炼油厂共加工可持续航空燃料：成本与碳强度影响分析

《Environmental Science & Technology》：Cost and Carbon Intensity Implications of Coprocessing Sustainable Aviation Fuel at Petroleum Refineries

本文深入探讨了在运营中的石油炼油厂内集成酒精制喷气燃料（ATJ）路径生产可持续航空燃料（SAF）的策略。研究通过评估独立建设、毗邻建设及设施再利用（共加工）三种情景，揭示了设施再利用情景能显著降低资本支出（36%）和SAF最低售价（MSP，12%），而碳强度（CI）在不同情景下保持稳定。研究特别强调了使用柳枝稷和芒草等多年生纤维素原料对大幅降低CI（较玉米基路径降低70%以上）的关键作用，为低成本、低碳航空燃料的规模化部署提供了重要见解。

　　

引言

航空业是全球连通性的重要支柱，但其产生的温室气体排放约占交通运输相关二氧化碳（CO₂）排放的11%。若考虑非CO₂排放（如凝结尾迹和氮氧化物），航空业对全球变暖的贡献更为显著。随着航空燃料需求预计持续增长，推动航空业脱碳至关重要。然而，中长途飞行依赖高能量密度的液体烃类燃料，这使得电气化或氢能等替代方案在短期内难以直接应用。因此，可持续航空燃料（SAF）作为一种“即用型”低碳替代燃料，成为 decarbonizing 航空业的关键路径之一。

SAF可通过多种原料和路径生产，其中酒精制喷气燃料（ATJ）路径因其可扩展性和成熟的乙醇工业基础而备受关注。特别是利用纤维素生物质（如柳枝稷和芒草）作为原料，能显著降低燃料的全生命周期碳强度（CI），但高昂的资本成本限制了其商业化。本研究旨在评估将ATJ路径的SAF生产整合到现有石油炼油厂中的财务可行性和环境效益，重点关注三种整合情景：独立设厂（基准）、毗邻设厂以及设施再利用（共加工）。

方法

系统设计

研究的SAF生物精炼系统设计分为两个主要阶段：乙醇生产和乙醇升级为ATJ-SAF。系统基准处理能力为每天2000干吨纤维素原料（芒草或柳枝稷）。乙醇生产阶段包括蒸汽预处理、同步糖化共发酵和乙醇回收等工序。产生的乙醇一部分用于现场升级为SAF（定义为乙醇分流比），其余作为副产品外售。升级阶段包括乙醇脱水制乙烯、乙烯低聚化、加氢和分馏等步骤，以生产符合航空燃料标准的SAF以及汽油、柴油等副产品。

整合情景

研究评估了三种整合程度递增的情景：

1. 1.
   独立情景：作为基准，SAF生物精炼厂完全独立建设，包括所有界区内（ISBL）和界区外（OSBL）设施。
2. 2.
   毗邻设厂情景：SAF生物精炼厂与石油炼油厂毗邻建设，共享部分OSBL基础设施（如污水处理、蒸汽和电力系统）和服务设施，但不影响炼油厂原有运营。
3. 3.
   设施再利用（共加工）情景：将SAF生产的中间体（低聚物）引入石油炼油厂的柴油加氢处理装置中进行共加工，最大限度地共享ISBL、OSBL单元和服务设施。共加工水平通过共加工比率（低聚物体积流与柴油加氢处理装置总吞吐能力之比）来量化，本研究基线约为10%，并探讨了4%至15%的范围。

技术经济分析（TEA）与生命周期评估（LCA）

采用BioSTEAM开源平台进行流程模拟、技术经济分析和生命周期评估。TEA以1加仑SAF为功能单位，计算在10%内部收益率下使项目净现值为零的SAF最低售价（MSP）。LCA采用从摇篮到坟墓的系统边界，功能单位为1兆焦耳（MJ）的SAF（低热值基准），分别使用能量分配和置换法处理副产品的影响，主要评估指标为全球变暖潜能（GWP₁₀₀）表征的碳强度（CI）。同时，通过蒙特卡洛模拟和拉丁超立方抽样进行了不确定性分析和敏感性分析。

结果与讨论

物料与能量流

分析表明，在基准条件下（90%乙醇用于现场升级），芒草原料生产SAF的碳转化率和能量转化率分别达到23.6%和35.3%，年产量约为3000万加仑。柳枝稷由于乙醇产率稍低，导致SAF产量相应减少。系统能量流显示，发酵后的酵母残渣被送往锅炉进行能量回收，满足了部分工艺能耗需求。

整合的成本节约潜力

在所有情景下，SAF的MSP均高于当前美国喷气燃料批发价，但与已报道的纤维素ATJ技术生产成本范围相比具有竞争力。设施再利用情景实现了最显著的成本降低：与独立情景相比，MSP降低了1.12美元/加仑（基线为8.14美元/加仑），总资本投入（TCI）减少了36.2%。这主要归因于大量共享OSBL单元（如污水处理、蒸汽动力系统）以及部分ISBL单元所带来的资本支出大幅下降。尽管共加工引入了机会成本（因替代部分石油产品而损失的收益），导致年度运营成本（AOC）略有增加，但资本支出的节约占主导地位。毗邻设厂情景的成本节约相对有限。柳枝稷原料的结果显示出相似的趋势。

整合的环境影响

不同整合情景对SAF的CI影响甚微。SAF的CI主要取决于原料和生产工艺。使用纤维素原料（芒草和柳枝稷）生产的SAF，其CI（基线值分别为17.01和12.23 g CO₂e·MJ^–1，使用置换法）显著低于传统喷气燃料基准（89 g CO₂e·MJ^–1），降幅超过70%，这主要得益于多年生作物在种植过程中对土壤有机碳（SOC）的固存作用带来的巨大碳汇效益。CI分解显示，其他材料（如苛性钠、酶制剂）的获取和工艺热需求（天然气燃烧）是正排放的主要来源，而原料的碳信用和副产品的碳抵消（置换法下）显著降低了净CI。

经济与环境绩效的驱动因素

敏感性分析表明，SAF的MSP对水解酶负载、原料价格和原料流量最为敏感。共加工比率与MSP呈负相关，即提高共加工水平有助于降低SAF成本。SAF的CI则对锅炉效率（影响能耗）和乙醇分流比（影响副产品碳信用）最为敏感。研究还探讨了在不同原料CI和乙醇分流比下，两种LCA分配方法（能量分配与置换法）对最终SAF CI计算结果的影响。

展望低碳航空未来的路径选择

本研究证实，在现有炼油厂内通过设施再利用（共加工）策略整合纤维素ATJ-SAF生产，是实现成本有效和低碳航空燃料规模化生产的有前景的路径。该策略能大幅降低资本门槛，同时保持极低的燃料碳强度。然而，实现这一潜力还面临上游纤维素乙醇生产技术的转型、ATJ路径生产100%即用型燃料所需烃类组成的完善、共加工燃料的ASTM标准认证（目前ATJ共加工尚未获D1655标准批准）以及共加工燃料中生物基碳含量的准确追踪等挑战。解决这些技术和政策障碍，将有力加速SAF的部署，支持航空业向净零排放过渡。