文章信息
生物质油与蜡油在FCC装置中共炼产汽柴油的研究进展
徐维彬1,2，蒋迎花3，郑岚1,2，王玉琪1,2，吴乐1,2
1西北大学化工学院，陕西 西安 710069；2西安市绿色氢能制储用一体化技术重点实验室，陕西 西安 710069；3广西大学广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，广西 南宁 530004
引用本文
徐维彬, 蒋迎花, 郑岚, 等. 生物质油与蜡油在FCC装置中共炼产汽柴油的研究进展[J]. 化工进展, 2024, 43(10): 5415-5426.
DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1501
摘要
将农林废弃物、藻类等生物质原料通过热化学转化和加氢裂化后可以制成生物汽柴油产品，因其具有可持续性和可再生性，可部分代替化石燃料。生物炼厂所得汽柴油产品的生产成本较高，如何降低其生产成本仍是目前研究的热点问题。由于生物炼厂和传统炼厂均具有裂化和加氢装置且生物质油与蜡油理化性质相似，因此可考虑将生物质油与蜡油在流化床催化裂化（FCC）装置中共同炼制。本文围绕共炼过程的研究和相关的模拟研究，介绍了共炼过程、生物质的来源、生物油的制备方法、共炼机理，总结了共炼比例的影响、其技术放大现状以及生物质油氧含量对产品的影响，结合模拟研究，对其过程优化与评价作了说明，最后对存在的问题及未来的发展作了讨论。由此可知，共炼技术是一项具备技术可行性和经济可行性的绿色技术。
随着社会的发展，对于传统化石能源的消费日益增长，由此导致了化石能源短缺、温室效应、酸雨等一系列的问题。为实现社会的可持续性发展，开发可再生燃料受到了人们越来越多的关注。生物质作为唯一可再生的碳源，可转化为气体、液体和固体产品，可部分或全部代替传统化石能源，从而有效解决资源短缺和环境污染问题。并且生物质总量丰富，据统计，每年从农林业产生的生物质废物约为1.4×1011t，传统的处理方式如焚烧，会造成严重的环境污染，将其作为生产可再生能源的原料，既能解决生产原料供应量的问题，又能减轻生物质废弃物的管理负担。
目前生物质转化技术主要有物理转化技术、生物转化技术、热化学转化技术等。物理转化技术主要是通过压缩将生物质转化为能量密度更大的固体燃料；生物转化技术主要通过微生物将生物质分解成乙醇、沼气等用于燃烧或发电；热化学转化技术是通过加热过程和化学反应过程的配合，将生物质转化为高附加值的气体、液体和固体燃料，是目前生物质转化的主流技术。
由于生物质原料价格相对于原油价格略高，并且生物炼厂投资费用较高，以及生物基汽柴油仅为石油基汽柴油的某些馏分，需进一步对产品进行调和，致使生物基汽柴油的价格高于石油基汽柴油的价格。因此，如何在满足国家对生物燃料要求标准的同时降低生物基汽柴油的生产成本，仍是目前研究的热点问题。
1
共炼简介及特点
由于生物炼厂和原油炼油厂均含有流化床催化裂化（fluid catalytic cracking, FCC）装置和催化加氢装置，且蜡油（vacuum gas oil, VGO）和生物质油（bio-oil）具有类似的馏程和黏度，因此考虑将生物油和蜡油在FCC装置中共同炼制（简称共炼），生产含有生物炭的汽柴油产品。生产过程中，可利用原油炼厂的现有基础设施，大幅度降低生物炼厂的投资成本，共炼所得产品油还可直接利用原油炼厂所具有的调和工艺与设备进行调和，满足国家对生物燃料要求的同时，还能省去产品油调和过程中的运输成本，产品油可利用原油炼厂中成熟的分销系统，解决其分销问题。因此将生物质油与VGO共炼是降低生物质油生产成本的有效途径。生物质油和VGO的特性如表1所示。
表1 生物质油和VGO的特性
