我国绿色航空能源与减排降碳探索途径

时间：2024-07-28

刘子钰，王基铭

（1.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100083；2.中国石油化工集团有限公司，北京 100728）

受新冠疫情影响，经济增速放缓，但航空业仍是发展最为强劲的运输业之一，前景依然乐观[1-2]。预计2060年航空客运量将达到2020年的3.7倍，航空的碳排放量将达到2.3亿吨[3]。2019年航空业的二氧化碳排放量占全球交通运输燃料二氧化碳排放量的10.0%，占全球温室气体排放总量的2.1%[4]，虽然所占比例相对较少，但飞机发动机消耗航空煤油产生的温室气体直接排放在万米高空，对臭氧层变化和全球气候变暖影响巨大。此外，快速发展的航空业带动航空煤油的消耗量每年增长约9%。2018年和2019年中国民航业航煤消耗量分别为3 463万吨和3 684万吨，预计2025年市场消费量将近5 000万吨。大力发展航空替代燃料，并将其作为绿色航空能源的主导，将会是解决航空业环境问题和我国石油能源安全问题的关键举措之一。

国际航空运输协会在2009年哥本哈根会议上制定了航空业碳排放目标，至2050年实现碳排放量为2005年的1/2，航空业成为全球唯一以2050年碳排放减半为目标的行业[5]。国际航空运输协会依据发动机与飞机技术进步速度，预估发动机、飞机的轻量化和效率提升可分别承担约20%的碳减排，航空基础设施优化与空中交通管理的智能化将贡献10%，剩余50%的碳减排重任将由航空替代燃料承担。由于航空替代燃料在生命周期内的温室气体排放明显低于石油衍生航空燃料，相比于其他技术措施，如机身和发动机的改进，航空替代燃料的部署速度相对较快[6-7]。因此在2050年之前，降低航空业对气候变化的潜在影响很大程度上依赖于航空替代燃料。

1 航空替代燃料技术在我国航空能源体系中的规划和布局

航空替代燃料技术是我国能源战略规划中重要一环，此项技术的发展和推广也将助力“双碳”目标的顺利实现[8-10]。《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》《“十四五”民航绿色发展专项规划》《国家发展改革委国家能源局关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》都强调全力推进可持续航空燃料的应用[11-13]。2022年4月中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院与德勤中国共同撰写的《迈向2060碳中和石化行业低碳发展白皮书》将生物航煤列入石化行业实现2030年碳达峰的支撑技术之一[14]。

航空替代燃料技术采用非化石原料，利用合成烃或加氢脱氧工艺，再经裂化、催化重整、分馏等生产航空燃料。我国目前替代燃料原料主要来源于餐饮废油、能源植物、废弃生物质以及煤炭、天然气等非石油基原料。

目前ASTM D7566认证的航空替代燃料制备工艺共有8种[15]。其中共炼制是作为ASTM D1655（航空涡轮燃料的标准规范）的附件A1[16]。表1列出了这8条途径、适用的原料类型以及与石油基喷气燃料的最大掺混比。

表1 ASTM认证的8种替代燃料合成工艺以及最大掺混比

基于国际航空碳减排目标及压力，国内在“即用型”航空替代燃料方面取得了快速发展，不仅多种原料与制备工艺得到了工业化认证，而且带动了“即用性”认证以及相应的全生命周期碳减排评价方法与应用。

“即用型”航空替代燃料应具有相同化学结构的非化石碳氢化合物燃料，并与混合的常规喷气燃料相容。原料应具有减少二氧化碳排放量和大规模产出的能力。生物航油的生物原料主要有3种：木质纤维生物质（如麦草、秸秆、农业废弃物等）、油料作物和动物脂肪（大豆、菜籽、瓜子、废弃油脂），以及避免“与人争粮”“与粮争地”的油料作物（如微藻、盐碱地文冠果、麻风树等油料植物）。

1.1 木质纤维素类生物航空燃料

我国秸秆类木质纤维素类产量丰富。纤维素秸秆可以通过FT合成工艺[17]、醇制喷气燃料（ATJ）路径、合成异构烷烃燃料（SIP）路径生产航空生物燃料。

FT合成工艺适用多种木质纤维素类生物质，且有显著碳减排效应。FT合成生产的所有喷气燃料均具有相似特性，与原料类型无关。燃料特性的变化主要与FT合成工艺条件有关，包括催化剂、温度、压力以及氢气和一氧化碳的比例。但是，原料的选择对燃料生产能力、成本和生命周期温室气体排放有很大影响。与用煤和天然气相比，生物质FT燃料的成本较高，这是因其能量密度低，原料收集与运输成本高。我国目前已实现规模化生产的FT燃料以煤为主要原料，其产品已经作为汽油、航油、柴油的调和组分在使用，不仅降低积碳量，而且还提高了发动机的性能。

