大型石化公司發(fā)展加氫生物燃料的現(xiàn)狀及對策

施翔星， 宋洪川, 黃 瑛， 周克梅

(1.鎮(zhèn)江市以斯帖環(huán)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(huán)境科學學院，云南 昆明 650500； 4.東南大學 能源與環(huán)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(xù)上升，給國家能源安全與節(jié)能減排帶來巨大壓力，替代能源的開發(fā)和規(guī)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(tài)燃料、原料來源廣、減排性能好等優(yōu)點而占有一席之地。在交通領域，雖然電動汽車是發(fā)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(nèi)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(fā)展空間很大。過去十多年，國內(nèi)外石化企業(yè)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(chǎn)品特性和應用狀況，著重分析了大型國有石化企業(yè)發(fā)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(shù)為代表，但隨著對燃油品質(zhì)要求的不斷提高，加氫工藝在煉油工業(yè)的地位日趨重要[2]，以催化加氫技術(shù)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(yè)先后開發(fā)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(lián)合研發(fā)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(shù)的代表[2-3]。UOP/Eni公司2006年開發(fā)出煉制生物柴油的Ecofining技術(shù)(又稱綠色柴油)，在此基礎上又研發(fā)出制備生物航煤的Renewable Jet Process工藝，并進行了工業(yè)化生產(chǎn)。芬蘭Neste Oil公司也幾乎同期研發(fā)出生物柴油-航煤聯(lián)產(chǎn)工藝，且大規(guī)模商業(yè)化應用的步伐更快。

國內(nèi)起步較晚，2009年，UOP 公司與中石油簽訂先進生物燃料開發(fā)的合作協(xié)議，為中石油提供技術(shù)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(zhì)油脂加氫脫氧和異構(gòu)化2個階段[5,9-10]，工藝路線見下圖：

采用該技術(shù)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(gòu)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(huán)境下(加入二甲基二硫醚(MSDS))，在R1反應器內(nèi)完全脫氧，甘油三酯被分解成直鏈烷烴，副產(chǎn)物主要為丙烷以及COx、H2S、H2O[9]，經(jīng)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(tǒng)。

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(huán)境下，在R2反應器內(nèi)進行選擇性裂解和異構(gòu)化反應，將直鏈烷烴轉(zhuǎn)化為異構(gòu)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(zhì)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(chǎn)物，以保證產(chǎn)品質(zhì)量和收率。從R2反應器中出來的組分再經(jīng)分餾、冷凝、干燥后得到最終產(chǎn)品。

生產(chǎn)操作中，可通過調(diào)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(chǎn)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(shù)。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(shù)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(chǎn)物為石腦油、丙烷等石化產(chǎn)品，相比第一代生物柴油工藝的副產(chǎn)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(zhì)、添加比例少(5%左右)、不能充分依托現(xiàn)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(chǎn)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(fā)動機，能直接利用現(xiàn)有的儲運設施。從表2和3可以看出，UOP綠色柴油的各項質(zhì)量指標優(yōu)于傳統(tǒng)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(guī)模取代石化燃料。其最大的優(yōu)勢還體現(xiàn)在減少溫室氣體排放量方面，相比同類石化產(chǎn)品最大可降低80%以上[5,13]，環(huán)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(chǎn)能超過320萬噸/年。

表2 3種柴油產(chǎn)品質(zhì)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(yè)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(chǎn)規(guī)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(xiàn)了在軍用和民用領域的規(guī)模化應用[14-18]。美國海軍基于戰(zhàn)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(qū)逐艦上試用成功。2016年起在實戰(zhàn)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(nèi)，2011年10月，中石油、國航、波音和UOP等聯(lián)合發(fā)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(chǎn)權(quán)技術(shù)生產(chǎn))的海南航空HU7604航班順利完成國內(nèi)航線的首次商業(yè)載客飛行，2017年11月又完成首次跨洋商業(yè)載客飛行，標志著中國成為世界上少數(shù)幾個擁有生物航煤自主研發(fā)能力并成功商業(yè)化應用的國家。因此，加氫生物燃料在技術(shù)上是成熟的。

3 國內(nèi)加氫生物燃料發(fā)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(fā)達國家或地區(qū)，但在繼續(xù)擴大產(chǎn)能上已放緩；而國內(nèi)暫無實質(zhì)建成的商業(yè)化運行裝置。以中石油為例，大型國企具有發(fā)展生物能源的優(yōu)勢條件(資金和生產(chǎn)經(jīng)驗)，從2007年起布局生物能源產(chǎn)業(yè)，但新項目2013年擱淺。結(jié)合該項目剖析，無法穩(wěn)定提供廉價原料是首要因素，在業(yè)內(nèi)已成為共識[19-22]，這使生物燃料的生產(chǎn)成本高于同類石化產(chǎn)品，與農(nóng)業(yè)發(fā)達的歐美國家相比尤為明顯。

