我國綠色航空能源與減排降碳探索途徑

劉子鈺，王基銘

（1.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083；2.中國石油化工集團(tuán)有限公司，北京 100728）

受新冠疫情影響，經(jīng)濟(jì)增速放緩，但航空業(yè)仍是發(fā)展最為強(qiáng)勁的運(yùn)輸業(yè)之一，前景依然樂觀[1-2]。預(yù)計2060年航空客運(yùn)量將達(dá)到2020年的3.7倍，航空的碳排放量將達(dá)到2.3億噸[3]。2019年航空業(yè)的二氧化碳排放量占全球交通運(yùn)輸燃料二氧化碳排放量的10.0%，占全球溫室氣體排放總量的2.1%[4]，雖然所占比例相對較少，但飛機(jī)發(fā)動機(jī)消耗航空煤油產(chǎn)生的溫室氣體直接排放在萬米高空，對臭氧層變化和全球氣候變暖影響巨大。此外，快速發(fā)展的航空業(yè)帶動航空煤油的消耗量每年增長約9%。2018年和2019年中國民航業(yè)航煤消耗量分別為3 463萬噸和3 684萬噸，預(yù)計2025年市場消費(fèi)量將近5 000萬噸。大力發(fā)展航空替代燃料，并將其作為綠色航空能源的主導(dǎo)，將會是解決航空業(yè)環(huán)境問題和我國石油能源安全問題的關(guān)鍵舉措之一。

國際航空運(yùn)輸協(xié)會在2009年哥本哈根會議上制定了航空業(yè)碳排放目標(biāo)，至2050年實現(xiàn)碳排放量為2005年的1/2，航空業(yè)成為全球唯一以2050年碳排放減半為目標(biāo)的行業(yè)[5]。國際航空運(yùn)輸協(xié)會依據(jù)發(fā)動機(jī)與飛機(jī)技術(shù)進(jìn)步速度，預(yù)估發(fā)動機(jī)、飛機(jī)的輕量化和效率提升可分別承擔(dān)約20%的碳減排，航空基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化與空中交通管理的智能化將貢獻(xiàn)10%，剩余50%的碳減排重任將由航空替代燃料承擔(dān)。由于航空替代燃料在生命周期內(nèi)的溫室氣體排放明顯低于石油衍生航空燃料，相比于其他技術(shù)措施，如機(jī)身和發(fā)動機(jī)的改進(jìn)，航空替代燃料的部署速度相對較快[6-7]。因此在2050年之前，降低航空業(yè)對氣候變化的潛在影響很大程度上依賴于航空替代燃料。

1 航空替代燃料技術(shù)在我國航空能源體系中的規(guī)劃和布局

航空替代燃料技術(shù)是我國能源戰(zhàn)略規(guī)劃中重要一環(huán)，此項技術(shù)的發(fā)展和推廣也將助力“雙碳”目標(biāo)的順利實現(xiàn)[8-10]?！秶鴦?wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動方案的通知》《“十四五”民航綠色發(fā)展專項規(guī)劃》《國家發(fā)展改革委國家能源局關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機(jī)制和政策措施的意見》都強(qiáng)調(diào)全力推進(jìn)可持續(xù)航空燃料的應(yīng)用[11-13]。2022年4月中國石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院與德勤中國共同撰寫的《邁向2060碳中和石化行業(yè)低碳發(fā)展白皮書》將生物航煤列入石化行業(yè)實現(xiàn)2030年碳達(dá)峰的支撐技術(shù)之一[14]。

航空替代燃料技術(shù)采用非化石原料，利用合成烴或加氫脫氧工藝，再經(jīng)裂化、催化重整、分餾等生產(chǎn)航空燃料。我國目前替代燃料原料主要來源于餐飲廢油、能源植物、廢棄生物質(zhì)以及煤炭、天然氣等非石油基原料。

目前ASTM D7566認(rèn)證的航空替代燃料制備工藝共有8種[15]。其中共煉制是作為ASTM D1655（航空渦輪燃料的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范）的附件A1[16]。表1列出了這8條途徑、適用的原料類型以及與石油基噴氣燃料的最大摻混比。

