二氧化碳制綠色航油的中國(guó)方案
二氧化碳制綠色航油的中國(guó)方案
隨著光伏、風(fēng)能等非水可再生能源以及電化學(xué)儲(chǔ)能的發(fā)展,交通工具的電動(dòng)化成為了交通領(lǐng)域減輕CO2排放的主要技術(shù)路線。然而,針對(duì)目前高速發(fā)展的航空運(yùn)輸業(yè),商用鋰離子電池的能量密度(0.54-1.26 MJ/kg)和航空燃料(34.9-40.6 MJ/L)之間的巨大差距使得在可預(yù)見的未來(lái)航空領(lǐng)域難以迅速實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化,亟待一種可行技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)航空運(yùn)輸業(yè)的“碳中和”目標(biāo)。
綠色航油是指從非化石資源而來(lái)的C8~15液體烴類燃料。根據(jù)美國(guó)環(huán)球油品公司的生命周期分析,綠色航油的溫室氣體排放量比石油基航空燃料減少65%~85%。在使用過(guò)程中顯示出更高的能量密度,可使飛機(jī)在消耗更少燃料的基礎(chǔ)上飛得更遠(yuǎn),其閃點(diǎn)、凝固點(diǎn)、穩(wěn)定性以及燃燒熱等航空燃料所有關(guān)鍵性指標(biāo),均滿足甚至超過(guò)現(xiàn)有的航空燃料標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范?,F(xiàn)有飛機(jī)改用生物航空燃料時(shí),無(wú)需更改飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料基礎(chǔ)設(shè)施,即可直接便捷地使用。在這種情況下,綠色航油被公認(rèn)為是可降低世界航空運(yùn)輸業(yè)二氧化碳排放的可行路徑。
截至2020年底,全球已有十多個(gè)國(guó)家的航空公司試用生物航空燃料,共有65個(gè)國(guó)家執(zhí)行了綠色航油強(qiáng)制摻混指令。歐盟(EU)《可再生能源指令》要求綠色航油的添加比例在2030年不低于5%,2050年不低于63%。2019年,全球航空燃料消費(fèi)量3.6億噸,這表明目前全球綠色航油的產(chǎn)銷量?jī)H為航空燃料消費(fèi)總量的千分之一,未來(lái)增長(zhǎng)空間巨大。
目前,綠色航油主要從生物油脂的裂化精制獲得,收率低能耗大,其售價(jià)高達(dá)2700~3100美元/噸,是石油基航煤的4倍。高昂的價(jià)格限制了其推廣應(yīng)用,如何高選擇性定向獲得綠色、低成本航油成為了學(xué)術(shù)熱點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)痛點(diǎn)。
去年,清華大學(xué)化學(xué)工程系課題組相繼在《ACS Catalysis》、《Nature Communications》發(fā)表研究成果,標(biāo)志課題組在CO2制綠色航煤 (CO2 to Aviation Fuel, CO2AFTM) 領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。
01 技術(shù)簡(jiǎn)介
清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)指向含芳環(huán)航煤餾分(C8~C15)為目標(biāo)產(chǎn)物的工藝路線,從熱力學(xué)上實(shí)現(xiàn)CO2加氫的自發(fā)反應(yīng)路徑;在金屬氧化物-分子篩酸堿異質(zhì)結(jié)上發(fā)展自發(fā)單分散金屬策略,在保持80%以上超高芳烴定向轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上將CO?加氫能力提高3倍。同時(shí)探究了高壓加氫多相流反應(yīng)器內(nèi)氣固相結(jié)構(gòu)特征,滿足CO?加氫過(guò)程中對(duì)溫度與濃度場(chǎng)均勻性的苛刻要求,為CO?加氫制綠色航空燃料與化學(xué)品從概念到產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
技術(shù)的“綠”體現(xiàn)在整個(gè)工藝上。分為兩種原料路徑:一種是以生物質(zhì)為原料,通過(guò)生物質(zhì)氣化所得的一氧化碳、二氧化碳、氫氣,一步法合成生物航空煤油;另一種是以捕集到的二氧化碳為原料,通過(guò)二氧化碳加氫合成綠色航空煤油。前者充分利用生物質(zhì)中的可再生碳資源,外補(bǔ)一定量的綠氫(或藍(lán)氫)即可;后者可根據(jù)獲得的綠氫資源量和綠氫成本,對(duì)項(xiàng)目規(guī)模進(jìn)行靈活規(guī)劃。
02 技術(shù)優(yōu)勢(shì)
現(xiàn)有生物航空煤油生產(chǎn)路徑有兩條:
