《Biomass and Bioenergy》：Valorization of
gambir leaf residues and sago starch into functional PVA-based biofilms for sustainable bio-based products in Southeast Asia
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可持续航空燃料（SAF）通过生物质和废料转化实现减排，主流技术如ATJ、热解等面临催化剂失活、成本高（64-80 USD/GJ）及原料短缺挑战，需强化工艺整合与再生技术以提升经济可行性。
作者名单：Wajahat Waheed Kazmi、Muhammad Wasi Syed、Muhammad Waqas、Umair Hassan Bhatti、Ahmed Omer、Mansoor Ali、Zulqarnain、Ishaq Kariim、Amjad Hussain、Faysal M. Al-Khulaifi
沙特阿拉伯达兰市法赫德国王石油与矿业大学（KFUPM）跨学科精炼与先进化学研究中心，邮编31261
摘要
由生物质和废弃物流制成的可持续航空燃料（SAF）已成为减少航空业碳排放的主要替代品。传统Jet A-1燃料的生命周期排放量约为89克二氧化碳每兆焦耳（g CO?e/MJ），而许多SAF生产途径根据原料、工艺能耗和副产品处理方式的不同，能够将生命周期温室气体（GHG）排放量降低约50-90%。尽管基于脂质的升级和费托合成等ASTM认证的工艺正在向商业化迈进，并且目前的法规允许混合使用高达50%的SAF，但由于原料供应有限和加工成本高昂，大规模应用仍受到限制。在将废弃物转化为液体的热化学途径中，热解工艺对于将异质生物质和塑料废弃物转化为液态油具有吸引力；然而，热解油富含氧气和水分且化学性质不稳定，需要经过大量处理才能满足航空燃料的标准。本文重点探讨了通过醇制航空燃料、热解、升级、溶剂热液化以及加氢处理等途径从生物质和塑料废弃物中生产航程碳氢化合物的最新进展，特别关注了催化剂失活、再生及抗失活策略，并整合了原料可用性、技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）的内容。最新的技术经济分析表明，主要生产途径的最低售价约为每兆焦耳64-80美元，仍高于化石燃料的约24美元（2022年美元汇率），这凸显了进一步提高工艺效率、创新催化剂、整合低碳氢源以及发展综合性生物精炼技术的必要性。推进这些技术对于实现可扩展且经济可行的SAF应用、同时减少航空业的环境足迹至关重要。
引言
航空业在提高燃油效率方面取得了显著进展，但仍面临阻碍其快速发展的障碍。随着航空旅行需求的持续增长，预计排放量将超过效率提升的速度[1]。2023年，全球航空业的二氧化碳排放量接近9.5亿吨，超过了疫情前的水平[2]。尽管航空业对人为二氧化碳总排放量的贡献相对较小，但其年增长率仍约为5%[3]。为应对日益严重的环境问题，在国际航空运输协会（IATA）的带领下，该行业承诺在2050年前实现净零碳排放目标[4]。这一目标由各航空公司于2021年正式承诺，符合《巴黎协定》的目标[4]。燃油成本占航空公司运营成本的28%，因此业界致力于将环境和经济影响降至最低[5]。因此，研究人员和航空公司正在探索环保且可持续的可再生燃料替代品。预计到2035年，全球航班数量将比2015年翻一番，这进一步凸显了开发生物质基航空燃料等解决方案的迫切性[6]。提高燃油效率和发展碳中性替代品是减少航空业环境影响的关键措施。广泛采用SAF是实现航空业脱碳战略的核心。然而，扩大生产规模是一个重大挑战：目前SAF的产量仅占全球喷气燃料需求的不到0.5%，需要大量投资才能满足未来的气候目标[7]。采用生物喷气燃料将使航空业能够在不更换现有飞机和发动机的情况下大幅减少排放。国际民航组织（ICAO）强调了优先获取这些燃料的必要性[8]。
生物质和废弃物衍生的SAF在减少温室气体排放和应对气候变化方面具有巨大潜力。虽然太阳能和燃料电池等可再生能源目前尚不适用于飞机推进，但生物质衍生SAF提供了一个可行的替代方案[9]。这些燃料可以与传统喷气燃料按最高50%的比例混合使用[10,11]。鉴于航空业每年消耗15至17亿桶传统喷气燃料，即使仅混合1%的SAF也能对环境和经济产生显著益处[10]。传统喷气燃料的排放物包括气溶胶、二氧化碳（CO?）、氮氧化物（NO?）、烟尘和一氧化碳（CO），这些物质会加剧臭氧层破坏和气候变化。相比之下，根据原料和技术进步的不同，生物质衍生SAF的排放量可减少50-95%[12]。除了减排优势外，由于其优化后的燃烧特性，SAF还能帮助降低硫氧化物（SO?）、烟尘、一氧化碳（CO）和碳氢化合物的排放[12]。