表1 ASTM認(rèn)證的8種替代燃料合成工藝以及最大摻混比

基于國際航空碳減排目標(biāo)及壓力，國內(nèi)在“即用型”航空替代燃料方面取得了快速發(fā)展，不僅多種原料與制備工藝得到了工業(yè)化認(rèn)證，而且?guī)恿恕凹从眯浴闭J(rèn)證以及相應(yīng)的全生命周期碳減排評價方法與應(yīng)用。

“即用型”航空替代燃料應(yīng)具有相同化學(xué)結(jié)構(gòu)的非化石碳?xì)浠衔锶剂?，并與混合的常規(guī)噴氣燃料相容。原料應(yīng)具有減少二氧化碳排放量和大規(guī)模產(chǎn)出的能力。生物航油的生物原料主要有3種：木質(zhì)纖維生物質(zhì)（如麥草、秸稈、農(nóng)業(yè)廢棄物等）、油料作物和動物脂肪（大豆、菜籽、瓜子、廢棄油脂），以及避免“與人爭糧”“與糧爭地”的油料作物（如微藻、鹽堿地文冠果、麻風(fēng)樹等油料植物）。

1.1 木質(zhì)纖維素類生物航空燃料

我國秸稈類木質(zhì)纖維素類產(chǎn)量豐富。纖維素秸稈可以通過FT合成工藝[17]、醇制噴氣燃料（ATJ）路徑、合成異構(gòu)烷烴燃料（SIP）路徑生產(chǎn)航空生物燃料。

FT合成工藝適用多種木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)，且有顯著碳減排效應(yīng)。FT合成生產(chǎn)的所有噴氣燃料均具有相似特性，與原料類型無關(guān)。燃料特性的變化主要與FT合成工藝條件有關(guān)，包括催化劑、溫度、壓力以及氫氣和一氧化碳的比例。但是，原料的選擇對燃料生產(chǎn)能力、成本和生命周期溫室氣體排放有很大影響。與用煤和天然氣相比，生物質(zhì)FT燃料的成本較高，這是因其能量密度低，原料收集與運(yùn)輸成本高。我國目前已實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的FT燃料以煤為主要原料，其產(chǎn)品已經(jīng)作為汽油、航油、柴油的調(diào)和組分在使用，不僅降低積碳量，而且還提高了發(fā)動機(jī)的性能。

ATJ和SIP是針對富糖原料的可行技術(shù)路線。對生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理獲得糖，通過糖發(fā)酵過程生產(chǎn)醇（乙醇、丁醇、異丁醇），再通過醇脫水、低聚和氫化獲得ATJ噴氣燃料。醇類物質(zhì)為原料制取航空燃料主要包括兩種技術(shù)路徑：脫水聚合反應(yīng)路徑和水相重整反應(yīng)路徑。ATJ工藝生產(chǎn)航煤的成本主要取決于醇類原料的成本。SIP典型工藝是加氫發(fā)酵糖生產(chǎn)的合成異石蠟。糖通過微生物發(fā)酵制α–烯烴，然后α–烯烴加氫制烷烴。與FT和ATJ工藝相比，SIP工藝與石油基煤油混合最高限量僅為10%。

木質(zhì)纖維素生物質(zhì)水相轉(zhuǎn)化生物噴氣燃料還沒有列入ASTM D7566認(rèn)證目錄，但在中國已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)放大試驗階段。其工藝是通過生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)換制備平臺化合物（糠醛、乙酰丙酸），平臺化合物通過羥醛縮合增長碳鏈長度控制在噴氣燃料范圍內(nèi)的，最后通過加氫生產(chǎn)烴類生物燃料。

