李曉彤，王樹雷，李輝，郭江飛

（北京航空工程技術(shù)研究中心，北京 100076）

1 航空業(yè)碳排放情況分析

全球氣候變化是人類迄今面臨的最重大環(huán)境問題，也是21世紀(jì)人類面臨的最復(fù)雜挑戰(zhàn)之一。據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計年鑒》，2000―2019年，全球二氧化碳排放量增加了40%，2019年高達343.6億噸，嚴峻的減排形勢使得未來全球各國溫室氣體可排放空間越來越小。中國作為發(fā)展中國家承諾將在2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年實現(xiàn)碳中和。受到新冠疫情影響，2020年全球總體能源消耗（以石油當(dāng)量計）同比下降4.5%，但可再生能源的消費量和占比穩(wěn)步上升，能源低碳化、去碳化的趨勢持續(xù)加強[1]。具體見圖1。

圖1 2020年全球能源消費結(jié)構(gòu)比例

航空業(yè)是經(jīng)濟社會中一個快速增長的行業(yè)。在全球氣候變化的大背景下，航空業(yè)因使用化石燃料成為高空溫室氣體排放的主要來源。過去50年航空業(yè)CO2排放量約占全球總排放量2%，其中國際航空產(chǎn)生的排放占1.2%。2010年國際航空消耗約1.42億噸燃油，產(chǎn)生約4.48億噸CO2排放量。2019年國際航空業(yè)的CO2排放量超過了6億噸。新冠肺炎疫情的爆發(fā)使2020年航空業(yè)的碳排放量減少到了2.8億噸，但是2015至2050年整個行業(yè)的碳排放量預(yù)計將增加177%[2，3]。

國際民航組織設(shè)定“國際航空碳中和增長”戰(zhàn)略（CNG2020），并制定一攬子氣候行動計劃，包括國際航空碳抵消和減排計劃（CORSIA）、空中航行效率提升、技術(shù)和運營基礎(chǔ)設(shè)施改進和長期使用環(huán)境友好的可持續(xù)航空燃料油等。CORSIA主要是通過投資其他碳減排項目以中和在特定的旅程中飛機的碳排放量，現(xiàn)階段以購買“排放單位”為主，只要求抵消排放量的增長，不是實際意義上的減排；空中航行效率提升、技術(shù)和運營基礎(chǔ)設(shè)施改進重點在于提高能源利用效率，推進有效燃油管理、推行電動滑行技術(shù)及機場太陽能供電技術(shù)等，對于航空業(yè)整體減排的貢獻有限；可持續(xù)航空燃料油如生物噴氣燃料可降低全生命周期碳排放，且技術(shù)較為成熟，來源豐富。民航飛機的特點及現(xiàn)階段的技術(shù)水平?jīng)Q定了氫能、電能、核能等在短期內(nèi)無法在民航業(yè)運用與普及，而生物噴氣燃料作為調(diào)合組分添加到傳統(tǒng)燃料中，無需改變現(xiàn)有的飛機引擎及燃料系統(tǒng)，是在航空業(yè)能源低碳轉(zhuǎn)型過渡期的最優(yōu)選擇。

2 生物噴氣燃料現(xiàn)狀

2.1 生物噴氣燃料生產(chǎn)情況

2.1.1 工藝路線

生物噴氣燃料的生產(chǎn)來源豐富、工藝路線眾多。最新的生物噴氣燃料規(guī)范ASTM D7566-20a版本中包含的合成烴組分已達7種，可與傳統(tǒng)噴氣燃料調(diào)合生產(chǎn)含有合成烴組分的航空渦輪燃料。所涉及的產(chǎn)品技術(shù)路線、主要供應(yīng)商、原料、最大允許添加量和JFTOT試驗溫度如表1所示[3-5]。

表1 納入ASTM D7566規(guī)范中的調(diào)合組分的工藝路線及特性

FT-SPK（費托加氫改質(zhì)工藝生產(chǎn)的煤油組分）路線主要是將合成氣轉(zhuǎn)化為液體燃料，合成氣來源除生物質(zhì)外還有煤、天然氣等，F(xiàn)T-SPK和石油基噴氣燃料除芳烴含量外，大部分化學(xué)組成均十分相似[6]。FT-SPK中正脂肪烴含量較高，環(huán)烷烴含量一般不超過15%（w），芳烴含量和硫含量很低[7,8]。FT-SPK的優(yōu)點在于其清潔性，與傳統(tǒng)燃料相比在燃燒時排放的CO2約減少2.4%，顆粒物減少約50%～90%，SOx減少近100%。FT-SPK的最大允許添加量為50%（Φ）。