将符合共炼需求的生物质油与VGO按一定比例混合后，投入FCC装置中进行共炼，获得的汽柴油产品进入后续的加氢处理（HDT）装置中进行进一步精炼，除去硫、氮、氧等杂质，最终获得符合国家标准的汽柴油产品，其流程如图1所示。
图1 共炼过程流程图
2
生物质油原料来源及其制备方法
2.1
生物质油原料来源
制取生物质油的生物质原料种类很多，大体可分为植物类（农作物秸秆、草、木材、藻类等）和非植物类（动物排泄物及其尸体、废弃油脂、垃圾等），目前生物质油的生产研究中以植物类原料为主，其大致又可分为木质生物质和藻类生物质，下面将分别进行简略介绍。
2.1.1 木质生物质
以木材及其剩余物、农作物秸秆、各种草类为代表，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其热解产物以吡喃环的开环与环内C—C键的断裂重整形成羟基乙醛、糠醛及其他小分子化合物，呋喃和呋喃衍生物、呋喃糖和吡喃糖开环生成轻质含氧有机物以及含有大量的带有各种官能团的芳香族化合物为主，造成木质生物质油含氧量高、酸度较高、热值较低，影响后续的共炼操作，因此对其进行加氢脱氧处理或采用催化热解的方式对热解产物进行调控，最终获得杂质含量低且热值高的生物质油，以便进行共炼过程。
2.1.2 藻类生物质
以各种藻类为代表，主要由纤维素、半纤维素、木质素、果胶、蛋白质、脂类等组成，其热解产物以酸类、醛类、酮类、酯类、醚类、芳香烃、吡啶、吲哚等含氮化合物以及烷烃、烯烃等为主，由于组成中的蛋白质和藻类生物质热解油中含氧、含氮率较高，并且含水率较高，热值较低，影响后续共炼操作。与木制生物油相似，需对其进行升级处理或在热解过程中进行调控，使其更适合后续共炼操作的需求。
2.2
生物油制备方法
生物油制备方法有快速热解、催化热解、水热液化、超临界萃取、微生物法等，其中应用最多的是快速热解、催化热解和水热液化。
2.2.1 快速热解
快速热解，是将生物质原料先进行粉碎干燥，以脱出部分水，后与热砂混合送入热解反应器，原料经快速热解后获得生物气、生物质油和生物炭产品，经分离后获得粗生物油产品。与石油相比，粗快速热解生物质油含氧量较高，且极不稳定，加热后易聚变形成焦炭，并且其具有较高的含水量，当含水量达到一定程度时，便会发生相分离，影响后续的输送以及共炼操作。由于粗快速热解生物质油的高含氧量和含水量，导致其热值较低，需要进一步优化升级处理，脱出多余的氧和水，得到高品质的生物油，以满足过程需求。
2.2.2 快速热解油加氢
粗制生物质油提质升级的方法主要有酯化、蒸汽重整、超临界萃取、加氢脱氧等，其中加氢脱氧是粗制生物质油提质升级的主要途径。其主要过程是，粗制快速热解生物质油经加压，与高压氢气混合后，一同被送入加氢脱氧反应器中，对快速热解生物质油进行加氢脱氧处理，反应产物经分离后获得热值较高、含水量较低的加氢脱氧生物质油（hydrodeoxygenation bio-oil, HDO oil）和生物气产品。
2.2.3 催化热解
催化热解的生产过程与快速热解相似，将生物质原料先进行粉碎干燥，以脱出部分的水，后直接送入催化热解反应器进行催化热解，由于引入了催化剂，装置相比于快速热解增加了催化剂再生设备，以实现催化剂的循环利用，所得催化热解油产品具有较高的热值和较低的含水率，无需进行优化处理便可直接与VGO进行共炼。
2.2.4 水热液化
水热液化是指在一定温度压力下，利用水等物质为溶剂，利用热化学方法将生物质中的有机物转移至液相中，若以水为溶剂，水热液化通常发生在280~370℃与10~22MPa的亚临界区域内。生物质在进行水热液化前，通常要进行预处理，利用酸、碱、超声波等物理化学方式，改变原料的成分和物理结构，以满足水热液化的需要，从而提高出油率，水热液化油与快速热解油相比，拥有更低的含氧量，主要原因是生物质在热解的过程中，生物质内部会发生C—O键的断裂，可以脱去生物质原料中80%的含氧量。但其产品仍存在热值较低的问题，无法直接与VGO共炼，需在热解过程中进行调控或对产品进行升级处理，以满足共炼过程的需求。不同生物油制备方法的对比如表2所示。