1.2 廢棄油脂類生物航空燃料

廢棄油脂兼具廢物和資源的二重性。2013年4月，東方航空一架空客A320飛機(jī)在批準(zhǔn)空域經(jīng)85min技術(shù)飛行測試后平穩(wěn)降落在上海虹橋機(jī)場，共消耗1.7噸由中國石化自主研發(fā)的1號生物航煤[18]。這標(biāo)志著繼美國、法國、芬蘭后中國成為第4個擁有生物航空煤油自主研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)的國家。2015年3月，加注有1號生物航煤的海南航空的波音737客機(jī)首次完成商業(yè)載客飛行，所用航煤為1號生物航煤與普通航煤1:1調(diào)和而成。以棕櫚油和餐飲廢油為原料的1號航煤擁有高于傳統(tǒng)石油基航煤的重量熱值比、瞬間霧化性能、蒸發(fā)性能以及燃燒性能，且在全生命周期內(nèi)可實現(xiàn)碳減排55%～92%。

中國石化鎮(zhèn)海煉化杭州石化生產(chǎn)基地于2011年9月建成國內(nèi)第一條廢棄油脂制備生物航煤的生產(chǎn)線[19]。不同廢棄油脂原料地域成分差異較大，油脂碳鏈長度與不飽和度都有差異，但主要成分都是脂肪酸酯，脂肪酸。廢棄油脂類可以通過HEFA–SPK、共煉制工藝路徑生產(chǎn)航空生物燃料。

HEFA–SPK工藝首先利用催化劑對經(jīng)過清洗處理的廢棄油脂進(jìn)行初級脫水脫氧處理，在一定溫度和氫分壓條件下，通過催化劑對初級生物油進(jìn)行加氫、異構(gòu)化和選擇性裂化處理，最后在分餾塔中分離得到航空煤油。

由于生物質(zhì)單獨(dú)煉制航空燃料運(yùn)行復(fù)雜、成本高，因此，與現(xiàn)有煉油技術(shù)和設(shè)施結(jié)合的共煉制工藝路徑成為國際認(rèn)可的兼具經(jīng)濟(jì)和技術(shù)吸引力的解決方案。生物質(zhì)原料與現(xiàn)有煉油裝置結(jié)合進(jìn)行加氫處理和/或加氫裂解共煉制存在主要問題是，生物油雜原子主要是氧，脫氧過程形成的水與一氧化碳不僅影響脫硫、脫氮效率，而且還降低了重質(zhì)油催化劑的使用壽命，因此，目前ASTM標(biāo)準(zhǔn)只允許低于5%生物油與重質(zhì)油進(jìn)行共煉制。雖然高摻混比的共煉制技術(shù)還沒有列入ASTM認(rèn)證目錄，但在中國已經(jīng)在實驗室階段完成了50%摻混比的共煉制技術(shù)攻關(guān)，為今后的工業(yè)放大奠定了基礎(chǔ)。

1.3 含油植物生物航空燃料

含油植物如能源藻、麻風(fēng)樹、文冠果等都具有很高的油脂產(chǎn)量。尤其是以固定燃煤電廠二氧化碳的微藻，種類多，繁殖快，油脂碳數(shù)可調(diào)控。由于含油植物通常還含有高附加值的生物活性物質(zhì)，被認(rèn)為是有潛力和競爭力的生物原料。相較于纖維素類生物質(zhì)，含油植物類生物質(zhì)擁有更少的氧元素，因此熱值更高，氫耗更低。含油植物主要可通過HEFA–SPK、CHJ、共煉制工藝路徑生產(chǎn)航空生物燃料。

在生物航煤制備工藝選擇方面，國內(nèi)學(xué)者對比了含油植物不同路徑的生物航煤的制備方法。通過模型化合物建立了加氫精制過程反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和中間產(chǎn)物的轉(zhuǎn)換和演變機(jī)理，提出了通過控制碳?xì)淙剂咸甲V分布和基于碳、氫回收率優(yōu)化工藝的方法，揭示了氮雜環(huán)化合物吡嗪、吡啶、吡咯其脫氮路徑，不僅提高了油品品質(zhì)，而且降低了能耗和氫耗。以微藻為原料，成功將干法、濕法油脂，水熱液化油、熱解油通過兩級加氫制備出合格的生物航油。在共煉制方面，通過優(yōu)化脫氧的催化劑和工藝，不僅提高生物油的品質(zhì)，而且可以實現(xiàn)高摻混比的生物油與重質(zhì)油的共煉制。

