-約束法求解該模型，進(jìn)而獲得經(jīng)濟(jì)目標(biāo)最小、環(huán)境目標(biāo)最小和最佳折中工況下的最優(yōu)加工方案、最優(yōu)生物質(zhì)進(jìn)料以及最佳的生物質(zhì)油制備技術(shù)。

1 問(wèn)題描述

本文的主要目的是建立并求解多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)而獲得生物質(zhì)油與蠟油共煉過(guò)程的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用最小和環(huán)境影響最小的加工方案，同時(shí)獲得不同加工方案下最優(yōu)的生物質(zhì)熱解原料以及最佳的生物質(zhì)油制備技術(shù)。生物質(zhì)油與加氫蠟油共煉過(guò)程的超結(jié)構(gòu)見圖1。在已知不同生物質(zhì)價(jià)格、快速熱解和催化劑熱解收率、快速熱解生物質(zhì)油加氫過(guò)程收率、公用工程消耗、氫氣消耗和催化劑費(fèi)用以及相關(guān)物料環(huán)境影響因子的前提下，利用?-約束法將所提出的多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問(wèn)題，并在GAMS軟件中求解該單目標(biāo)問(wèn)題便可獲得不同目標(biāo)下的最優(yōu)生物質(zhì)進(jìn)料和最佳生物質(zhì)油制備方案，最后利用評(píng)價(jià)函數(shù)法（evaluation function method）獲得共煉過(guò)程的最優(yōu)折中工況。

2 多目標(biāo)優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

2.1.1 經(jīng)濟(jì)目標(biāo) 針對(duì)共煉過(guò)程，本文以共煉過(guò)程的投資費(fèi)用和過(guò)程所產(chǎn)生的原料費(fèi)用、公用工程費(fèi)用、催化劑費(fèi)用等以及產(chǎn)品收益所組成的年總年費(fèi)用為經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。

其中，TAC為年總費(fèi)用，USD·a-1；Af為年化因子，a-1；z為二元變量，0 或1；CC為設(shè)備投資費(fèi)用，USD；OC為操作費(fèi)用，USD·a-1；R為產(chǎn)品的收益，USD·a-1；i為生物質(zhì)油制備技術(shù)的集合，快速熱解或催化熱解技術(shù)；j表示不同生物質(zhì)進(jìn)料的集合；l表示不同設(shè)備的集合。

（1）投資費(fèi)用

在共煉過(guò)程中，主要裝置有生物質(zhì)熱解裝置，生物質(zhì)油加氫裝置，F(xiàn)CC裝置，柴油加氫裝置和汽油加氫裝置，后三者為煉廠已有裝置。因此，本文只考慮了生物質(zhì)熱解裝置（快速熱解裝置或催化熱解裝置）和生物質(zhì)油加氫裝置的投資費(fèi)用。快速熱解過(guò)程主要包含研磨器、干燥器、螺旋進(jìn)料器、鼓風(fēng)機(jī)、加熱爐、熱解反應(yīng)器、旋風(fēng)分離器、急冷塔等設(shè)備；而催化熱解過(guò)程主要有研磨器、干燥器、螺旋進(jìn)料器、催化熱解反應(yīng)器、催化劑回收（沉降器、鼓風(fēng)機(jī)等）、急冷塔等設(shè)備；生物質(zhì)油加氫裝置主要包含進(jìn)料泵、換熱器、新氫壓縮機(jī)、循環(huán)氫壓縮機(jī)、加氫反應(yīng)器、高壓分離器、低壓分離器、精餾塔等設(shè)備。這些設(shè)備的投資費(fèi)用可利用以往研究所報(bào)道的基礎(chǔ)案例費(fèi)用根據(jù)化工廠費(fèi)用因子（chemical engineering plant cost index,CEPCI)以及本文案例設(shè)備的大小與基礎(chǔ)案例設(shè)備大小的區(qū)別進(jìn)而計(jì)算當(dāng)前年份該設(shè)備的投資費(fèi)用，見式(2)。

其中，m表示設(shè)備的流率，t·h-1；sf表示費(fèi)用因子；l表示不同設(shè)備的集合；上角標(biāo)b表示基礎(chǔ)案例。

（2）操作費(fèi)用

與投資費(fèi)用類似，由于小比例生物質(zhì)與蠟油的共煉對(duì)FCC 裝置以及后續(xù)加氫裝置的操作條件和產(chǎn)品收率影響較小，本文僅考慮了共煉過(guò)程中生物質(zhì)油制備過(guò)程的操作費(fèi)用。