HEFA路線的原料來源多為動植物油脂，種類繁多，經(jīng)加氫脫氧、加氫脫羧、異構(gòu)化、裂化等一系列過程處理后得到HEFA-SPK（脂類和脂肪酸類加氫改質(zhì)工藝生產(chǎn)的煤油組分）。該組分中的主要雜質(zhì)為脂肪酸甲酯，含量不應(yīng)高于5 mg/kg。與FTSPK類似HEFA-SPK，芳烴含量較低，其最大添加量也為50%（Φ）[9，10]。

SIP（發(fā)酵糖類加氫改質(zhì)工藝生產(chǎn)的合成異構(gòu)烷烴）路線的原材料為糖類，來自于蔗糖、甜菜、玉米、纖維素等[11]。首先通過糖類發(fā)酵、加氫等技術(shù)生產(chǎn)法呢烯C15H24，進一步加氫后可得法呢烷[12]。SIP由于法呢烷含量高達97%，且含有一定量的六氫金合歡醇，熱安定性較差，最大允許添加量為10%（Φ）。SIP路線的優(yōu)勢在于投資較低，原料豐富，是具有經(jīng)濟性的路線[13，14]。

Sasol在FT-SPK的基礎(chǔ)上開發(fā)了FT-SPK/A（含芳烴的費托加氫改質(zhì)工藝生產(chǎn)的煤油組分），額外添加了含量不高于20%（Φ）芳烴組分，旨在解決大多數(shù)替代燃料芳烴含量過低而無法直接使用的問題[15]。Maurice等人認為確定合理的芳烴含量需要噴氣燃料的雙組分模型來預(yù)測燃料的煙點[16]，Bi等通過木質(zhì)素催化解聚、烷基化制備了C8―C15生物芳烴（ABF），并進一步加氫制備了生物環(huán)烷烴（CABF），ABF和CABF均顯示良好的冰點、黏度和凈熱值[15]；類似FT-SPK/A的高芳烴含量替代燃料理論上可直接使用，但因數(shù)據(jù)不足經(jīng)評審后目前仍僅作為調(diào)合組分納入ASTM D7566附錄，最大允許添加量為50%（Φ）。

ATJ路線目前使用糖類發(fā)酵生產(chǎn)的乙醇和異丁醇作為原料，未來C2―C5醇均有望成為ATJ路線原料。醇類經(jīng)脫水、齊聚、加氫、分餾等步驟生成烴類，但可用于噴氣燃料的烴類組分較少。Prak等人報道了GEVO公司以異丁醇為原料的ATJ-SPK（醇類來源合成煤油組分）主要由兩種支鏈烷烴組成，化學(xué)式為C16H34和C12H26[17]。Scheuermann等人還報道了含15.8%（Φ）芳烴的ATJ-SPK/A，其中芳烴來自于ATJ-SPK芳構(gòu)化[18]。

CHJ（催化熱解工藝生產(chǎn)的噴氣燃料組分）工藝是通過廢油凈化得到潔凈游離脂肪酸酯，再經(jīng)脫氧、裂解、異構(gòu)化、環(huán)化等過程后生成粗催化熱解油，再經(jīng)分餾獲得產(chǎn)品。催化熱解工藝的原料來源豐富，包括富含甘油三酸酯的大豆油、麻風(fēng)樹油、山茶油和桐油等。CHJ中的芳烴含量要求為8%～20%（Φ）（ASTM D1319法測定），且該組分所含的芳烴必須全部來自脂類和脂肪酸類的水熱轉(zhuǎn)化。CHJ組分的調(diào)合比例最高可達50%（Φ）[19]。

