《Resources, Conservation and Recycling》：Life-cycle assessment and techno-economic analysis of negative carbon sustainable aviation fuels from paper sludge
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本文针对航空业碳减排挑战，创新性地提出利用造纸污泥这一工业固体废物制备可持续航空燃料（SAF）并耦合碳捕集与封存（CCS）技术。研究人员通过Aspen Plus流程模拟、生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA），系统评估了16种工艺情景的环境与经济可行性。结果表明，CCS技术的引入可使燃料全球变暖潜能（GWP）降至-166.4 g CO2eq/MJ，实现负碳排放，为造纸和航空工业迈向净零排放提供了关键技术路径。
在全球航空旅行持续增长的背景下，航空业作为温室气体排放的重要贡献者，其碳排放问题日益凸显。国际能源署数据显示，2022年航空业占全球CO2排放量的2%，且随着需求增长，预计2050年排放量将翻倍。为应对这一挑战，美国政府启动了可持续航空燃料（SAF）大挑战计划，目标是到2030年实现生命周期温室气体减排50%，2050年达成航空业净零排放。这一宏伟目标亟需开发多样化的原料来源和创新转化技术。
造纸工业每年产生大量固体废弃物——造纸污泥，全球年产量约1600-2000万吨干基，美国约400万吨干基。传统处理方式如填埋、焚烧等存在资源利用率低、环境污染严重等问题。与此同时，造纸污泥因其低木质素含量、高比表面积和低成本的特点，成为生产可持续生物产品的理想候选原料。然而，其高灰分（可超过50wt%干基）、高水分含量和成分多变性，给高值化利用带来巨大挑战。
为解决上述问题，北卡罗来纳州立大学的研究团队在《Resources, Conservation and Recycling》上发表了一项创新研究，通过集成流程模拟、生命周期评估和技术经济分析，系统评估了利用造纸污泥生产可持续航空燃料的环境与经济可行性。研究特别关注了碳捕集与封存技术对实现负碳排放的关键作用。
研究人员采用Aspen Plus V14建立了日处理500干吨造纸污泥的生物精炼厂全流程模型，涵盖原料处理、预处理与酶水解、乙醇生产、SAF生产、热电联产和碳捕集六个核心区域。研究设置了16种情景，变量包括原料类型（原生浆厂污泥与再生纸厂污泥）、乙醇纯度（92.5%与99.5%）、脱水催化剂（γ-Al2O3与ZSM-5）以及CCS的配置。生命周期评估采用从摇篮到坟墓的系统边界，功能单位定义为1 MJ产出的SAF，使用TRACI 2.1方法评估了10种环境影响类别。技术经济分析以最小燃料销售价格为指标，通过贴现现金流收益率法计算。
3.1. 生命周期环境影响
研究发现，无CCS配置时，SAF的全球变暖潜能为38.8-71.6 g CO2eq/MJ，较传统航空燃料（80.7-109.3 g CO2eq/MJ）最高可减排64.5%。引入CCS后，GWP显著降低至-166.4至-108.7 g CO2eq/MJ，实现负碳排放，减排幅度达199.5%-252.3%。然而，CCS在降低GWP的同时，会增加其他环境影响类别负担，如呼吸效应影响增加56.4%-158.7%，主要源于单乙醇胺的生产、使用和再生过程。
3.2. 资本与运营成本
CCS情景的总资本支出为9900万-1.17亿美元，较非CCS情景（6700万-7700万美元）增加45.0%-54.1%。碳捕集区域是CCS情景中资本支出最大的贡献者（15.2%-17.2%）。运营成本方面，CCS情景为5.1-6.5美元/汽油加仑当量，非CCS情景为3.4-4.7美元/汽油加仑当量。废水处理是运营成本的最大组成部分，源于预处理阶段大量的工艺用水需求。
3.3. 协同分析结果
最小燃料销售价格在CCS情景中为7.98-10.04美元/汽油加仑当量，非CCS情景为5.23-7.00美元/汽油加仑当量。研究引入了环境成本效率指标，定义为每支付1美元额外成本所能实现的GWP减排量。CCS情景的环境成本效率比非CCS情景高57.9%-68.6%，其中情景KLAC最高，每美元可产生4.17 kg CO2eq的减排效益。
3.4. 敏感性分析
针对最具环境成本效率的情景（KLAC与RLA）进行敏感性分析发现，天然气碳强度、副产品碳强度和原料收集距离是影响生命周期GWP的关键因素。而对于最小燃料销售价格，工厂规模、内部收益率和废水处理成本是最敏感参数。造纸污泥的高水分和高灰分特性使其运输质量远高于其他木质纤维素原料，显著影响整体环境表现。
该研究通过多情景系统分析表明，利用造纸污泥生产可持续航空燃料兼具环境效益与废物资源化价值。碳捕集与封存技术的引入虽增加成本，但能实现负碳排放，为航空业深度脱碳提供了技术路径。研究揭示了不同工艺参数对系统性能的影响规律，为技术优化和政策制定提供了科学依据。通过协同分析环境与经济指标，研究为决策者在碳排放目标、预算约束和技术可行性之间的权衡提供了量化支持，对推进循环经济和碳中和目标具有重要意义。
