生物航空煤油的發(fā)展現(xiàn)狀

張 玉 璽

（銀川能源學(xué)院 石油化工系， 寧夏 銀川 750105）

隨著各國對溫室氣體排放要求的日益嚴(yán)格，以及化石能源的日益枯竭。全球航空業(yè)正面臨來自世界應(yīng)對氣候變化進程和尋找航煤替代品的雙重挑戰(zhàn)，為解決環(huán)境和能源問題，同時為了實現(xiàn)航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展，尋求和開發(fā)新能源成為研究熱點。由于生物燃料的原料易得、可再生、污染少等優(yōu)點，生物航空煤油的開發(fā)已經(jīng)得到世界許多國家的普遍重視。

1 生物煤油的生產(chǎn)原料

生物航空煤油是生物燃料的一種，其原料已發(fā)展到了第四代。第一代生物燃料取自于淀粉、糖類、植物油和動物油脂,由于存在“與人爭糧”的問題，已被淘汰。二代生物燃料以麥稈等農(nóng)林廢棄物為主的生物質(zhì)原料經(jīng)過預(yù)處理、酶降解和糖化、發(fā)酵等步驟制成。對環(huán)境的影響小，不與人爭糧，但生產(chǎn)成本成為制約生物燃料發(fā)展的瓶頸。藻類由于分布廣泛、油脂含量高、環(huán)境適應(yīng)能力強、生長周期短、產(chǎn)量高等特點，成為了第三代生產(chǎn)生物燃料的主要原料。第四代生物燃料又稱負碳生物燃料，通過人為光合作用大量吸收二氧化碳合成生物燃料，這項技術(shù)還處于實驗階段[1]。

從2008年起歐美主要國家陸續(xù)開展了生物航空燃料的研發(fā)和試驗飛行，其所用生物燃料主要椰子油、棕櫚油、麻風(fēng)子油、亞麻油、海藻油、餐飲廢油、動物脂肪等為原料生產(chǎn)。中國石化自2009年開始研發(fā)生物航煤技術(shù)，曾以棕櫚油為原料首次生產(chǎn)生物航煤產(chǎn)品。2012年10月，又以餐飲廢油為原料生產(chǎn)生物航煤產(chǎn)品。餐飲廢油生產(chǎn)生物航煤的工藝技術(shù)，解決了餐飲廢油科學(xué)合法、高效利用的難題，有利于餐飲廢油資源的綠色利用。此外，美國、德國、芬蘭等的航空公司的部分航線，也采用了地溝油轉(zhuǎn)制燃油，效果良好。從各國生產(chǎn)生物航煤的情況看，原料以第二代為主，藻類的應(yīng)用還處于初級階段。

2 生物航空煤油的制備工藝

傳統(tǒng)化石燃料中柴油的沸點范圍是 200～350℃而煤油的沸200～300 ℃，從餾程看煤油好像是柴油的一部分，但質(zhì)量要求卻不一樣，特別是低溫性能，航空煤油的冰點指標(biāo)要求不高于-55 ℃，而生物航煤的冰點至少不高于-47 ℃，烯烴和芳烴的含量要少，化石柴油和生物柴油的冬季冷濾點最高要求-20 ℃[2]，因此生物柴油不能直接加入到噴氣機中，否則會引起燃料固化，所以必須要經(jīng)過改性，基于以上原因，國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出多種航空生物燃料生產(chǎn)工藝路線，其研究思路主要是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物(生物質(zhì)油或合成氣)，再對中間產(chǎn)物 (或天然油脂) 進行改性制備生物航空燃料，主要工藝路線包括：天然油脂(或生物質(zhì)油)加氫脫氧-加氫裂化/異構(gòu)技術(shù)路線(加氫法)；生物質(zhì)液化(氣-費托合成)-加氫提質(zhì)技術(shù)路線；生物質(zhì)熱裂解(TDP) 和催化裂解 (CDP) 技術(shù)路線；生物異丁醇轉(zhuǎn)化為航空燃料技術(shù)路線等[3]。其中，加氫法和氣化-費托合成法生產(chǎn)生物航空燃料的技術(shù)發(fā)展迅速。