HC-HEFA SPK（烴類、脂類和脂肪酸類加氫改質(zhì)工藝生產(chǎn)的煤油組分）路線由日本IHI公司主導(dǎo)研究，并與Honeywell UOP公司和戴頓大學(xué)合作申請納入了ASTM D7566規(guī)范。目前HC-HEFA SPK的來源僅包括葡萄藻，經(jīng)培養(yǎng)采收、細胞干燥和油脂提取后可獲得粗海藻油，經(jīng)進一步加氫裂化、脫氧、異構(gòu)化、分餾等處理后可生產(chǎn)符合要求的噴氣燃料調(diào)合組分HC-HEFA SPK，該組分的環(huán)烷烴含量較高，與常規(guī)噴氣燃料的調(diào)合時其比例最高為10%（Φ）[20]。

此外，還有多種工藝路線待審核，部分如表2所示。生物噴氣燃料的生產(chǎn)工藝路線眾多，各路線的簡要流程如圖2所示。

圖2 生物噴氣燃料生產(chǎn)工藝簡要流程

表2 部分ASTM D4054待審批的工藝路線

2.1.2 生物噴氣燃料產(chǎn)能

近年來隨著碳中和政策和航空業(yè)減排措施的不斷推進，生物噴氣燃料行業(yè)迅速發(fā)展。2021年以來，工業(yè)規(guī)模的生物噴氣燃料生產(chǎn)項目逐漸增加，產(chǎn)能隨之不斷提高。多家公司紛紛宣布建立生物噴氣燃料項目，例如在荷蘭的Delfzijl項目，計劃產(chǎn)量為每年10萬噸；在美國，燃料乙醇和異丁醇供應(yīng)商Gevo計劃規(guī)?；a(chǎn)ATJ；BP和Fulcrum BioEnergy正在內(nèi)華達州建設(shè)一個以廢物為基礎(chǔ)的生物噴氣燃料工廠；Neste公司宣布2023年起將擴展其新加坡工廠的生物燃料產(chǎn)能至450萬噸/年。據(jù)歐盟《目標(biāo)2050》預(yù)計，到2030年歐洲生物噴氣燃料產(chǎn)量將達到200萬噸，其中70%通過HEFA路徑生產(chǎn)；到2050年生物燃料產(chǎn)量將增長到1 300萬噸，整個生物燃料供應(yīng)鏈在歐盟循環(huán)經(jīng)濟戰(zhàn)略下會得到進一步優(yōu)化，全生命周期CO2減排量超過95%。由于當(dāng)前政策中的大多數(shù)國家未強制要求使用生物噴氣燃料，且生物噴氣燃料價格競爭力較弱，工廠通常不獨立生產(chǎn)。就HEFA路線而言，盡管各種加氫植物油工廠可以提供大量HEFA，但目前大多用于生產(chǎn)更具價格競爭力的生物柴油。在全球范圍內(nèi)，加氫植物油的年生產(chǎn)能力超過500萬噸，若得到政策支持，其中一部分可能會轉(zhuǎn)向生物噴氣燃料。

2.1.3 生物噴氣燃料應(yīng)用情況

為保證飛行安全，生物噴氣燃料在應(yīng)用之前須進行適航驗證。美國聯(lián)邦航空局（FAA）和歐洲航空安全局（EASA）建立的生物噴氣燃料管理辦法主要借助行業(yè)協(xié)會（如美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）等），采用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的方式進行管理。適航管理部門通過飛機或發(fā)動機型號進行審定，將批準(zhǔn)的生物噴氣燃料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)列入飛機或發(fā)動機的型號數(shù)據(jù)清單中，使用時依清單選擇合適的生物噴氣燃料。FAA對于新型燃料的主要評估依據(jù)是ASTM D4054，包括性能驗證和標(biāo)準(zhǔn)審核兩個部分，其中性能驗證又分為燃料理化性能試驗、材料特定性能試驗、部件/臺架試驗及發(fā)動機試車四個部分；標(biāo)準(zhǔn)審核由FAA和發(fā)動機公司的技術(shù)專家對研究報告進行評估和審核，并提交ASTM投票通過后形成標(biāo)準(zhǔn)。我國沒有ASTM類似的行業(yè)協(xié)會，生物噴氣燃料的審定過程中將其視為航空器使用的“零部件”，采用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定批準(zhǔn)書（CTSOA）的方式進行審定。國內(nèi)適航部門制定了《含合成烴民用航空噴氣燃料》（CTSO-2C701），從理化性能、特定性能、發(fā)動機臺架和部分科目試飛四個方面驗證生物噴氣燃料，并規(guī)定其生產(chǎn)工藝和最低性能標(biāo)準(zhǔn)，該規(guī)定中采納的試驗方法為ASTM方法，國際接軌度較高[21]。生物噴氣燃料的認證過程復(fù)雜、參與方眾多、耗時長且投入高，一定程度上限制了生物噴氣燃料的應(yīng)用。