ATJ和SIP是针对富糖原料的可行技术路线。对生物质进行预处理获得糖，通过糖发酵过程生产醇（乙醇、丁醇、异丁醇），再通过醇脱水、低聚和氢化获得ATJ喷气燃料。醇类物质为原料制取航空燃料主要包括两种技术路径：脱水聚合反应路径和水相重整反应路径。ATJ工艺生产航煤的成本主要取决于醇类原料的成本。SIP典型工艺是加氢发酵糖生产的合成异石蜡。糖通过微生物发酵制α–烯烃，然后α–烯烃加氢制烷烃。与FT和ATJ工艺相比，SIP工艺与石油基煤油混合最高限量仅为10%。

木质纤维素生物质水相转化生物喷气燃料还没有列入ASTM D7566认证目录，但在中国已经进入工业放大试验阶段。其工艺是通过生物质水热转换制备平台化合物（糠醛、乙酰丙酸），平台化合物通过羟醛缩合增长碳链长度控制在喷气燃料范围内的，最后通过加氢生产烃类生物燃料。

1.2 废弃油脂类生物航空燃料

废弃油脂兼具废物和资源的二重性。2013年4月，东方航空一架空客A320飞机在批准空域经85min技术飞行测试后平稳降落在上海虹桥机场，共消耗1.7吨由中国石化自主研发的1号生物航煤[18]。这标志着继美国、法国、芬兰后中国成为第4个拥有生物航空煤油自主研发生产技术的国家。2015年3月，加注有1号生物航煤的海南航空的波音737客机首次完成商业载客飞行，所用航煤为1号生物航煤与普通航煤1:1调和而成。以棕榈油和餐饮废油为原料的1号航煤拥有高于传统石油基航煤的重量热值比、瞬间雾化性能、蒸发性能以及燃烧性能，且在全生命周期内可实现碳减排55%～92%。

中国石化镇海炼化杭州石化生产基地于2011年9月建成国内第一条废弃油脂制备生物航煤的生产线[19]。不同废弃油脂原料地域成分差异较大，油脂碳链长度与不饱和度都有差异，但主要成分都是脂肪酸酯，脂肪酸。废弃油脂类可以通过HEFA–SPK、共炼制工艺路径生产航空生物燃料。

HEFA–SPK工艺首先利用催化剂对经过清洗处理的废弃油脂进行初级脱水脱氧处理，在一定温度和氢分压条件下，通过催化剂对初级生物油进行加氢、异构化和选择性裂化处理，最后在分馏塔中分离得到航空煤油。

由于生物质单独炼制航空燃料运行复杂、成本高，因此，与现有炼油技术和设施结合的共炼制工艺路径成为国际认可的兼具经济和技术吸引力的解决方案。生物质原料与现有炼油装置结合进行加氢处理和/或加氢裂解共炼制存在主要问题是，生物油杂原子主要是氧，脱氧过程形成的水与一氧化碳不仅影响脱硫、脱氮效率，而且还降低了重质油催化剂的使用寿命，因此，目前ASTM标准只允许低于5%生物油与重质油进行共炼制。虽然高掺混比的共炼制技术还没有列入ASTM认证目录，但在中国已经在实验室阶段完成了50%掺混比的共炼制技术攻关，为今后的工业放大奠定了基础。

1.3 含油植物生物航空燃料

含油植物如能源藻、麻风树、文冠果等都具有很高的油脂产量。尤其是以固定燃煤电厂二氧化碳的微藻，种类多，繁殖快，油脂碳数可调控。由于含油植物通常还含有高附加值的生物活性物质，被认为是有潜力和竞争力的生物原料。相较于纤维素类生物质，含油植物类生物质拥有更少的氧元素，因此热值更高，氢耗更低。含油植物主要可通过HEFA–SPK、CHJ、共炼制工艺路径生产航空生物燃料。