1.4 航空替代燃料碳減排評價

基于碳稅補(bǔ)償以及有效合理規(guī)劃綠色航空發(fā)展的碳減排效應(yīng)，全生命周期碳足跡評價的科學(xué)性與準(zhǔn)確性成為國內(nèi)外研究的熱點。在全生命周期碳足跡評價軟件與數(shù)據(jù)庫的完整性方面，美國GREET數(shù)據(jù)庫和軟件以及歐方（SIMAPROP，GABI）每年根據(jù)技術(shù)的進(jìn)步對數(shù)據(jù)進(jìn)行更新與補(bǔ)充。由于各國能源結(jié)構(gòu)與制造水平的差異，不能直接使用國外的軟件及數(shù)據(jù)庫。北京航空航天大學(xué)從2010年開始建立了基于中國國情的航空燃料評價模型框架及數(shù)據(jù)庫（AF3E），能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)航空燃料與航空替代燃料的全生命周期（能耗、溫室排放、經(jīng)濟(jì)）評價。與國外同類軟件對比，優(yōu)勢是在飛行階段的碳足跡評價更精準(zhǔn)，建立了基于全包線包括LTO循環(huán)、實際巡航距離與最大巡航距離、實際載重與最大載重等多個模型，通過引入基于全包線飛行中滑行、起飛、爬升、巡航、進(jìn)近的功率比與時間比，實現(xiàn)了使用航空替代燃料在不同類型飛機(jī)的可對比性。

AF3E模型原料分為化石燃料與非化石燃料，其中化石燃料主要有石油、煤、天然氣，非化石原料主要有微藻、麻風(fēng)樹、大豆、棕櫚、油菜籽、亞麻薺[20]。目前優(yōu)化的有文冠果、廢棄生物質(zhì)、廢棄油脂，對培育過程營養(yǎng)鹽、化肥等輸入性物質(zhì)分別建立了相應(yīng)的能耗與環(huán)境模塊。針對生物質(zhì)生長過程的固碳，建立了二氧化碳捕獲、利用與儲存（CCUS）模型，模型能夠?qū)崿F(xiàn)定量評價生物質(zhì)生長過程的環(huán)境與能耗。

AF3E模型燃料制備包括石油基航空燃料和航空替代燃料，其中替代燃料工藝主要涉及美國ASTM D7566認(rèn)證的8個工藝以及油脂高比例摻混共煉制工藝路線、熱解—加氫噴氣燃料工藝路線（PRJ–HRJ）和水熱液化—加氫噴氣燃料工藝路線（LRJ）等具有工程應(yīng)用前景的工藝[15]。針對生物質(zhì)預(yù)處理，分別建立了微波、超聲、萃取、粉碎、化學(xué)熱處理等基于能耗與環(huán)境的模塊。不僅能夠評價主要溫室氣體，還能實現(xiàn)6類典型污染排放物的定量評價，數(shù)學(xué)模型中3E不僅具有實際物理意義而且具有可加和性和可對比性，豐富了全生命周期理論及方法。AF3E中收集的中國航空（替代）燃料全生命周期數(shù)據(jù)庫以及歸因與歸果評價方法為評價碳減排與優(yōu)化工藝提供科學(xué)客觀的評價平臺。

2 航空替代燃料在我國的適航驗證及應(yīng)用管理

“即用性”航空替代燃料是在不改變航空發(fā)動機(jī)構(gòu)造以及操控方式前提下，替換航空煤油而不改變航空發(fā)動機(jī)安全水平。由于航空替代燃料的化學(xué)組成不能與航空煤油的組成完全一致，單依靠理化性質(zhì)無法給“即用性”提供足夠的判據(jù)，從而需要根據(jù)ASTM D4054（《新型航空渦輪燃料認(rèn)證與審批的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程》）認(rèn)證燃料的“即用性”，從理化、適用性到熱端測試、部件測試和整機(jī)測試[21]。