采用上述認證方法，目前多國的噴氣燃料規(guī)范中允許將生物航煤作為調(diào)合組分添加至傳統(tǒng)噴氣燃料中使用。至2021年，ASTM D7566已包含7種路線生產(chǎn)的生物噴氣燃料[22]。國內(nèi)3號噴氣燃料的最新規(guī)范GB 6537-2018中，批準(zhǔn)納入了FT-SPK及HEFA-SPK，以不超過50%（體積分數(shù)）的比例與傳統(tǒng)噴氣燃料調(diào)合后使用。

2007年英國Virgin公司首次在非運營商業(yè)航班中使用生物燃料，發(fā)展至今已有多家航空公司逐漸使用噴氣燃料執(zhí)飛定期航班；2015年奧斯陸建成了世界首個“生物噴氣燃料機場”，每年可提供約250萬升生物燃料。除商業(yè)航空領(lǐng)域，美軍也積極使用生物燃料，完成了多型戰(zhàn)機的生物燃料試飛工作，并計劃在2025年將具有價格競爭力的生物混合燃料使用量達到總消耗量的50%。國內(nèi)中國石化于2011年成功生產(chǎn)生物噴氣燃料，該燃料于2014年獲得適航批準(zhǔn)，2022年通過RSB（Roundtable on Sustainable Biomaterials）認證，產(chǎn)品可進入國際市場。

由于生物噴氣燃料價格遠高于傳統(tǒng)燃料，嚴重限制其應(yīng)用。以成本最低的HEFA路徑為例，生物噴氣燃料的市場價格約為同期傳統(tǒng)噴氣燃料的1.9～2.8倍。IHS Markit估計，目前生物噴氣燃料的消耗約為每年15萬噸，不到噴氣燃料總消耗的1%[23]。當(dāng)前，除挪威和瑞典有強制規(guī)定外，生物噴氣燃料的使用非常有限。美國可再生燃料標(biāo)準(zhǔn)（RFS）下生物燃料總消耗量僅相當(dāng)于美聯(lián)航在加利福尼亞的傳統(tǒng)噴氣燃料消費量；歐盟也僅限于部分航空公司（如荷蘭航空和北歐航空）生物燃料項目的消耗。

3 生物噴氣燃料的全生命周期碳排放

生物燃料標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品溫室氣體平衡核算一直是個重點研究方向，全生命周期分析（LCA）是大多數(shù)研究人員用來定義可持續(xù)性的首選方法。然而受到LCA計算使用方法、原料類型和特性、系統(tǒng)邊界、功能單元、混合比、工藝技術(shù)、處理副產(chǎn)品和直接/間接土地利用變化等因素影響，生物噴氣燃料的全生命周期溫室氣體排放量差異很大。與噴氣燃料相比，全生命周期CO2減排量在25%～95%之間[24，25]，如Ahmed等人模擬了第二代生物燃料的原料采購、生產(chǎn)和產(chǎn)品銷售過程并計算了此過程中的碳排放，結(jié)果顯示運輸過程碳排放約占全部碳排放88.5%，其中生物質(zhì)原料向煉廠運輸過程的碳排放約占51.2%，成品油向市場運輸過程的碳排放約占37.3%，說明生物噴氣燃料全生命周期碳排放需考慮多重因素，包括煉廠的選址等[26，27]。

圖3顯示了不考慮替代燃料，僅考慮飛機技術(shù)、空中交通管理（ATM）和基礎(chǔ)設(shè)施使用的改進情景下，航空業(yè)國際航班從2005年到2050年CO2排放量預(yù)測。以1 kg噴氣燃料產(chǎn)生3.16 kgCO2計，該情景下2050年碳排放量較2020年碳排放量減少約1.039×109噸?？梢妰H飛機技術(shù)、空中交通管理（ATM）和基礎(chǔ)設(shè)施使用的改進無法達到航空業(yè)減排目標(biāo)[2]。