表2 生物油制备方法对比
3
共炼过程
3.1
共炼过程机理
由于共炼过程中向VGO中引入了生物油，使得其催化裂化过程的反应机理相比纯VGO的反应机理更为复杂。由相关研究表明，HDO oil与VGO具有相似的碳氢比，主要区别在于生物油的含氧性，而催化裂化过程的催化剂作用下，氧可通过式(1)的简单反应途径以CO、CO2或H2O的形式脱出，这一定程度上也反映了共炼过程产生焦炭的原因。
为获得更为具体的共炼过程反应机理，Fogassy等设计了一系列的实验，包括：①纯VGO的炼制，②质量分数20%的HDO oil与80%的VGO的共炼，③纯VGO的炼制。实验③的设置是为了共炼对催化剂稳定性的影响，测定了不同转化率下产品干气、液化石油气、汽油、轻质循环油、底部馏分、焦炭的质量分数，绘制了共炼情况下的液相产物挥发部分的等高线图，根据实验结果得到，①与③的产物无明显区别，表明在一个共炼周期中，可以忽略催化剂的影响。与纯VGO的炼制相比，共炼会产生更多的干气和更少的液化石油气，而汽油、轻质循环油、底部馏分与纯VGO的炼制相当。
结合液相产物挥发部分的等高线图以及相同转化率下纯VGO的炼制与共炼的产物差异，Fogassy等总结出了催化裂化过程的机理是由许多反应组成的反应网络，图2与图3分别展示了碳氢化合物和HDO oil含氧化合物在催化剂酸性位点上裂化的简化反应机理。
图2 碳氢化合物的催化裂化
图3 HDO oil含氧化合物的催化裂化
碳氢化合物的催化裂化过程主要包括裂化、产氢反应、耗氢反应和通过C—C键的形成以产生更大的分子（如Diels-Alder反应）；对于HDO oil含氧化合物的催化裂化过程，Corma等将上述生成CO、CO2和H2O的反应扩展到含氧机化合物的裂化过程。通过β-裂化的方式，使C—C键和C—O键断裂，在酸性位点上，C—C键和C—O键的断裂具有竞争性，对于饱和的化合物，脱羧和脱炭反应比C—C键裂化反应进行得更快，反应产生的含氧化合物以CO和CO2为主；对于不饱和的化合物，C—C键的断裂比C—O键的断裂进行得更快，因此氧元素不能完全转化为CO和CO2，最终以小分子含氧化合物的形式出现在产品中。
除上述所描述的反应机理外，HDO oil含氧化合物的转化方式主要以耗氢反应的方式进行，其中还包括一些小的产氢反应，其中最主要的耗氢反应是水的生产和氢化反应，氢来源主要是进料；对于产氢反应，其产物为CO和CO2，此外，从碳氢化合物中消除氢可产生更多的芳香族化合物，如果继续从芳香族化合物中消除氢，就会形成多芳香族成分，促进焦炭的形成。这是焦炭形成的一个原因，除了通过催化途径外，部分焦炭来自于热过程中自由基的形成，自由基不能进入催化剂孔隙，沉积在催化剂外表面，焦炭的形成会堵塞催化剂孔道和酸性位点，影响催化剂扩散性能和酸性位点浓度，最终影响催化裂化过程的效率。
3.2
共炼比例的影响