ASTM D4054認(rèn)證過程是一個龐大的系統(tǒng)工程，需要燃料原料供應(yīng)商、燃料生產(chǎn)部門、發(fā)動機(jī)研究和生產(chǎn)單位、空軍、相關(guān)研究所、航空公司等部門相互協(xié)調(diào)來共同完成。航空替代燃料測試認(rèn)證流程簡圖如圖1所示。

圖1 航空替代燃料認(rèn)證流程

按照目前的認(rèn)證流程需要3～5年，用油量850m3，成本約8 000萬～16 000萬元。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定只有原始設(shè)備制造商控制測試條件或驗收標(biāo)準(zhǔn)。由于發(fā)動機(jī)制造公司基于技術(shù)保密沒有在標(biāo)準(zhǔn)中提供測試方法和驗收方法，因此按照目前認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和體系，導(dǎo)致燃油消耗量大、認(rèn)證程序繁瑣、缺乏發(fā)動機(jī)級的安全性準(zhǔn)則等3個主要問題。我國因缺乏商用發(fā)動機(jī)制造商，在一定程度上限制了航空替代燃料的中國認(rèn)證。針對此問題，我國開展了大量研究工作，提出了具有中國特色的航空燃料適航認(rèn)證方法。

2.1 航空燃料技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

航空燃料引起的航空事故提高了對航空安全的重要性的意識。最早的航空燃料標(biāo)準(zhǔn)來自1943年英國（RDE/F/KER/210，航空煤油），美國1944年（AN–F–32a），蘇聯(lián)1948年開始制定航空燃料標(biāo)準(zhǔn)[22]。我國自1956年開始按蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)試制航空燃料，于1966年制定了學(xué)部標(biāo)準(zhǔn)SY1006（1977年被GB 1788替代），幾經(jīng)修訂目前主要使用RP–3軍用和民用標(biāo)準(zhǔn)（GB 6537）。

RP–3民用燃料與國際Jet–A1檢測指標(biāo)相比控制更為嚴(yán)格，在許多指標(biāo)上優(yōu)于進(jìn)口油，主要集中在顏色、組成、流動性、熱安定性、導(dǎo)電性等方面，因此根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的航空燃料在用于航空替代燃料的摻混中將更具有優(yōu)勢。

2.2 航空替代燃料標(biāo)準(zhǔn)

針對航空新型液體燃料替代標(biāo)準(zhǔn)航空燃料，美國軍用和民用航空部門都專門建立了相關(guān)組織和機(jī)構(gòu)，管理和開展替代燃料的相關(guān)認(rèn)證工作，促進(jìn)替代燃料在航空界中的推廣應(yīng)用，確保能源安全和航空安全。

借鑒石油基航空煤油標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1655，美國材料與試驗協(xié)會針對合成碳?xì)淙剂嫌?009年發(fā)布了第一個航空替代燃料標(biāo)準(zhǔn)ASTM D7566（《包含合成碳?xì)淙剂虾娇諟u輪燃料的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》）。這是全球目前普遍采用的航空替代燃料標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)除了規(guī)定的傳統(tǒng)檢測項目外還對芳烴、餾程等指標(biāo)以及添加劑有了更嚴(yán)格的要求。提出芳香烴含量下限，說明合成替代燃料的芳香烴含量過低，引起潤滑性不佳、橡膠溶脹性不夠等一系列問題，磨痕直徑也說明了這個問題。隨著替代燃料的研究和認(rèn)證的發(fā)展，該標(biāo)準(zhǔn)每年都在不斷完善。