圖3 2005-2050年間國際航線碳排放量預(yù)測

國際民航組織航空環(huán)境保護委員會（CAEP）預(yù)測了替代燃料（AJF）在2020―2050年間對降低全生命周期碳排放的貢獻。CAEP計算時包括了9類替代燃料原料：淀粉作物、含糖作物、木質(zhì)纖維素作物、油脂作物、農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物、廢油脂、微藻和城市固廢。CAEP提供的最終數(shù)據(jù)包括基于在各情景中不同類型燃料的貢獻值得到的平均LCA值。圖4和圖5分別為國際航線中替代燃料消耗量和凈CO2排放量的預(yù)測。

圖4 2005-2050年間國際航線噴氣燃料消耗預(yù)測（含替代燃料）

圖5 2005-2050年間國際航線碳排放量預(yù)測（含替代燃料貢獻）

CAEP的預(yù)測結(jié)果顯示，在較強政策影響和較高生物質(zhì)產(chǎn)能的示例情景下，凈CO2排放量減少可達19%。2020—2050年間，基準(zhǔn)碳排放量為不同情景下石油基噴氣燃料總量與CO2排放因子3.16的乘積。替代燃料帶來的CO2排放減少量按如下公式計算：

總排放＝3.16×（CJF＋AJF×（LCA_AJF/LCA_CJF）

其中CJF＝傳統(tǒng)噴氣燃料消耗量

AJF＝替代燃料消耗量

LCA_AJF＝替代燃料全生命周期的等效碳排放量

LCA_CJF＝傳統(tǒng)燃料全生命周期的等效碳排放量

以2020年的排放量為基礎(chǔ)，若要在2050年實現(xiàn)碳中和，幾乎需要完全使用替代燃料代替石油基噴氣燃料，如圖4虛線所示，同時積極革新技術(shù)提高航行效率。該情景中替代燃料未來的發(fā)展和使用將高度依賴政策和激勵措施。通過分析假設(shè)，此情景下2050年替代噴氣燃料完全取代石油基噴氣燃料，凈CO2排放量將減少63%。

噴氣燃料排放因子由于航空運輸用能結(jié)構(gòu)長期單一性，單位能耗的CO2排放因子將長期保持穩(wěn)定；唯一不確定的是生物噴氣燃料技術(shù)的發(fā)展。生物噴氣燃料本身的理化指標(biāo)與普通噴氣燃料基本一致，只是因為在原料生產(chǎn)過程中吸收大量CO2，所以從生命周期角度被認為是減少了碳排放，具體需取決于生產(chǎn)路線，生物噴氣燃料最多可減少80%的CO2排放。一個年消耗25 000噸生物噴氣燃料基地（混合比例2.5%）將減少碳排放約39 000～62 400噸。根據(jù)ATAG報告，生物噴氣燃料在2020年前發(fā)揮的替代作用幾乎為零，2038年前穩(wěn)定在3.15噸CO2/噸噴氣燃料的水平不變，未來的替代作用在2040年后才有所體現(xiàn)，詳見圖5。

4 結(jié)語

受碳中和政策的影響，政府和相關(guān)行業(yè)愈發(fā)重視生物噴氣燃料在未來航空業(yè)中的減排作用，倡議未來航空公司在強制性系統(tǒng)的約束下將生物燃料混合到現(xiàn)有的燃料系統(tǒng)中。從長遠來看，采用生物噴氣燃料能有效降低航空業(yè)碳排放，是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要途徑之一。部分地區(qū)已經(jīng)設(shè)定了生物噴氣燃料的使用目標(biāo)。目前生物噴氣燃料價格約為普通噴氣燃料的兩倍以上，是當(dāng)前難以廣泛應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)。生物噴氣燃料的發(fā)展應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟、政策和環(huán)境因素，擴大原料來源，優(yōu)化技術(shù)路線，降低生產(chǎn)成本；此外，還應(yīng)大量累積應(yīng)用數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化生物噴氣燃料的認證過程及管理模式，降低認證成本。