在生物航煤制备工艺选择方面，国内学者对比了含油植物不同路径的生物航煤的制备方法。通过模型化合物建立了加氢精制过程反应网络和中间产物的转换和演变机理，提出了通过控制碳氢燃料碳谱分布和基于碳、氢回收率优化工艺的方法，揭示了氮杂环化合物吡嗪、吡啶、吡咯其脱氮路径，不仅提高了油品品质，而且降低了能耗和氢耗。以微藻为原料，成功将干法、湿法油脂，水热液化油、热解油通过两级加氢制备出合格的生物航油。在共炼制方面，通过优化脱氧的催化剂和工艺，不仅提高生物油的品质，而且可以实现高掺混比的生物油与重质油的共炼制。

1.4 航空替代燃料碳减排评价

基于碳税补偿以及有效合理规划绿色航空发展的碳减排效应，全生命周期碳足迹评价的科学性与准确性成为国内外研究的热点。在全生命周期碳足迹评价软件与数据库的完整性方面，美国GREET数据库和软件以及欧方（SIMAPROP，GABI）每年根据技术的进步对数据进行更新与补充。由于各国能源结构与制造水平的差异，不能直接使用国外的软件及数据库。北京航空航天大学从2010年开始建立了基于中国国情的航空燃料评价模型框架及数据库（AF3E），能够实现传统航空燃料与航空替代燃料的全生命周期（能耗、温室排放、经济）评价。与国外同类软件对比，优势是在飞行阶段的碳足迹评价更精准，建立了基于全包线包括LTO循环、实际巡航距离与最大巡航距离、实际载重与最大载重等多个模型，通过引入基于全包线飞行中滑行、起飞、爬升、巡航、进近的功率比与时间比，实现了使用航空替代燃料在不同类型飞机的可对比性。

AF3E模型原料分为化石燃料与非化石燃料，其中化石燃料主要有石油、煤、天然气，非化石原料主要有微藻、麻风树、大豆、棕榈、油菜籽、亚麻荠[20]。目前优化的有文冠果、废弃生物质、废弃油脂，对培育过程营养盐、化肥等输入性物质分别建立了相应的能耗与环境模块。针对生物质生长过程的固碳，建立了二氧化碳捕获、利用与储存（CCUS）模型，模型能够实现定量评价生物质生长过程的环境与能耗。

AF3E模型燃料制备包括石油基航空燃料和航空替代燃料，其中替代燃料工艺主要涉及美国ASTM D7566认证的8个工艺以及油脂高比例掺混共炼制工艺路线、热解—加氢喷气燃料工艺路线（PRJ–HRJ）和水热液化—加氢喷气燃料工艺路线（LRJ）等具有工程应用前景的工艺[15]。针对生物质预处理，分别建立了微波、超声、萃取、粉碎、化学热处理等基于能耗与环境的模块。不仅能够评价主要温室气体，还能实现6类典型污染排放物的定量评价，数学模型中3E不仅具有实际物理意义而且具有可加和性和可对比性，丰富了全生命周期理论及方法。AF3E中收集的中国航空（替代）燃料全生命周期数据库以及归因与归果评价方法为评价碳减排与优化工艺提供科学客观的评价平台。

2 航空替代燃料在我国的适航验证及应用管理

“即用性”航空替代燃料是在不改变航空发动机构造以及操控方式前提下，替换航空煤油而不改变航空发动机安全水平。由于航空替代燃料的化学组成不能与航空煤油的组成完全一致，单依靠理化性质无法给“即用性”提供足够的判据，从而需要根据ASTM D4054（《新型航空涡轮燃料认证与审批的标准规程》）认证燃料的“即用性”，从理化、适用性到热端测试、部件测试和整机测试[21]。

ASTM D4054认证过程是一个庞大的系统工程，需要燃料原料供应商、燃料生产部门、发动机研究和生产单位、空军、相关研究所、航空公司等部门相互协调来共同完成。航空替代燃料测试认证流程简图如图1所示。

图1 航空替代燃料认证流程

按照目前的认证流程需要3～5年，用油量850m3，成本约8 000万～16 000万元。标准规定只有原始设备制造商控制测试条件或验收标准。由于发动机制造公司基于技术保密没有在标准中提供测试方法和验收方法，因此按照目前认证标准和体系，导致燃油消耗量大、认证程序繁琐、缺乏发动机级的安全性准则等3个主要问题。我国因缺乏商用发动机制造商，在一定程度上限制了航空替代燃料的中国认证。针对此问题，我国开展了大量研究工作，提出了具有中国特色的航空燃料适航认证方法。