共炼比例是指生物油和蜡油混合后进入FCC装置时生物质油所占的比例，是影响共炼过程的一个重要因素，其大小直接关系到共炼产品的质量和成本。对于快速热解油与VGO的共炼，Pinho等将快速热解油与VGO在FCC装置中共炼，得到汽油和柴油产品。从结果来看，当共处理比例小于10%（质量分数）时，对产品收率不会产生影响，但比例不应超过20%（质量分数），以减少焦炭产量。Huynh等将质量分数20%的加氢脱氧生物油（HDO oil）与80%的VGO在FCC装置中共炼。发现汽油和柴油的产品产量与纯VGO裂化时的产品产量相似。对于催化热解油，相比快速热解油而言，其拥有更高的热值和更低的含氧量，可不经过加氢过程直接与VGO共炼，Wang等将质量分数10%的催化热解油与90%的VGO在FCC装置中共炼，得到产品汽柴油的产量并未受到影响，通过14C检测发现，汽油产品中有7%碳来自催化热解油。Sauvanaud等对比了快速热解油、加氢脱氧后的快速热解油和催化热解油与VGO在FCC装置中共炼的区别。结果表明，在与VGO共炼时，生物油所占比例应小于20%（质量分数），否则焦炭将大幅增加；其中，快速热解油与VGO共炼后的液体产品收率最低；而加氢脱氧后的快速热解油和催化热解油与VGO共炼后，产品收率与纯VGO相比差别较小。因此，在催化热解油进料比例小于20%（质量分数）的情况下，可直接与VGO进行共炼，且不会对产品造成影响。
3.3
共炼过程的放大
国外许多炼油厂已经对生物油与VGO的共炼进行了中试级别的规模化实验。Manara等在DCR（davison circulating riser）装置中进行了共炼实验，结果发现，在使用化学性质与石油相似的HDO oil时，产量无太大变化，相比于纯VGO的裂化，共炼产品中会出现更多的轻质循环油和柴油以及更少的汽油；Pinho等先后在巴西的Petrobras SIX试点工厂分别进行了规模为150kg/h和200kg/h的VGO与粗制松木快速热解油的共炼实验，以证明共炼过程的技术可行性与经济可行性，结果表明，当共炼比例小于10%时，共处理的产品产量和产品质量都与纯VGO裂化时相似；当共炼比例大于10%小于20%时，汽油产量明显下降，且CI值明显下降，焦炭的产量明显增加。截至2019年，美国环球石油产品公司已经完成了四次规模化的FCC共炼试验和美国EPA第79部分燃料注册，并且随着越来越多的法规认可，在大多数商业操作中，在原料中掺杂1%~3%（体积分数）的生物原油已被允许。图4为中试规模FCC实验装置图。部分共炼结果如表3所示。
图4 中试规模FCC实验装置
表3 部分共炼研究结果
3.4
生物质油氧含量对共炼产品的影响
生物质油中的氧杂质对共炼过程有着深远的影响，最直接的体现就在于高含氧量的生物质油在与VGO共炼后，所得的产品与纯VGO催化裂化相比，通常会出现更多的轻质循环油、CO2、CO，以及更少的重质循环油、油浆油产品，但在部分文献中，出现了相反的趋势。由于部分氧杂质的脱除发生在FCC装置中，生成的气体产品包括CO、CO2和H2O等使得共炼产品总热值相较于纯VGO的催化裂化来说更低。在估算产品的元素组成时，由于实验过程中使用的汽提塔等设备会引入新的水蒸气，在估算元素时会造成了一些偏差，以致其产品组成比例之和可能不为100%。具体生物油氧含量对共炼产品的影响如表4所示。
表4 不同氧含量生物油进料对共炼产品的影响
4
共炼过程的模拟优化与评价
4.1
模拟过程设计
过程模拟在预测工艺效果、获得最佳操作条件、经济分析等方面起着重要作用。为获得共炼过程中最佳的生物质原料以及最佳的生物油生产过程，Wu等提出了一个优化模型，以系统年度总成本（TAC）最小为目标，考虑到的生物质原料包括纸浆木（pulpwood）、伐木剩余物（logging residue）、玉米秸秆（corn stalk）和柳枝稷（switch grass），生物油生产方法包括快速热解和催化热解，由优化得到最佳的生物质原料为纸浆木（pulpwood），最佳的生物油生产过程为快速热解；在生产过程中，企业不仅要考虑经济效益，还要考虑对环境的影响，为了解共炼过程各种参数对工艺经济性和环保性的影响，Wu等提出了多目标优化模型，以系统年度总成本（TAC）和环境总影响（TEI）为目标，确定最佳的生物质原料和生物油生产技术，其优化框架如图5所示。对于共炼系统的环境影响，采用Eco-indicator 99将系统中各个参数对环境的影响量化为CO2的排放量；对于年度总成本，该模型整合了所有原料（VGO、生物质和催化剂）、公用工程（水、电、氢气、蒸汽和燃料气）、产品（汽柴油和天然气）的价格对总成本的影响，由于随着TAC的增加，对应的TEI不断减小，因此还额外计算出了折中的方案，以平衡TAC和TEI影响。