3.1.1 成本和經(jīng)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(guī)模為6萬噸/年的生物燃料生產(chǎn)裝置生產(chǎn)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(wěn)定供應)，這一比例遠高于絕大多數(shù)工業(yè)產(chǎn)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(chǎn)品的產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)量對比1)

1) 規(guī)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(jīng)濟上不具備競爭優(yōu)勢。

3.1.2 選址效應影響 表5數(shù)據(jù)是基于扶持地方經(jīng)濟發(fā)展和老廠轉(zhuǎn)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(chǎn)1 000萬噸的大型煉化基地。若選址在上述兩地，生產(chǎn)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(qū)，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(qū)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(nèi)，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(gòu)，增加日常經(jīng)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(nèi)，充分利用已有生產(chǎn)要素，經(jīng)折算，總生產(chǎn)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(chǎn)品價格有所拉近。目前，中石化旗下的鎮(zhèn)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(xiàn)實考慮。

3.2 發(fā)展的對策

原料是成本控制的重點，生物質(zhì)原料種類和總量均較為豐富，但用于生產(chǎn)卻價格昂貴，這是過往10年生物能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的困局。要破解這一難題，還要更多從分工合作、創(chuàng)新模式、政策引導等非技術(shù)領域?qū)ふ医鉀Q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(chǎn)的理想原料之一[13, 24-25]。果實畝產(chǎn)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(chǎn)油2.25噸；6萬噸原料油需2.67萬公頃，但國內(nèi)尚無此規(guī)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(yè)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(guī)劃均在10萬公頃以上，但2011年以后未見繼續(xù)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(guī)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(xiàn)為： 1) 項目周期長，投資遠超預期； 2) 農(nóng)民積極性調(diào)動不足； 3) 缺乏規(guī)范化種植技術(shù)。麻瘋樹要生長3年后才進入盛果期，依照海南農(nóng)戶的小范圍經(jīng)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(jù)攀枝花林業(yè)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(chǎn)[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(qū)農(nóng)村為欠發(fā)達地區(qū)，應緊密結(jié)合國家當前精準扶貧戰(zhàn)略，由各級政府依據(jù)實際情況制定專門政策進行牽頭和引資； 2) 腳踏實地，調(diào)查和利用現(xiàn)有條件較好的林木資源，完善能源作物邊際土地發(fā)展戰(zhàn)略[28]，制定現(xiàn)實目標，如先營建2萬公頃規(guī)模的原料林作為示范； 3) 走地方政府、能源公司、農(nóng)業(yè)公司(資質(zhì)審查)合資共建之路，成立區(qū)域公司和籌備專項資金，簽訂嚴謹?shù)目蚣軈f(xié)議；政府財政和大型能源企業(yè)共同對農(nóng)民進行補助，能源企業(yè)缺乏農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織經(jīng)驗，側(cè)重于資金支持，農(nóng)業(yè)公司主導生產(chǎn)管理與技術(shù)支持，控制成本，使產(chǎn)量和品質(zhì)達到要求(建立行業(yè)標準)；政府部門負責監(jiān)管和驗收，落實補助發(fā)放到位，體現(xiàn)獎懲，最大程度調(diào)動農(nóng)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?shù)刂饕魑镉衩资召従鶅r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(wèi)生，因此規(guī)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(xiàn)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(chǎn)成本是石化航煤的2～3倍。

目前國內(nèi)可利用的地溝油總量尚無準確統(tǒng)計數(shù)字，保守估計在400～500萬噸/年，發(fā)達省份有30萬噸/年[6]，基本滿足6～10萬噸規(guī)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(guī)范地溝油用途的強制性法規(guī)，從法律上嚴厲打擊背后的黑色產(chǎn)業(yè)鏈； 2) 制定用作生物燃料的原料油質(zhì)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(jiān)管部門的責任，規(guī)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(xié)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(yè)、煉化企業(yè)之間，規(guī)范各環(huán)節(jié)的收購價格，保證各方經(jīng)濟利益與積極性； 6) 初始階段選址在東部發(fā)達地區(qū)為宜，利用物流網(wǎng)數(shù)據(jù)，合理規(guī)劃運輸路線，降低運營成本。

4 結(jié) 語

綜上所述，加氫工藝制備生物燃料在技術(shù)領域已成熟可靠，但大規(guī)模應用，僅靠大型石化企業(yè)遠遠不夠。全社會需正確認識生物燃料產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)鏈，涉及到農(nóng)林、工業(yè)、科研以及金融、服務業(yè)等多個行業(yè)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(yōu)良品種的培育，編制針對不同能源作物種植的專業(yè)技術(shù)文本；同時，將構(gòu)建食品安全和規(guī)范餐飲廢油回收緊密結(jié)合，出臺具體措施。政府部門層面要強化政策引導、監(jiān)管及經(jīng)濟鼓勵，企地聯(lián)手發(fā)揮各自優(yōu)勢，合理選址、優(yōu)化物流，最終實現(xiàn)原料穩(wěn)定供應和生產(chǎn)成本降低，使生物燃料具有市場競爭力。