2.1 航空燃料技术规范标准

航空燃料引起的航空事故提高了对航空安全的重要性的意识。最早的航空燃料标准来自1943年英国（RDE/F/KER/210，航空煤油），美国1944年（AN–F–32a），苏联1948年开始制定航空燃料标准[22]。我国自1956年开始按苏联标准试制航空燃料，于1966年制定了学部标准SY1006（1977年被GB 1788替代），几经修订目前主要使用RP–3军用和民用标准（GB 6537）。

RP–3民用燃料与国际Jet–A1检测指标相比控制更为严格，在许多指标上优于进口油，主要集中在颜色、组成、流动性、热安定性、导电性等方面，因此根据我国标准生产的航空燃料在用于航空替代燃料的掺混中将更具有优势。

2.2 航空替代燃料标准

针对航空新型液体燃料替代标准航空燃料，美国军用和民用航空部门都专门建立了相关组织和机构，管理和开展替代燃料的相关认证工作，促进替代燃料在航空界中的推广应用，确保能源安全和航空安全。

借鉴石油基航空煤油标准ASTM D1655，美国材料与试验协会针对合成碳氢燃料于2009年发布了第一个航空替代燃料标准ASTM D7566（《包含合成碳氢燃料航空涡轮燃料的标准规范》）。这是全球目前普遍采用的航空替代燃料标准，标准除了规定的传统检测项目外还对芳烃、馏程等指标以及添加剂有了更严格的要求。提出芳香烃含量下限，说明合成替代燃料的芳香烃含量过低，引起润滑性不佳、橡胶溶胀性不够等一系列问题，磨痕直径也说明了这个问题。随着替代燃料的研究和认证的发展，该标准每年都在不断完善。

2.3 航空替代燃料的中国认证

针对目前标准体系中存在制造成本高、认证程序繁琐、缺乏发动机级的安全性准则问题，北京航空航天大学研究建立了可保证适航安全性的认证理论。基于“即用性”航空替代燃料被认为是发动机更换最频繁的部件，采用“类比”“使用经验”符合性方法来验证“即用性”燃料的适航性。以航空煤油实际“使用经验”为基准，提炼燃料性能、燃料系统、燃烧性能、发动机性能、飞机性能5个层次上参数化描述的安全边界，与通过航空替代燃料在5个层次上得到的工作边界进行“类比”，从而预测航空发动机使用替代燃料的安全性。理论的核心是建立两个递进层级的关键映射关系，一是从煤油性能，通过燃料系统、燃烧室、发动机，一直到飞机性能的映射关系；另一个是提取燃料在不同水平的关键安全参数，并对参数进行数字化定量描述，从而建立参数化的安全边界，并以此得到了判定准则。该方法不仅提炼了替代燃料在发动机安全性上的判定准则，还降低了认证流程的燃料成本和时间成本。

基于图2原理，北京航空航天大学建立了“即用性”航空燃料设计模型，能够预测燃烧室级别（点火、熄火边界、积碳与排放、燃烧稳定性）、发动机级别（耗油率、推力、推力响应、效率等），以及飞机级别（载荷、航程）关键参数的性能。基于航煤使用经验划定了不同水平的关键参数波动范围，通过正向映射判定燃料的功能性和安全性，通过反向映射进行“即用性”航空燃料组成设计界定。

图2 相似类比方法的基本原理

在FAR 33/CCAR–33里，航油作为发动机型号合格审定的一部分进行审批。中国民航局适航审定中心发布《含合成烃的民用航空喷气燃料技术规定（CTSO–2C701）》。2012年民航局受理中国石化生物航煤适航审定，认定HEFA–SPK工艺生产的生物航煤组分技术指标符合CTSO–2C701要求，与3号喷气燃料调合后的产品性能符合GB 6537–2006 3号喷气燃料的技术要求，中国石化为此专门建立了一套覆盖原材料、生产过程控制、检验和储运等全过程控制的质量管理体系，制定了专门的生物航煤质量管理制度，以能够保证持续生产出合格的生物航煤产品。发动机台架试验和试飞验证满足发动机和飞机要求，获得技术标准规定批准书（CTSOA）的1号生物航煤。2014年中国民航局向中国石化颁发了CTSOA，中国新燃料适航认证日趋完善。