一是加氫精制法,即通過(guò)對(duì)植物油、地溝油或其他高含油物質(zhì)加氫精制獲得生物航空煤油。這種航空煤油與常規(guī)石油基航空煤油碳數(shù)分布基本相同。代表性技術(shù)包括芬蘭耐斯特石油公司(NESTEOIL)的新一代可再生噴氣燃料技術(shù)、美國(guó)霍尼威爾-環(huán)球油品公司(Honeywell UOP)的可再生航空燃料工藝。加氫精制法的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)為技術(shù)較為成熟、產(chǎn)品調(diào)節(jié)靈活(可根據(jù)市場(chǎng)需求靈活調(diào)整綠色航空煤油和綠色柴油產(chǎn)量)、適應(yīng)市場(chǎng)能力強(qiáng)等。不過(guò),原料來(lái)源(各類油和脂肪、海藻、薺藍(lán))受限是加氫精制法最大的問(wèn)題,尤其是植物油原料存在與人爭(zhēng)糧、與糧爭(zhēng)地的問(wèn)題。而另一主要來(lái)源——地溝油,則因分布零散、收購(gòu)渠道不暢、供不應(yīng)求導(dǎo)致價(jià)格持續(xù)攀升,目前已經(jīng)高達(dá)6000~7000元/噸,推高了最終產(chǎn)品生物航空煤油的成本,也影響了這一技術(shù)的大范圍推廣應(yīng)用。
二是費(fèi)托合成法,即以纖維素、木質(zhì)素等生物質(zhì)為原料,先氣化生成合成氣,合成氣經(jīng)費(fèi)托合成生成蠟,蠟再加氫裂化、加氫異構(gòu)改質(zhì)生產(chǎn)生物航空煤油。代表技術(shù)有芬蘭耐斯特石油公司(NESTEOIL)開發(fā)的第一代生物航空燃料和可再生柴油技術(shù)、南非薩索爾公司(Sasol)開發(fā)的鐵基催化高溫費(fèi)托合成工藝,以及2022年1月英國(guó)莊信萬(wàn)豐公司(Johnson Matthey)推出的逆變換+費(fèi)托合成工藝。費(fèi)托合成法原料來(lái)源廣泛、減碳效果顯著,但獲得的液體燃料的主要組分為C2至C90的直鏈烷烴,真正可作為優(yōu)質(zhì)航空煤油的C8至C15組分僅占合成產(chǎn)物的25%,且沒有環(huán)烷烴和芳烴,導(dǎo)致所得航空煤油比重低、能量密度低,也就是攜帶同等體積的費(fèi)托合成法燃料油的飛機(jī)飛行里程短。
與上述技術(shù)相比,清華大學(xué)(CO2AFTM)技術(shù)整個(gè)工藝路徑都是綠色的。具體說(shuō)有4個(gè)優(yōu)勢(shì):一是所得航空煤油組分集中于C9至C11芳烴,優(yōu)質(zhì)航空煤油組分的選擇性超過(guò)80%,再與直鏈烷烴調(diào)和就可獲得合格航空煤油產(chǎn)品。二是選擇了芳環(huán)作為最終產(chǎn)物,提高了反應(yīng)過(guò)程的熱力學(xué)效率,能源利用效率高、節(jié)能效果明顯。三是通過(guò)采用酸堿異質(zhì)結(jié)催化劑,反應(yīng)可以在270~370℃、2MPa以上的溫和條件下進(jìn)行,綜合能耗和成本較低。四是原料來(lái)源廣泛、可持續(xù)發(fā)展后勁足——此項(xiàng)技術(shù)可以生物質(zhì)等可再生能源為原料制得合成氣,然后一步法生產(chǎn)航空煤油,也可以捕集凈化工業(yè)企業(yè)排放的二氧化碳,與氫氣一步法生產(chǎn)航空煤油,從而實(shí)現(xiàn)雙重減碳,資源化用碳,是真正意義的綠色低碳甚至負(fù)碳航空煤油生產(chǎn)工藝。
03 進(jìn)展
現(xiàn)已完成100噸/年小試,驗(yàn)證了催化劑的選擇性、穩(wěn)定性、有效性、安全性,說(shuō)明整個(gè)工藝流程的科學(xué)性、合理性與可行性。從小試結(jié)果看,二氧化碳加氫一步生產(chǎn)綠色航空煤油技術(shù),每生產(chǎn)1噸航空煤油,約消耗3.3噸二氧化碳、0.43噸氫氣和0.5kg催化劑,且催化劑在連續(xù)使用3000小時(shí)后仍未明顯失活。
目前,采用此項(xiàng)技術(shù)建設(shè)的萬(wàn)噸級(jí)工業(yè)試驗(yàn)裝置正在工程施工,預(yù)計(jì)2023年投料試車。該工業(yè)化試驗(yàn)裝置將主要解決工程化過(guò)程中催化劑與工藝過(guò)程中小試不能發(fā)現(xiàn)但可能影響未來(lái)工業(yè)示范裝置長(zhǎng)期運(yùn)行的一些問(wèn)題。工業(yè)試驗(yàn)完成后,可根據(jù)綠氫規(guī)模形成十萬(wàn)噸至百萬(wàn)噸級(jí)工藝包,開始穩(wěn)妥地工業(yè)化推廣應(yīng)用。
采用此項(xiàng)技術(shù)建設(shè)一套30萬(wàn)噸/年裝置總投資約45億元。假如采用光伏制綠氫,需配套4.5Gw光伏(光伏發(fā)電按1600小時(shí)/年計(jì)算)以及180套1000立方米/小時(shí)電解水制氫裝置。
04 結(jié)語(yǔ)
本技術(shù)(CO2AFTM)以CO2和綠氫為原料,與領(lǐng)域內(nèi)世界科技巨頭(美國(guó)霍尼韋爾UOP的Green Jet FuelTM以及歐洲莊信萬(wàn)豐Johnson Matthey的HyCOgenTM)同臺(tái)競(jìng)技,在世界低碳核心技術(shù)領(lǐng)域提出中國(guó)方案,可固碳、創(chuàng)造負(fù)碳排放,助力航空飛行實(shí)現(xiàn)凈零排放,還可將風(fēng)光新能源電力轉(zhuǎn)化為液態(tài)能源,對(duì)我國(guó)2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有重要意義。