与含有高达25%芳香烃的传统喷气燃料不同，SAF的氧含量更高、碳氢比更低、芳香烃含量较少，燃烧温度也更高，从而进一步减少了这些物质的排放[11]。ASTM标准D7566规定SAF的芳香烃含量最低为8%，以确保O形圈的性能和燃料特性（如密度）[13]。SAF的芳香烃组成取决于生产过程，影响其与传统燃料的混合兼容性。虽然D7566标准允许生物喷气燃料中含有最高25%的芳香烃，但较低的比例可减少某些材料中的燃料箱膨胀[11]。实现2050年净零碳排放的目标在很大程度上依赖于SAF生产的快速大规模扩张[14,15]。IATA正与多家机构合作，推动SAF的研发和应用，合作伙伴包括航空公司、能源生产商、大型企业和飞机制造商，他们通过SAF注册机构和民航脱碳组织（CADO）等倡议开展合作[16,17]。SAF符合严格的可持续性标准，其物理和化学性质与化石基喷气燃料相当。为了有效整合，SAF必须能够无缝适应现有的航空系统和基础设施[18]。植物油、动物脂肪和农业残渣等原料是HEFA（水解酯和脂肪酸）、醇制航空燃料（ATJ）和费托合成（FT）等SAF生产途径的基础，每种途径都有其独特的可行性和特点[18]。
在快速发展的航空运输与碳中和发展目标之间取得平衡，需要摆脱对化石燃料的依赖，转向可扩展、可持续的燃料替代品。利用来自废弃物、农业残渣、林业副产品和塑料废物的低成本、高产率原料对于提高SAF的经济和环境可行性至关重要。在此背景下，全面评估原料可用性、转化技术、温室气体减排潜力和技术经济可行性对于指导未来发展和政策决策至关重要。本文系统地研究了利用先进的热化学和催化转化技术从多种生物质和废弃物中生产可持续航空燃料的过程，详细介绍了SAF所需的物理化学性质，评估了潜在的原料，并深入分析了现有的和新兴的SAF生产途径。此外，还评估了这些转化途径的技术经济可行性、生命周期温室气体减排潜力及可持续性挑战，讨论了当前的标准、认证现状以及扩大SAF生产和支持航空业脱碳目标所需的研究方向。
喷气燃料和生物喷气燃料的特性
喷气燃料，特别是航空涡轮燃料，用于驱动装有燃气涡轮发动机的飞机。传统喷气燃料主要来自原油精炼过程中的煤油馏分。从化学角度来看，喷气燃料是一种复杂的碳氢化合物混合物，包含正烷烃、异烷烃、环烷烃以及少量芳香烃，而不仅仅是烷烃[19]。
标准
ASTM国际组织（前身为美国材料与试验协会）制定了相关规范，允许符合特定性能和安全标准的替代喷气燃料在商业和军事航空领域使用。其中最著名的SAF成分是SPK，主要由烷烃组成[13]。由于纯SPK几乎不含芳香烃，因此不能单独用于传统涡轮发动机。
不同热化学转化途径中催化系统的稳定性和再生策略
虽然在开发将生物质和塑料废弃物转化为SAF的催化系统时，优异的催化活性和增强的产品选择性是主要目标，但长期运行稳定性对于热化学平台的商业可行性同样重要。必须仔细考虑每个具体过程中的失活机制、再生方案和缓解策略等关键因素。
SAF技术的经济和生态挑战及其应对策略
SAF的生产经济可行性主要受原料成本的限制。除了原料费用外，催化剂成本、氢气供应、资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）也是重要因素[300]。高效SAF生产依赖于高工艺产率和能源效率，即最终产品中的能量含量与来自原料和辅助能源的输入能量之比。
挑战与未来展望
SAF为传统喷气燃料提供了可行的替代方案，有助于减少温室气体排放。虽然SAF由生物基原料制成，具有低碳特性和良好的化学结构，但其广泛应用仍需克服技术和经济挑战。为此提出了一些建议：首先，需要……
结论
本文探讨了从生物质和废弃物原料中生产可持续航空燃料（SAF）的方法，强调了它们作为短期内减少航空业长期气候影响的最可行解决方案之一的作用。研究了多种替代喷气燃料的转化途径，包括气化合成、催化费托反应、热解和催化加氢处理等工艺。
CRediT作者贡献声明
Wajahat Waheed Kazmi： 负责初稿撰写、可视化制作、方法论设计、数据分析、概念构建。
Muhammad Wasi Syed： 负责初稿撰写、软件开发、数据调查、数据分析。
Muhammad Waqas： 负责审稿与编辑、可视化制作、软件应用、数据调查。
Umair Hassan Bhatti： 负责审稿与编辑、验证工作、软件应用、数据分析。
Ahmed Omer： 负责审稿与编辑、软件应用、数据分析。
Mansoor Ali： 负责审稿工作。
致谢
作者感谢阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）物理科学与工程（PSE）部门的支持，同时也感谢法赫德国王石油与矿业大学（KFUPM）跨学科精炼与先进化学研究中心（IRC-RAC）的支持。在撰写本文过程中，作者未使用任何生成式人工智能（AI）或AI辅助技术。