本文主要考慮的操作費(fèi)用有原料費(fèi)用、公用工程費(fèi)用（水、電和氫氣）以及催化劑費(fèi)用，操作費(fèi)用的計(jì)算公式如下：

其中，C表示費(fèi)用，USD·a-1；AOT 表示年操作時(shí)間，h·a-1;上角標(biāo)bms、elec、water、H2、cat 分別表示生物質(zhì)、電、水、氫氣、催化劑。

共煉過(guò)程所涉及的原料主要為蠟油和生物質(zhì)，在共煉FCC 裝置處理能力和生物質(zhì)油共煉比例一定的情況下，采用不同生物質(zhì)原料和生物質(zhì)油制備技術(shù)的蠟油消耗量不變。因此，本文只考慮了生物質(zhì)的消耗量，可根據(jù)物料平衡獲得其消耗量，進(jìn)而乘以生物質(zhì)價(jià)格便可獲得原料費(fèi)用。

圖1 共煉過(guò)程的超結(jié)構(gòu)Fig.1 Superstructure of the co-processing process

其中，m表示消耗量或流量，t·h-1；p表示價(jià)格，USD·t-1。

電、水和氫氣費(fèi)用計(jì)算公式如式(5)～式(7)所示。

快速熱解過(guò)程不需要消耗催化劑，而快速熱解生物質(zhì)油的加氫過(guò)程需要消耗催化劑，其費(fèi)用可由生物質(zhì)油的流率與單位催化劑費(fèi)用因子計(jì)算；催化熱解過(guò)程催化劑費(fèi)用可根據(jù)處理單位生物質(zhì)的催化劑費(fèi)用與本文生物質(zhì)的加工量計(jì)算。

其中，f表示生產(chǎn)單位生物質(zhì)油消耗催化劑的計(jì)算系數(shù)，USD·(t生物質(zhì)油)-1；上角標(biāo)bo表示生物質(zhì)油。

（3）產(chǎn)品收益

對(duì)于共煉過(guò)程，其副產(chǎn)品主要為生物氣和生物焦。一般地，生物氣一部分用于生物質(zhì)進(jìn)料的干燥脫水過(guò)程，另一部分作為副產(chǎn)品；而副產(chǎn)品生物焦則全部用于干燥后生物質(zhì)進(jìn)入熱解反應(yīng)器前的加熱。因此，副產(chǎn)品的收益僅僅考慮了生物氣，其生產(chǎn)量可由物料平衡獲得，而其收益則可以根據(jù)式(10)計(jì)算。

其中，上角標(biāo)bg表示生物氣。

2.1.2 環(huán)境目標(biāo) 盡管生物質(zhì)原料是一種可再生資源，但其種植過(guò)程所消耗的種子、化肥、水等資源會(huì)環(huán)境造成一定的影響；其次，由于公用工程在其生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)消耗大量的化石能源并排放一定的CO2，進(jìn)而引起資源減退和溫室效應(yīng)等環(huán)境問(wèn)題，因此，需要考慮共煉過(guò)程公用工程的消耗對(duì)環(huán)境的影響；最后，由于共煉過(guò)程會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)品，在計(jì)算環(huán)境影響時(shí)需要減去副產(chǎn)品的影響。根據(jù)Eco-indicator 99方法[26]，對(duì)于共煉過(guò)程，其環(huán)境總影響可由式（11）計(jì)算：

其中，EI 表示總環(huán)境影響，pt·a-1，pt 為point 的縮寫，用于量化環(huán)境影響，表示平均每年每人承受環(huán)境負(fù)荷的千分之一；m表示原料或公用工程的消耗量，t·h-1或kW；DAM 表示公用工程或污染物的環(huán)境損害因子，pt·t-1或pt·(kW·h)-1；k表示生物質(zhì)原料與公用工程水、電和氫氣的集合。

2.2 電、水和氫氣消耗量的計(jì)算

生物質(zhì)熱解過(guò)程所消耗的電、水和氫氣可根據(jù)生產(chǎn)單位生物質(zhì)油的消耗因子[19]與本文生物質(zhì)油的生產(chǎn)量計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