图5 优化框架图
4.2
操作过程优化
在共炼过程中，由于原料VGO中含硫量较高，而生物油中含氧量较高，因此需在HDT装置中进行杂质脱出，以生产符合国家规定的汽柴油产品。然而，不同杂质的脱出难度不同并且脱硫与脱氧之间存在着竞争，致使杂质脱除成为共炼过程优化时的主要挑战。为解决上述问题，Wu等提出了一个优化模型，通过耦合加氢脱硫脱氧脱氮动力学协调共炼过程的脱硫脱氧脱氮，进而优化过程的操作条件，在脱除杂质的同时，降低过程的操作成本。动力学方程如式(2)~式(5)所示。
式中，ksi表示第i个加氢装置脱硫反应的反应动力学常数，h-1；pH2i表示氢分压，MPa；αsi表示第i个加氢装置脱硫反应的压力依赖项；LHSVi表示第i个加氢装置的体积空速，h-1；PiR表示反应压力，MPa；yiCH表示循环氢的体积分数，%。
现以具体案例为例，对操作优化过程及其结果进行说明，以年产量120万吨的FCC装置为基础，共炼比例为10%，所使用的生物质油为快速热解油，考虑到的操作条件主要为各个HDT装置中的温度和压力，在最佳优化结果下，VGO和快速热解油的HDT装置的温度均比原始操作条件高，而压力均比原始操作条件低。相反，对于汽油和柴油的HDT装置，其温度均比原始操作条件低而压力均比原始操作条件高，此操作条件的优化方向与Wu等的研究相吻合，即通过增加温度降低压力或增加压力降低温度的方式亦可确保杂质的去除率。对于总成本方面，仅考虑优化操作条件，不整合动力学模型，其成本为原始条件下的96.2%，而整合动力学模型优化操作条件后，其成本仅为原始条件下的93.3%，可见整合动力学模型后，可进一步降低成本，对操作优化过程具有重要意义。
4.3
分析与评价
4.3.1 技术经济分析
技术经济分析是评价项目技术和经济可行性的一种有效的工具，Wu等对生物油与VGO的共炼的全过程进行了技术经济分析，来评价共炼过程的经济可行性，以获得最低汽油产品的最低售价及最佳的生物油生产技术。在原料选择时，选取了前文模拟过程设计中追求最小TAC方案中所提到的纸浆木（pulpwood）为原料；考虑到的生物油制取方式为快速热解和催化热解，且生物油生产过程考虑其全部的投资成本以及其运营成本，而后续共炼过程由于是使用现有油厂中的设备，因此仅考虑其运行成本，具体设备成本可根据有关公式计算，具体运营成本可根据计算和相关资料获得，在此不作详细说明。根据技术经济分析结果表明，若采取单独建立生物炼厂的方式，所需资本成本应明显高于运行成本，在快速热解方案下，所得汽油最低价格为每加仑2.63USD，而催化热解方案下仅为2.60USD，共炼所得汽油最低价格接近汽油的市场价格，如果采取单独建立生物炼厂，快速热解方案下汽油最低价格为每加仑3.91USD，催化热解情况下为3.88USD，每加仑汽油比共炼情况下所得汽油高1.28USD，由此可以看出，在利用炼油厂现有基础设施进行共炼时，所需总投资成本将大幅度降低，从而降低成品汽柴油的价格，使其完全能与石油衍生的汽柴油产品竞争，具有较强的经济可行性。
4.3.2 全生命周期评价
