在全球可持续发展和碳中和目标的驱动下，化工行业正积极寻求替代化石原料的绿色路径。乙烯作为最重要的有机化工原料，年产量超过1.3亿吨，其传统生产方式——烃类蒸汽裂解——不仅能耗巨大，还贡献了显著的工业温室气体排放。开发基于可再生资源的乙烯制备技术，尤其是利用生物质转化路线，已成为实现化工低碳转型的关键突破口。然而，生物质路径是否具备经济可行性？不同原料和技术路线之间如何权衡？这些问题亟待系统性的技术经济分析来回答。
近期发表于《Biomass and Bioenergy》的一项研究，由西班牙塞维利亚大学工程学院的José Caraballo-Bello等人完成，对四种不同的生物质制乙烯路径开展了深入的技术经济比较。研究团队设定了年产11.7万吨乙烯的工业规模基准，以乙醇为统一的中间平台化合物，全面评估了糖基（甘蔗）、淀粉基（玉米等谷物）、生化法（玉米秸秆、麦秆等木质纤维素）和热化学法（同类木质纤维素）四条路径的经济表现。该研究的创新之处在于覆盖了从生物质到乙醇再到乙烯的完整产业链，并特别关注了尚在开发中的第二代技术的不同成熟度情景。
研究采用了多方法融合的技术路线。首先，基于Excel和Aspen Plus®建立了完整的物料与能量平衡模型，其中乙醇脱水制乙烯环节采用四台绝热固定床反应器串联，操作条件为450°C和11 bar，使用MgO-Al2 O3 /SiO2 基商用催化剂，乙烯选择性高达99.8%。产物经压缩、碱洗、分子筛干燥和低温蒸馏等步骤提纯至聚合物级纯度（99.95 mol%）。经济评估方面，研究采用缩放法估算总投资（CapEx），并基于净现值（NPV）和最低乙烯售价（MESP）两大核心指标判断项目可行性。分析考虑了20年项目周期、10%贴现率、2.5%年通胀率以及25%税率等参数，并对生物质采购成本、乙烯市场价格等关键变量进行了敏感性分析。
3. 结果
3.1. 各路径经济性对比
在所有情景中，没有一条路径在当前假设下初始即具备经济可行性（NPV均为负值）。然而，糖基路径表现最佳，其NPV为-1.73亿欧元，MESP为1265欧元/吨乙烯，最接近当前化石乙烯的市场价格（1073欧元/吨）。淀粉基和生化法路径次之，而热化学路径的经济性最差，其NPV低至-16.19亿欧元（杨木中心案例），MESP高达2606欧元/吨。研究指出，糖基路径的优越性源于甘蔗原料成本低廉（干基低于22欧元/吨）及其技术成熟度高。
3.2. 收入分析
收入构成分析显示，乙烯销售收入占总收入的73%至97%。第一代路径（糖基、淀粉基）因配备热电联产（CHP）系统，通过出售剩余电力可获得1740-1850万欧元/年的额外收入。淀粉基路径还受益于干酒糟及其可溶物（DDGS）的销售，热化学路径则得益于副产丙醇，这些副产品显著提升了总收入。相比之下，生化路径的收入最低，主要因其剩余电力产出有限。
3.3. 成本分析
成本分解表明，原料成本是运营成本（OpEx）的主要部分，尤其在淀粉基路径中占比超过50%。总投资成本（CapEx）方面，淀粉基路径（含CHP）最低，为4.23亿欧元；糖基路径为6.05亿欧元；而生化法和热化学法等第二代路径因技术复杂度和成熟度低，投资成本较高，分别达到7.82亿和10.84亿欧元。敏感性分析强调，生物质采购成本和乙烯市场价格是影响项目经济性的最敏感因素。例如，甘蔗价格降低50%可使糖基路径的NPV转为正值（7600万欧元）；而玉米价格同样降低50%时，淀粉基路径的NPV可提升至-8600万欧元，接近盈亏平衡。
4. 结论与讨论
本研究通过系统的技术经济分析揭示，在现有技术和市场条件下，生物质制乙烯的经济可行性面临挑战，仅糖基路径展现出接近商业化的潜力。研究结论强调了降低原料成本（特别是对于第二代路径）和持续推进技术研发以降低投资与运营成本的重要性。生物质制乙烯作为高附加值化学品，对实现化工行业脱碳具有重要战略意义。该研究的成果为产业界和学术界的相关决策提供了量化依据，指明了未来技术发展和政策支持应关注的关键环节，有力地支持了向循环碳经济和可持续化学制造的转型努力。
打赏