由于催化熱解生物質(zhì)油不需要加氫便可與加氫蠟油共煉；而快速熱解生物質(zhì)油加氫過(guò)程的氫氣消耗量可由Gueudré等[12]的研究計(jì)算。

其中，f表示生產(chǎn)單位生物質(zhì)油消耗的電（kW·h·(t 生物質(zhì)油)-1）、水（t 水·(t 生物質(zhì)油)-1）和氫氣（m3·(t生物質(zhì)油)-1）。

2.3 約束條件

該多目標(biāo)優(yōu)化模型的約束條件主要為各個(gè)設(shè)備和裝置的物料平衡，可根據(jù)式(15)和式(16)計(jì)算。

其中，y表示收率，%；上角標(biāo)in 和out 分別表示設(shè)備的進(jìn)口物流和出口物流；下角標(biāo)n表示某個(gè)設(shè)備進(jìn)料流股的集合。

2.4 經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和環(huán)境目標(biāo)的權(quán)衡

對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，需要對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行歸一化以獲得最佳的折中點(diǎn)，本文采用評(píng)價(jià)函數(shù)法[30]進(jìn)行歸一化。

3 案例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

擬將20%的生物質(zhì)油與80%的加氫蠟油在年加工量為120萬(wàn)噸的FCC 裝置中共煉。本文主要考慮了紙漿用木（pulpwood）、工業(yè)剩余木（industrial residual wood）、秸稈（corn stover）和草（switch grass）作為生物質(zhì)油原料的生產(chǎn)過(guò)程。不同生物質(zhì)進(jìn)料、公用工程和副產(chǎn)品的價(jià)格和環(huán)境損害因子[31]見表1。各個(gè)裝置的收率[19]見表2和表3。

表1 生物質(zhì)、公用工程和副產(chǎn)品的價(jià)格和損害因子Table 1 Price and damage factor of biomass，utilities and by-product

表2 熱解過(guò)程的收率Table 2 Yields of pyrolysis processes/%

表3 催化裂化和加氫過(guò)程的收率Table 3 Yields of FCC and HDT processes/%

3.2 可行解及其對(duì)應(yīng)的加工方案

本文所提出的優(yōu)化模型為MIP 模型，共有137個(gè)方程，142個(gè)變量，14個(gè)二元變量。采用?-約束法將該多目標(biāo)優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化模型，再將表1～表3 的數(shù)據(jù)代入到該目標(biāo)優(yōu)化模型中在GAMS（25.0.3）中以BARON 為求解器進(jìn)行求解，便可獲得相應(yīng)的可行解。由于本文所選的生物質(zhì)種類為4種，而生物質(zhì)油制備方案有2 種，因此，可行的方案為8 種，這8 種方案所對(duì)應(yīng)的年總費(fèi)用和環(huán)境影響見圖2。

由圖2 可知，當(dāng)年總費(fèi)用最小時(shí)（圖中實(shí)線圈內(nèi)），其費(fèi)用為52.14 MUSD?a-1，此時(shí)的環(huán)境影響為134.33 Mpt?a-1；而當(dāng)環(huán)境影響最小時(shí)（圖中虛線圈內(nèi)），其影響僅為85.73 Mpt?a-1，這種情況下的年總費(fèi)用為64.84 MUSD?a-1。

圖2 共煉過(guò)程的可行解Fig.2 Feasible solutions for the co-processing process

為獲得本案例的最佳折中點(diǎn)（best compromise），假設(shè)式(18)中經(jīng)濟(jì)和環(huán)境目標(biāo)的權(quán)重因子均為0.5，通過(guò)對(duì)比8種可行解的μs值，該值最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的可行解為圖2中虛線圈內(nèi)的點(diǎn)。因此，在本文所優(yōu)化的案例中，環(huán)境影響最小的加工方案就是最優(yōu)折中方案。

對(duì)于生物質(zhì)油與加氫蠟油的共煉過(guò)程，不同的生物質(zhì)原料以及不同的生物質(zhì)油制備方案對(duì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的影響也不同，在對(duì)該過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化時(shí)，需權(quán)衡經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和環(huán)境目標(biāo)的差異才能獲得整體最優(yōu)的加工方案。