2.1 加氫法

是將生物質(zhì)先轉(zhuǎn)化為生物油然后通過催化加氫來制取生物煤油。由生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物油與合格的航煤比較起來，含氧量過高，其主要表現(xiàn)在含有大量的酚、醛、酮類物質(zhì)，而且還含有大量不飽和鍵，故生物質(zhì)油穩(wěn)定性差.通過加氫可以提高生物油的飽和度，造成碳氧鍵斷裂，使氧元素以H2O或CO2的形式脫出。從而提高生物油的穩(wěn)定性和能量密度。文獻[4-5]分別報道了以鎳基和 Co-Mo-P 為催化劑進行生物油催化加氫反應(yīng)，將Mo-10Ni/γ-Al2O3 用于生物油的催化加氫可使生物油pH值從2.16上升到2.84，氫元素從 6.61%上升到 6.93%，同時生物油的黏度也有一定程度的下降。而以Co-Mo-P為催化劑的試驗表明，改性生物油的氧含量由改性前的41.8%降到3%，熱值也有所升高，更有利于運輸和儲存。

2.2 氣化-費托合成法

生物質(zhì)氣化后得到合成氣，合成氣再經(jīng)過催化劑作用轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴的方法是由德國科學(xué)家 Frans Gischer和Hans Tropsch發(fā)明的，稱為F-T(費托) 合成[6]。根據(jù)操作條件，可分為高溫費托合成和低溫費托合成。這兩種方法都可以得到性能良好的產(chǎn)品其中高溫費托合成以汽油、柴油、溶劑油和烯烴為主的產(chǎn)品，低溫費托合成的產(chǎn)品則以煤油、柴油、潤滑油基礎(chǔ)油和石腦油為主。文獻報道[7-8]費托合成按照原料不同可分為3種工藝，及煤制油工藝、天然氣合成油工藝、生物質(zhì)合成油工藝。煤和天然氣為原料的工藝，雖然能夠利用未開采的能源，暫時解決能源危機和全球氣候變化問題，但從長遠目標(biāo)出發(fā)，由煤和天然氣等非可再生能源來制備航空生物燃料并不能使能源可持續(xù)發(fā)展。而以可再生的生物質(zhì)為原料可以充分利用廢棄的低品質(zhì)生物質(zhì)，使其轉(zhuǎn)化為清潔能源，具有顯著的環(huán)境效益。

3 生物航空煤油的實際應(yīng)用

為了減少CO2對大氣的污染，保護我們賴以生存的大氣環(huán)境，航空燃料做為航空業(yè)最大的排放源，引起了世界的廣泛關(guān)注，盡管航空氣體排放量僅占人類所有排放量的2%～3%，但航空煤油燃燒后產(chǎn)生的CO2及其危害遠大于其它行業(yè)，因此各國紛紛開始開發(fā)生物航煤，以避免溫室效應(yīng)加劇。目前國外已經(jīng)有多家航空公司使用航空生物燃料進行試飛。2008-2011年，新西蘭航空公司、美國大陸航空公司、日本航空公司、墨西哥航空公司、荷蘭航空公司等多家航空公司在大型客機上對生物質(zhì)航煤比例<50%航煤油品進行過飛行測試。在DA42輕型飛機（奧地利鉆石飛機制造公司制造），采用100%的生物質(zhì)航煤進行了飛行測試，沒有發(fā)現(xiàn)安全問題；美國空軍與海軍分別在C17大型運輸機、A10雷電攻擊機、大黃蜂F/A-18攻擊機上使用50%生物質(zhì)調(diào)和航煤進行了飛行測試，表現(xiàn)出良好的安全性；2011.1荷蘭171名旅客搭載著用生物航煤作原料的皇家航空KLM公司的Boeing 737－800航班，從阿姆斯特丹飛到巴黎；2011.7 德國漢莎 Lufthansa公司的 AirbusA321采用生物航煤實現(xiàn)從漢堡到法蘭克福的 6個月正常飛行；同年同月墨西哥 Interjet公司的 AirbusA320和芬蘭航空 Finnair公司的AirbusA319也實現(xiàn)了生物航煤的試飛；2011.10—2011.11法國航空 Air France公司的AirbusA320和美國大陸航空ContinentalAirlines公司的 Boeing 737－800分別采用餐飲廢油和海藻為原料生產(chǎn)的生物航空燃料飛行；美國國防部 2011 年12月6日宣布，將訂購了45萬加侖的生物燃油，在2012年夏季供航母戰(zhàn)斗群在軍事演習(xí)中使用。