全生命周期评价被广泛地应用于评价生物燃料和生物产品对环境造成的负担，从而对其可持续性进行分析，主要侧重于温室气体的排放，也会考虑水的消耗、空气污染物排放等其他因素，考虑的过程包括生物质原料的生产、原料的运输储存、生物质的转化、产品的运输分配以及产品的最终命运。生物质原料的生产过程可能是五个过程中最复杂的阶段，由于涉及复杂的农业活动过程以及不同区域土地的不同，且不同生物质原料对土地的影响也存在差异，导致了对该过程生命周期评价困难；原料运输储存、产品的运输分配阶段，其全生命周期评价主要是原料场地与仓库或炼厂之间、炼厂与销售地之间，生物质原料和商品运输等带来的环境影响，主要影响因素是地点之间的距离和运送所用的交通工具等；生物质的转化阶段，全生命周期评价应考虑各种设备、工艺、公用工程等带来的环境影响；产品的最终命运，被燃烧或是制作成难降解的生物质产品，被燃烧的生物质产品，其中的生物炭重新回归大气中，而制作成难降解成品的生物质，可视作将生物炭固定了下来，但又产生了固体废料，便不能简单地用温室气体的排放量对其生命周期进行评价，由于其不同的生命周期时长，导致了产品生命周期评价的复杂性。由上述几点可以看出任何生物质产品都有着深远的环境影响。
以模拟过程设计中多目标优化设计中的案例，对生命周期评价结果进行简要说明。由于在模拟过程设计中，已采用相关方法对共炼过程的环境影响作量化处理，将所有影响因素均量化为温室气体的排放量，当FCC装置年产量为100万吨、共炼比例为10%时，生产过程对环境影响最大的是VGO，为1.64×108point/a（point/a表示平均每年每人承受环境负荷的千分之一），占比为48.5%，其次是产品汽油，为9.1×107point/a，占比为26.9%；当FCC装置年产量为60万吨，共炼比例为5%时，生产过程影响最大的仍然是VGO，为1.04×108point/a，占比为52.1%，其次为产品汽油，为5.46×107point/a，占比为27.3%；可见由于VGO的不可再生性，且共炼过程中消耗量大，使得其造成环境影响占比最大；根据不同共炼比例VGO的影响占比可看出，共炼比例越高，VGO的影响占比越低，可通过降低VGO的使用，即提高共炼比例的方式，以减少共炼过程对环境的影响。
5
存在的问题
5.1
生物油成分的不确定性
生物油的组成直接影响到了共炼原料的稳定性，从而影响到共炼所得汽柴油产品的质量，但用于生产生物质油的生物质原料主要含有纤维素、半纤维素、木质素、糖类等，由于种类不同导致在具体化学组成上有所差别，经相同条件热解后获得的生物质油组成也不同，且同种生物质原料在不同热解温度下所得的生物质油组成亦有不同。且根据相关实验表明，相对低温情况下，热解由较多的大分子产物生成，随着温度的上升，所得小分子产物的比例将上升，主要原因是高温使大分子产物二次热解形成较小分子的产物，但整体组成仍有较大的不确定性。因此对于生物质类型及其转化过程对热解生物质油的影响方面，存在着较大的研究空白，若能探索出不同生物质热解所得的生物质油的变化规律，或是能研发出产物稳定且普遍通用的生物质热解工艺流程，将极大地推进生物质利用的发展。
5.2
加氢脱氧催化剂
粗制快速热解油由于其含氧量和含水量较高，需进行加氢脱氧处理，在加氢脱氧过程中，需使用到相关的催化剂。传统的催化剂如硫化物、碳化物、氮化物等，价格较为便宜且应用广泛，但其反应条件苛刻，且在催化加氢过程中硫、碳、氮等易被生物质油中的氧所取代，一方面会导致生物质油产品的污染，另一方面相关元素被取代会导致催化剂结构的损坏从而使催化剂失活；贵金属催化剂如含有钯、铑、铂等贵金属催化剂，具有良好的催化性能，但由于其价格昂贵，难以实现大规模的工业化应用。催化剂中的活性金属高度分散，暴露在空气中易氧化导致其热稳定性差，从而影响催化性能，将其负载到一定载体上可解决这一问题，载体在负载型加氢脱氧催化剂中起着重要作用，能有效分散金属组分以增强其稳定性，通过对载体酸度调节以调节产物的产率与选择性等。因此研究高催化活性的非贵金属催化剂，特别是负载型加氢脱氧催化剂，以代替贵金属催化剂，将会是未来生物油加氢脱氧工业催化剂的发展趋势。
