集成甘蔗生物炼制体系下乙醇与混合醇制航空燃料路径的比较技术经济分析

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Comparative techno-economic analysis of alcohol-to-jet pathways from ethanol and mixed alcohols, within an integrated sugarcane biorefinery

　　

研究人员针对可持续航空燃料（SAF）生产中的成本与技术瓶颈，在集成甘蔗生物炼制体系中构建了六种酒精制喷气燃料（AtJ）工艺配置，并进行了过程级技术经济评估。研究明确纳入商业化脱水技术与能源自给运行模式，结果表明：含水与无水乙醇路径的最低航空燃料售价（MAFSP）相近（3.68?US/L），上游节能被下游能耗抵消；高压脱水（HummingbirdR?型）将MAFSP降至3.63?US/L，并使资本支出（CAPEX）降低12%（2.37亿 vs 2.69亿美元），为优选设计；将C8烃纳入煤油池可使MAFSP降低55%，但受掺混限制（<10%）制约实际应用；将C8升级为喷气燃料范围芳烃可将MAFSP降低17%，并实现可直接使用的燃料兼容性，因此芳烃生产兼具燃料质量优化与经济性提升作用；混合醇路径因乙醇偶联装置资本密集，MAFSP略高（3.76?US$/L），表明上游醇生产是降低成本的关键研究领域。研究揭示了原料选择、脱水技术与产品升级之间的设计权衡，为AtJ部署提供了可操作的技术选择与过程优化依据。

本论文由 Farai Chireshe、Abdul M. Petersen 与 Johann F. G?rgens 完成，发表于《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》，聚焦于集成甘蔗生物炼制体系下的酒精制喷气燃料（Alcohol-to-Jet, AtJ）路径比较技术经济分析。当前全球航空业脱碳需求迫切，可持续航空燃料（SAF）被视为关键减排途径，但现有主流路线——加氢酯和脂肪酸（HEFA）受限于原料供应及可持续性争议，替代路线亟待开发。AtJ 因兼容现有醇类生产基础设施与多元原料而备受关注，但在工艺集成、成本控制及燃料规格适配方面仍存在显著缺口，尤其是缺乏对商业化脱水技术与芳烃增强路线的系统评估。

研究人员在南非斯坦陵布什大学构建了区域甘蔗生物炼制网络模型，设定年处理乙醇30吨/小时、年产SAF约10万吨的工业规模基准，涵盖六类工艺配置：两种乙醇脱水技术（低压 Atol? 与高压 Hummingbird?）、混合醇（C₄₊醇）路径、乙醇/混合醇共进料路径，以及含芳烃合成的升级路线。所有方案均实现能源自给，氢气由部分乙醇蒸汽重整或工艺尾气制取，电力来自糖厂热电联产及废气发电。

关键技术方法

研究采用 Aspen Plus? 流程模拟，结合非随机双液（NRTL）与 Peng-Robinson 状态方程进行物性计算，涵盖脱水、齐聚、加氢与分馏全链条。经济评估基于详细资本支出（CAPEX）与运营支出（OPEX）模型，以最低航空燃料售价（MAFSP）为核心指标，并开展敏感性分析。

结果与讨论

3.1 技术结果

各方案液体燃料产率为0.42–0.47?吨/吨乙醇，低于文献值，原因是部分原料被转用于氢气与能源供给以实现能源自给。含水乙醇方案因分离负荷增加导致蒸汽需求上升，需额外燃烧2%乙醇发电，燃料产率略降，但与无水方案MAFSP相近。高压 Hummingbird? 脱水虽热耗更高，但因乙烯压缩功大幅减少，净电耗更低并可对外输出电力，综合能效优于低压 Atol?。混合醇路径因 Guerbet 偶联能耗高、重质烃选择性提升，喷气燃料产率下降，但可减少制冷与压缩设备投资。芳烃增强方案将部分C₈组分转化为烷基苯，虽降低喷气燃料产率，但显著提升芳烃含量至合规水平，满足ASTM D1655标准。研究同时指出，若将所有C₈归入煤油，掺混比例需限制在10%以内以避免闪点等质量问题。

3.2 经济性能

MAFSP范围为3.63–4.15?US/L，其中HummingbirdR?方案最低（3.63?US/L），得益于较低CAPEX与较高燃料产率。脱水工段占CAPEX的38–40%，是投资最集中的环节。混合醇路径虽节省制冷与压缩投资，但 Guerbet 偶联装置成本抵消了该优势，其经济性取决于上游醇生产成本能否降至约1.30?US/L。芳烃增强方案CAPEX最高，但可生产无需掺混的合规燃料，在特定市场具备溢价潜力。能源自给策略提升了设备投资与环境效益，但牺牲了部分燃料产率。敏感性分析显示，乙醇原料价格对MAFSP影响最大，若降至0.55?US/L，可与HEFA路线竞争；改用废气制氢可降低MAFSP约5%。

3.3 敏感性分析

除乙醇价格外，贴现率变化对MAFSP影响有限（10%时3.23?US/L，30/L）。设备投资波动对成本影响较小，进一步验证原料成本控制的优先级。

结论

研究表明，高压 Hummingbird? 脱水为最优技术选择；C₈组分合理利用可显著降低MAFSP，但需配合芳烃合成以满足燃料规格；混合醇路径尚不具备经济竞争力，需突破上游生产成本瓶颈；能源自给与废气制氢是重要的降本增效策略。本研究为甘蔗生物炼制体系下AtJ工艺的工业化选型与优化提供了定量决策依据。