中國石化自2009年開始研發(fā)生物航煤技術(shù)，于 2011年建成一套生物航空煤油工業(yè)裝置及調(diào)和設(shè)施， 2011年，中國石油、中國國航、中國航油、美國波音公司和Honeywell UOP公司在北京首都國際機場進行了中國首次可持續(xù)航空生物燃料的驗證飛行，使用傳統(tǒng)航空噴氣燃料與航空生物燃料按照50∶50 的比例調(diào)和而成的混合燃料，試飛持58 min 2012年2月28日，中國民用航空局在北京舉行中國石化1 號生物航空煤油適航審定申請受理儀式，正式受理中國石化研發(fā)的1號生物航煤適航審定申請。2012年10月，又以餐飲廢油為原料生產(chǎn)生物航煤產(chǎn)品。2013年04月24日中國自主研發(fā)生產(chǎn)的以1號生物航煤為燃料的商業(yè)客機24日在上海首次試飛成功。該生物航煤以餐飲廢油為原料，“地溝油”從此變廢為寶。至此，中國成為繼美國、法國、芬蘭之后第四個擁有生物航煤自主研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)的國家。中國石化成為中國首家擁有生物航煤自主研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)的企業(yè)。

法國、芬蘭之后第四個擁有生物航煤自主研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)的國家。中國石化成為中國首家擁有生物航煤自主研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)的企業(yè)。

4 生物航煤發(fā)展存在的問題

4.1 原料來源不穩(wěn)定

航空生物燃料現(xiàn)在主要以木本油料作物和地溝油為原料進行生產(chǎn)。木本油料受季節(jié)和地域的影響較大，而在種植方面為避免占用糧食耕地，盡量選用荒地坡地等邊際土地，除此之外其選種育種、機械化收割運輸設(shè)備等環(huán)節(jié)也還需要完善，因此，尋找木本原料合適的種植地區(qū)，不與糧爭地，是開發(fā)木本油料考慮的首要問題。地溝油由于來源分散、還要經(jīng)過提煉，原料還能應(yīng)用于諸多其他領(lǐng)域，所以發(fā)展受限比較多。

4.2 生產(chǎn)工藝需改進

目前較成熟的工藝是原料油進行加氫脫氧和異構(gòu)化，深度加氫會造成的芳烴含量過低，而燃料中殘存少量的脂肪酸酯類等非烴類化合物，可使航空燃料冰點升高，運輸和儲存穩(wěn)定性變差，這些是影響航空生物燃料性能的重要因素之一 。費托合成的航空生物燃料雖然在組成、物理化學(xué)性質(zhì)等方面與傳統(tǒng)石油基航空煤油相似，但是由于幾乎不含硫以及芳烴，燃料潤滑性能較差。

4.3 生產(chǎn)成本較高

從原料到航空生物煤油，首先會產(chǎn)生兩種直接成本。一方面，原料的購買和運輸?shù)纫冻龀杀?，另一方面，原料的處理（包括生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物油及地溝油的提煉）需要成本。除此之外，還有外部的間接成本。一則，所有的處理過程勢必造成新的污染源，包括排放二氧化碳和其他污染物；二則，如何進一步處理剩余物呢？就目前的信息，我們還無從得知外部間接成本的確切規(guī)模，生物航煤目前的價格是普通航煤的2～3倍左右，成本較高，是制約生物航煤實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的“瓶頸”。

5 結(jié) 語

生物航煤的發(fā)展是化石航煤的有力補充，不僅可以有效降低碳排放，也可作為拓展非石油資源生產(chǎn)航空煤油的新途徑，但是生物航煤在全球范圍內(nèi)剛剛起步，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走[9]。目前，生物航煤最需要解決的問題是保障充足的生產(chǎn)原料，優(yōu)化和改進工藝路線，降低生產(chǎn)成本，擴大生產(chǎn)規(guī)模，從而加快生物航煤的推廣應(yīng)用。我國生物航煤的發(fā)展已得到了政府的大力支持，國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會已在制定我國的生物航空燃料國家標(biāo)準(zhǔn)，這表明了國家對生物航空燃料已開始重視，相信在國家的大力支持下，隨著生物航煤技術(shù)的不斷提高，生物航煤將展示出廣闊的市場前景。

［1］孫曉英，劉祥，趙雪冰,等.航空生物燃料制備技術(shù)及其應(yīng)用研究進展[J].生物工程學(xué)報，2013，29（3）：286-287.

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