5.3
生物炭测定的准确性
共炼产品中的生物炭含量是评价共炼过程优劣的重要指标，因此需要准确的方法来测量共炼产品中的生物炭含量，目前已知的方法有14C同位素分析法、同位素比值法（13C/12C）、质量平衡法等，但上述方法均无法准确测量出共炼产品中的生物炭含量，且缺乏实际应用实例，因此开发能够准确测定共炼产品中的生物炭含量的技术，并将其推广至大规模工业化应用，将有助于完善共炼过程的评价体系，从而促进共炼行业的发展。
5.4
我国生物质资源发展
我国生物质总量丰富，就农作物秸秆产量每年近7亿吨，但总体利用率不高，且主要利用的方法仍为直接燃烧，其能量利用率较低。且与世界其他国家相比，我国生物质能相关行业规模仍有较大差距，如燃料乙醇行业规模仅为巴西的10%，生物柴油产量仅为德国的30%。目前，我国目前生物质能占总体能源消耗的比重较少，能源消耗依然以煤炭为主，与当下能源转型的迫切性和“双碳”目标不匹配。我国生物质能源的发展还存在着以下问题：首先是机械化程度不高，由于我国特殊的地形地貌和农林业专业机器发展起步较晚，造成我国农林业机械化水平较低，不利于减轻劳动强度和提高工作效率，且在广大农村中缺少相应的大型自动化设备，导致生物质原料收集上的困难；其次是原料市场及产品市场风险大，生物质原料的收集、运输、储存系统未健全，导致相关过程造成的额外成本较高，原料价格不可控且波动性大，产品市场竞争力不及煤炭、石油产品，企业收益不乐观；最后是缺少相关的政策，生物质产品竞争力弱，因此需要相应的政策扶持，以促进生物质行业的发展。
6
结语
为实现2030碳达峰、2060碳中和的宏伟目标，我国的能源结构必将进行调整，未来能源消费也将不断缩减，其能源使用也将更为清洁高效。生物质作为唯一可再生的碳源，与传统化石能源相比，具有可再生性、清洁性等优势，共炼技术可将生物质油直接引入汽柴油的生产过程，降低生物质汽柴油生产成本的同时解决了农林废弃物的消纳问题；对共炼过程的研究结果表明，通过共炼技术，可以实现化石能源的部分代替，同时可将生物炭引入到汽柴油产品中，目前已具有一定规模的中试实验和相关法案的支持，具备较强的技术可行性；对共炼过程的模拟优化研究结果表明，共炼产品的汽柴油价格完全可以与原油炼制所得汽柴油产品竞争，且能减少不可再生资源消耗带来的环境影响，具备较强经济可行性且对环境友好，对促进我国生物质能利用的发展、实现“双碳计划”都有着重要意义。
在今后的研究中，应着重探索以下方面。首先是共炼技术的进一步放大与推广。目前已实现中试规模的小批量生产，之后便可在试点的进行量产，同时向生物质资源丰富的地区推广共炼技术，生产清洁燃料的同时实现生物质资源消纳。其次是生物质热解技术以及相关生物油加氢催化剂的完善与开发，生物质转化过程对生物油的质量有着较大的影响，探索开发新型生物质热解技术，以获得稳定的生物油产品，或是继续完善现有的热解技术，如采取变温热解或是对原材料进行前化学处理的方式，以获得更稳定的生物油产品，而催化剂方面，应致力于开发高催化活性高选择性的非贵金属催化剂，以降低生物油的升级成本。最后是完善共炼过程的评价指标，目前仅有生物炭含量这一指标，可拓展至生产单位质量产品所消耗的生物质量，或是生产单位质量商品造成的环境影响量等，从产品、原料、环境影响、经济效益等多方位多角度地评价共炼过程。
作者简介
第一作者：徐维彬，硕士研究生，从事过程模拟与优化研究。
通信作者：吴乐，副教授，硕士生导师，从事过程模拟与优化研究。
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