3.2.1 最小年總費(fèi)用的加工方案 在本案例中，年總費(fèi)用最小時(shí)（對(duì)應(yīng)圖2中實(shí)線圈操作點(diǎn)）共煉過(guò)程的主要質(zhì)量平衡見圖3。86.58 t·h-1的紙漿用木經(jīng)過(guò)催化熱解過(guò)程后獲得28.57 t·h-1的生物質(zhì)油，并與114.28 t·h-1的加氫蠟油混合進(jìn)入FCC 裝置中共煉進(jìn)而制備68.71 t·h-1的催化汽油和32.86 t·h-1的催化柴油，二者最終在加氫裝置中精制獲得70.87 t·h-1的汽油和29.97 t·h-1的柴油。因此，當(dāng)考慮以經(jīng)濟(jì)費(fèi)用最小作為主要目標(biāo)時(shí)，紙漿用木和催化熱解分別是最優(yōu)的生物質(zhì)原料和熱解技術(shù)。

圖3 年總費(fèi)用最小時(shí)共煉過(guò)程的物料平衡Fig.3 Mass balance of the co-processing system with minimum TAC(unit:t·h-1)

年總費(fèi)用最小加工方案所對(duì)應(yīng)的原料費(fèi)用、公用工程費(fèi)用、副產(chǎn)品收益和投資費(fèi)用以及環(huán)境影響見表4。

表4 年總費(fèi)用最小操作工況的費(fèi)用和環(huán)境影響組成Table 4 Cost and environmental impact composition of the operating scheme with minimum TAC

由表4 可知，在費(fèi)用組成中原料費(fèi)用達(dá)到72.36 MUSD·a-1，副產(chǎn)品收益為60 MUSD·a-1，投資費(fèi)用為99.23 MUSD，年總費(fèi)用為52.14 MUSD·a-1。而環(huán)境影響占比中生物質(zhì)達(dá)到133.54 Mpt·a-1，電耗造成的影響為69.68 Mpt·a-1，副產(chǎn)品生物氣降低了6.18 Mpt·a-1，而總環(huán)境影響為134.33 Mpt·a-1。因此，無(wú)論是降低費(fèi)用還是減少環(huán)境影響，降低生物質(zhì)原料的消耗量最為有效，通過(guò)提高熱解生物質(zhì)油收率可降低生物質(zhì)的消耗。

3.2.2 最小環(huán)境影響和最佳折中點(diǎn)的加工方案

在本案例中，環(huán)境影響最小的加工方案與最佳折中點(diǎn)的加工方案相同（對(duì)應(yīng)圖2 中虛線圈操作點(diǎn)），該方案的主要質(zhì)量平衡見圖4。104.65 t·h-1的工業(yè)剩余木經(jīng)過(guò)催化熱解過(guò)程后獲得28.57 t·h-1的生物質(zhì)油，并與114.28 t·h-1的加氫蠟油混合進(jìn)入FCC 裝置中共煉進(jìn)而制備68.71 t·h-1的催化汽油和32.86 t·h-1的催化柴油，二者最終在加氫裝置中精制獲得70.87 t·h-1的汽油和29.97 t·h-1的柴油。因此，采用工業(yè)剩余木作為原料和采用催化熱解技術(shù)生產(chǎn)生物質(zhì)油可有效降低共煉過(guò)程的環(huán)境影響。

環(huán)境影響最小和最佳折中點(diǎn)操工況的加工方案所對(duì)應(yīng)的原料費(fèi)用、公用工程費(fèi)用、副產(chǎn)品收益和投資費(fèi)用以及環(huán)境影響見表5。

由表5 可知，在費(fèi)用組成中原料費(fèi)用達(dá)到90.99 MUSD·a-1，副產(chǎn)品收益為71.16 MUSD·a-1，投資費(fèi)用為113.32 MUSD，年總費(fèi)用為64.84 MUSD·a-1。而環(huán)境影響占比中生物質(zhì)達(dá)到86.09 Mpt·a-1，副產(chǎn)品生物氣降低了7.33 Mpt·a-1，而總環(huán)境影響為85.73 Mpt·a-1。因此，無(wú)論是降低費(fèi)用還是減少環(huán)境影響，降低生物質(zhì)原料的消耗量最為有效。

圖4 環(huán)境影響最小和最佳折中點(diǎn)的共煉過(guò)程物料平衡Fig.4 Mass balance of the co-processing system with minimum EI and best compromise(unit:t·h-1)