2.3 航空替代燃料的中國認(rèn)證

針對目前標(biāo)準(zhǔn)體系中存在制造成本高、認(rèn)證程序繁瑣、缺乏發(fā)動機(jī)級的安全性準(zhǔn)則問題，北京航空航天大學(xué)研究建立了可保證適航安全性的認(rèn)證理論。基于“即用性”航空替代燃料被認(rèn)為是發(fā)動機(jī)更換最頻繁的部件，采用“類比”“使用經(jīng)驗”符合性方法來驗證“即用性”燃料的適航性。以航空煤油實際“使用經(jīng)驗”為基準(zhǔn)，提煉燃料性能、燃料系統(tǒng)、燃燒性能、發(fā)動機(jī)性能、飛機(jī)性能5個層次上參數(shù)化描述的安全邊界，與通過航空替代燃料在5個層次上得到的工作邊界進(jìn)行“類比”，從而預(yù)測航空發(fā)動機(jī)使用替代燃料的安全性。理論的核心是建立兩個遞進(jìn)層級的關(guān)鍵映射關(guān)系，一是從煤油性能，通過燃料系統(tǒng)、燃燒室、發(fā)動機(jī)，一直到飛機(jī)性能的映射關(guān)系；另一個是提取燃料在不同水平的關(guān)鍵安全參數(shù)，并對參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化定量描述，從而建立參數(shù)化的安全邊界，并以此得到了判定準(zhǔn)則。該方法不僅提煉了替代燃料在發(fā)動機(jī)安全性上的判定準(zhǔn)則，還降低了認(rèn)證流程的燃料成本和時間成本。

基于圖2原理，北京航空航天大學(xué)建立了“即用性”航空燃料設(shè)計模型，能夠預(yù)測燃燒室級別（點火、熄火邊界、積碳與排放、燃燒穩(wěn)定性）、發(fā)動機(jī)級別（耗油率、推力、推力響應(yīng)、效率等），以及飛機(jī)級別（載荷、航程）關(guān)鍵參數(shù)的性能。基于航煤使用經(jīng)驗劃定了不同水平的關(guān)鍵參數(shù)波動范圍，通過正向映射判定燃料的功能性和安全性，通過反向映射進(jìn)行“即用性”航空燃料組成設(shè)計界定。

圖2 相似類比方法的基本原理

在FAR 33/CCAR–33里，航油作為發(fā)動機(jī)型號合格審定的一部分進(jìn)行審批。中國民航局適航審定中心發(fā)布《含合成烴的民用航空噴氣燃料技術(shù)規(guī)定（CTSO–2C701）》。2012年民航局受理中國石化生物航煤適航審定，認(rèn)定HEFA–SPK工藝生產(chǎn)的生物航煤組分技術(shù)指標(biāo)符合CTSO–2C701要求，與3號噴氣燃料調(diào)合后的產(chǎn)品性能符合GB 6537–2006 3號噴氣燃料的技術(shù)要求，中國石化為此專門建立了一套覆蓋原材料、生產(chǎn)過程控制、檢驗和儲運(yùn)等全過程控制的質(zhì)量管理體系，制定了專門的生物航煤質(zhì)量管理制度，以能夠保證持續(xù)生產(chǎn)出合格的生物航煤產(chǎn)品。發(fā)動機(jī)臺架試驗和試飛驗證滿足發(fā)動機(jī)和飛機(jī)要求，獲得技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定批準(zhǔn)書（CTSOA）的1號生物航煤。2014年中國民航局向中國石化頒發(fā)了CTSOA，中國新燃料適航認(rèn)證日趨完善。

3 可持續(xù)綠色航空能源與減排降碳途徑展望

國際民航組織預(yù)測，2050年的總溫室氣體排放量將比2010年高400%～600%，這是由于空中交通量增長了7倍。中國增長量將高于國際水平。為此，必須采取綠色航空能源突破性技術(shù)變革以實現(xiàn)碳減排目標(biāo)。

2030年基于航空發(fā)動機(jī)、飛機(jī)研發(fā)周期長，近10年內(nèi)難以承擔(dān)碳減排重任，“即用型”綠色航空燃料的使用將會作為航空業(yè)減排降碳的主要途徑。2060年為適用多元化飛行及多元化動力系統(tǒng)，多元化的綠色能源（電能、太陽能、氫能等）將會承繼起碳減排的責(zé)任，為更加綠色、安全、高速的航空出行提供有力保障。