通过离体催化快速热解和精炼加氢工艺从木质生物质生产可持续航空燃料的可行性评估

《Energy & Fuels》：Opportunity Assessment for Sustainable Aviation Fuel Production from Woody Biomass via Ex Situ Catalytic Fast Pyrolysis and Refinery Hydroprocessing

催化快速热解（CFP）木质资源转化为可持续航空燃料（SAF）的潜力及炼油厂协同策略研究。该技术至2040年可年产4.6亿加仑SAF，占2050年目标13%，降低美国 jet燃料池碳强度16%。优化框架显示炼油厂设备改造（如 repurposing 氢裂解装置）比新建生物炼厂更具经济性，平均运输距离223英里时边际成本相等。研究整合了美国2023年生物质资源数据库及ASTM燃料规格，提出木质资源转化SAF、再生汽油/柴油及电力/生物炭多产品协同路线，并量化了全生命周期碳减排达85-92%。

　　随着全球对减少碳排放和实现可持续发展的关注日益增加，生物燃料作为替代传统化石燃料的一种解决方案，正在成为应对难以实现电气化的交通领域（如航空业）的关键。航空业因其高度依赖航空燃料而成为碳排放的重要来源，因此，寻找低碳的航空燃料替代方案成为各国政府和行业组织的重点任务。美国能源部（DOE）提出的可持续航空燃料（SAF）大挑战计划正是为了推动航空燃料的低碳转型，设定到2030年生产30亿加仑（B-Gal）和到2050年生产350亿加仑的SAF目标，并要求至少减少50%的碳强度（CI）。为了达到这些目标，研究者们正在探索多种生物燃料转化路径，其中催化快速热解（CFP）技术因其在资源利用和生产潜力方面的优势，成为值得深入研究的方向之一。

CFP技术是一种将生物质转化为燃料和化学品的先进方法，它通过高温分解生物质，在催化剂的作用下生成稳定的生物油，再通过加氢处理转化为成品航空燃料。这一过程的优势在于其能够利用广泛存在的木质生物质作为原料，且其转化步骤可以与现有的石油炼化设施兼容，从而降低新建设施的资本支出。CFP技术的成熟度和规模化应用仍处于发展阶段，但其在生产可持续航空燃料方面的潜力已被多项实验研究证实。例如，一些实验已经展示了通过CFP和加氢处理将木质生物质转化为符合ASTM标准的航空燃料的过程，并评估了其在产量、碳效率以及燃料性能方面的表现。这些实验结果不仅证明了CFP技术的可行性，还展示了其在生命周期分析（LCA）中相比传统航空燃料能减少高达85%至92%的温室气体（GHG）排放。

为了全面评估CFP技术在美国实现SAF大挑战目标中的作用，研究团队采用了一种创新的生物经济优化框架，结合了DOE 2023年“十亿吨研究”提供的全国森林土地资源数据和近期的实验数据。这些数据被用于模拟CFP技术如何将大量可再生和废弃物森林生物质转化为SAF，并评估其在满足国家燃料需求方面的潜力。研究还考虑了不同处理策略，如独立运行的CFP设施和与现有石油炼厂共址运行的方案，以识别最优的实施路径。结果显示，到2040年，CFP技术有可能贡献高达46亿加仑的SAF，占2050年目标的13%，同时将美国航空燃料池的碳强度降低16%。这一成果不仅表明了CFP技术在航空燃料减碳方面的潜力，还展示了其在其他可再生能源生产中的广泛适用性。

此外，研究还探讨了CFP技术在与其他燃料生产路径协同发展的可能性。例如，CFP技术不仅能够生产SAF，还能生成其他运输燃料和可再生能源，如汽油、柴油和生物炭。这些副产品为CFP技术提供了额外的经济价值，并有助于提高其在整体生物经济中的竞争力。其中，生物炭作为副产品，可以用于土壤改良、动物饲料添加剂以及建筑材料的增强剂，展现出广阔的市场前景。而汽油和柴油的混合燃料则可能在与化石燃料混合后满足最终产品的规格要求，从而为未来多种燃料的协同生产提供支持。

为了进一步提升CFP技术的经济性和可行性，研究团队提出了一些关键的优化策略。其中，将CFP过程与现有石油炼厂共址运行被认为是最具成本效益的方案。这一策略能够利用炼厂现有的加氢处理能力，减少新建设施的投入，同时降低运输成本和碳足迹。研究假设，当炼厂对CFP过程进行改造时，其加氢处理和公用设施的资本成本可以分别降低至独立设施的50%和25%。这些假设基于对炼厂改造和再利用的合理估算，为CFP技术的规模化应用提供了可行的路径。

研究还指出，CFP技术的部署和应用需要考虑多个因素，包括原料的可获得性、运输成本、炼厂的现有基础设施以及政策激励措施。例如，不同地区的木质生物质原料的运输距离和成本差异显著，这可能影响CFP技术的经济可行性。因此，优化模型需要更精细地考虑原料的地理分布和运输方式，以确保其在不同区域的适用性。同时，为了进一步提高CFP技术的效率和竞争力，还需要对炼厂的基础设施进行更详细的分析，以评估其在处理CFP生成的生物油方面的适应性。此外，政策激励措施，如联邦、州和地方的补贴或税收优惠，也可以在推动CFP技术应用方面发挥重要作用。

尽管CFP技术在航空燃料减碳方面展现出巨大潜力，但其发展仍面临一些挑战。首先，原料的供应和成本是影响CFP技术经济性的关键因素。目前，木质生物质的供应量和价格存在较大波动，这需要通过更精确的资源评估和供应链管理来解决。其次，CFP技术的工艺流程仍需进一步优化，以提高生物油的产量和质量，减少加氢处理的能耗和成本。此外，CFP技术的商业化部署还需要克服技术成熟度和规模化生产方面的障碍，例如如何在不同规模的设施中实现高效的热解和催化升级。

在研究方法上，团队采用了基于Python的生物经济优化模型（BiOpt），该模型能够模拟CFP技术在美国全国范围内部署的潜力，并根据不同的优化目标进行调整。BiOpt模型通过整合多种数据源，包括资源可用性、原料价格、运输成本以及炼厂的现有设施信息，能够为决策者提供全面的分析框架。模型的结构分为多个层次，分别对应不同的转化路径和产品类型，使得研究人员能够在不同条件下进行模拟和优化。此外，BiOpt模型还能够处理复杂的经济和环境数据，从而支持更深入的分析和决策制定。

研究的局限性主要体现在数据的全面性和模型的灵活性方面。目前，模型主要基于已有的实验数据和资源评估，而未能充分考虑所有可能的转化路径和原料来源。因此，未来的研究需要进一步扩展模型的范围，以涵盖更多类型的生物质和废弃物，以及更复杂的转化工艺。同时，模型的地理分辨率也需要提高，以更好地模拟不同地区的资源分布和基础设施情况。此外，运输成本的计算也需要更加细化，以考虑铁路、海运和管道等多种运输方式。这些改进将有助于提高模型的准确性和实用性，为CFP技术的广泛应用提供更可靠的依据。

总的来说，这项研究为CFP技术在航空燃料减碳中的应用提供了重要的理论支持和实践指导。通过结合资源数据、实验结果和优化模型，研究团队不仅评估了CFP技术的生产潜力，还探讨了多种优化策略，为未来的商业化部署奠定了基础。尽管仍存在一些挑战，但CFP技术在减少碳排放、提高资源利用率和促进可持续发展方面的潜力不容忽视。未来的研究和实践需要进一步完善模型和优化策略，以推动CFP技术在全球范围内的广泛应用。