表5 環(huán)境影響最小和最佳折中點(diǎn)操作工況的費(fèi)用和環(huán)境影響組成Table 5 Cost and environmental impact composition of the operating scheme with minimum TAC

3.3 權(quán)重因子對(duì)最佳折中工況最優(yōu)生物質(zhì)原料和熱解技術(shù)的影響

為了方便決策者進(jìn)行判斷和分析，本節(jié)主要研究在最佳折中工況中，權(quán)重因子對(duì)最優(yōu)生物質(zhì)原料和熱解技術(shù)的影響，其影響結(jié)果見表6。

表6 權(quán)重因子對(duì)最優(yōu)生物質(zhì)原料和熱解技術(shù)的影響Table 6 Effects of weight factor on the optimal biomass feedstock and pyrolysis technology

根據(jù)表6可知，在最佳折中工況中，當(dāng)權(quán)重因子小于0.5 時(shí)，最優(yōu)的生物質(zhì)原料為工業(yè)剩余木，而當(dāng)權(quán)重因子大于0.6 時(shí)，最優(yōu)原料則為紙漿用木；無(wú)論權(quán)重因子為多少，最優(yōu)的熱解技術(shù)均為催化熱解。綜合圖2 和表6 信息可知，當(dāng)權(quán)重因子小于0.5 時(shí)，最佳折中工況為環(huán)境影響最小時(shí)的加工方案，而當(dāng)權(quán)重因子大于0.6 時(shí)，最佳折中工況為經(jīng)濟(jì)費(fèi)用最小時(shí)的加工方案。

4 結(jié) 論

隨著原油重質(zhì)化與劣質(zhì)化程度的增加，以及市場(chǎng)對(duì)清潔燃料和超清潔燃料需求的不斷增大，開發(fā)生物燃料是極為重要的。為降低生物燃料的生產(chǎn)成本，將生物質(zhì)油與蠟油在煉廠FCC 裝置共煉是一種極為有效的方法。

本文針對(duì)生物質(zhì)油與加氫蠟油在FCC 裝置中的共煉過(guò)程，提出了經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的多目標(biāo)優(yōu)化模型，基于本文所設(shè)案例求解該模型，最終獲得了年總費(fèi)用最小、環(huán)境影響最小以及最佳折中的加工方案。在年總費(fèi)用最小的方案中，年總費(fèi)用為52.14 MUSD·a-1，其中原料費(fèi)用達(dá)到72.36 MUSD·a-1，副產(chǎn)品收益為60 MUSD·a-1，投資費(fèi)用為99.23 MUSD，而該方案中總環(huán)境影響為134.33 Mpt·a-1，其中生物質(zhì)達(dá)到133.54 Mpt·a-1，電耗造成的影響為69.68 Mpt·a-1，副產(chǎn)品生物氣降低了6.18 Mpt·a-1；而最佳折中與環(huán)境影響最小的加工方案相同，環(huán)境影響僅為85.73 Mpt·a-1，其中生物質(zhì)為86.09 Mpt·a-1，副產(chǎn)品生物氣降低了7.33 Mpt·a-1，該方案中年總費(fèi)用高達(dá)64.84 MUSD·a-1，其中原料費(fèi)用達(dá)到90.99 MUSD·a-1，副 產(chǎn) 品 收 益 為71.16 MUSD·a-1，投 資 費(fèi) 用 為113.32 MUSD。無(wú)論是年總費(fèi)用最小方案還是環(huán)境影響最小以及最佳折中的加工方案，其最優(yōu)的生物質(zhì)油制備技術(shù)均為催化熱解；生物質(zhì)原料無(wú)論是對(duì)于費(fèi)用還是環(huán)境影響均占有極大的比例，副產(chǎn)品生物氣對(duì)于費(fèi)用和環(huán)境影響的降低起著極為重要的作用。

因此，對(duì)于生物質(zhì)油與蠟油在FCC 裝置的共煉過(guò)程，僅僅考慮經(jīng)濟(jì)目標(biāo)對(duì)于生物燃料的生產(chǎn)是不全面的，還需要考慮環(huán)境的影響。無(wú)論是降低費(fèi)用還是減少環(huán)境影響，降低生物質(zhì)原料的消耗是最為有效的，通過(guò)優(yōu)化熱解過(guò)程提高生物質(zhì)油的產(chǎn)量可有效降低生物質(zhì)原料的消耗。