生物航空煤油的发展现状

张 玉 玺

（银川能源学院 石油化工系， 宁夏 银川 750105）

随着各国对温室气体排放要求的日益严格，以及化石能源的日益枯竭。全球航空业正面临来自世界应对气候变化进程和寻找航煤替代品的双重挑战，为解决环境和能源问题，同时为了实现航空业可持续发展，寻求和开发新能源成为研究热点。由于生物燃料的原料易得、可再生、污染少等优点，生物航空煤油的开发已经得到世界许多国家的普遍重视。

1 生物煤油的生产原料

生物航空煤油是生物燃料的一种，其原料已发展到了第四代。第一代生物燃料取自于淀粉、糖类、植物油和动物油脂,由于存在“与人争粮”的问题，已被淘汰。二代生物燃料以麦秆等农林废弃物为主的生物质原料经过预处理、酶降解和糖化、发酵等步骤制成。对环境的影响小，不与人争粮，但生产成本成为制约生物燃料发展的瓶颈。藻类由于分布广泛、油脂含量高、环境适应能力强、生长周期短、产量高等特点，成为了第三代生产生物燃料的主要原料。第四代生物燃料又称负碳生物燃料，通过人为光合作用大量吸收二氧化碳合成生物燃料，这项技术还处于实验阶段[1]。

从2008年起欧美主要国家陆续开展了生物航空燃料的研发和试验飞行，其所用生物燃料主要椰子油、棕榈油、麻风子油、亚麻油、海藻油、餐饮废油、动物脂肪等为原料生产。中国石化自2009年开始研发生物航煤技术，曾以棕榈油为原料首次生产生物航煤产品。2012年10月，又以餐饮废油为原料生产生物航煤产品。餐饮废油生产生物航煤的工艺技术，解决了餐饮废油科学合法、高效利用的难题，有利于餐饮废油资源的绿色利用。此外，美国、德国、芬兰等的航空公司的部分航线，也采用了地沟油转制燃油，效果良好。从各国生产生物航煤的情况看，原料以第二代为主，藻类的应用还处于初级阶段。

2 生物航空煤油的制备工艺

传统化石燃料中柴油的沸点范围是 200～350℃而煤油的沸200～300 ℃，从馏程看煤油好像是柴油的一部分，但质量要求却不一样，特别是低温性能，航空煤油的冰点指标要求不高于-55 ℃，而生物航煤的冰点至少不高于-47 ℃，烯烃和芳烃的含量要少，化石柴油和生物柴油的冬季冷滤点最高要求-20 ℃[2]，因此生物柴油不能直接加入到喷气机中，否则会引起燃料固化，所以必须要经过改性，基于以上原因，国内外已经开发出多种航空生物燃料生产工艺路线，其研究思路主要是将生物质转化为中间产物(生物质油或合成气)，再对中间产物 (或天然油脂) 进行改性制备生物航空燃料，主要工艺路线包括：天然油脂(或生物质油)加氢脱氧-加氢裂化/异构技术路线(加氢法)；生物质液化(气-费托合成)-加氢提质技术路线；生物质热裂解(TDP) 和催化裂解 (CDP) 技术路线；生物异丁醇转化为航空燃料技术路线等[3]。其中，加氢法和气化-费托合成法生产生物航空燃料的技术发展迅速。

2.1 加氢法

是将生物质先转化为生物油然后通过催化加氢来制取生物煤油。由生物质转化的生物油与合格的航煤比较起来，含氧量过高，其主要表现在含有大量的酚、醛、酮类物质，而且还含有大量不饱和键，故生物质油稳定性差.通过加氢可以提高生物油的饱和度，造成碳氧键断裂，使氧元素以H2O或CO2的形式脱出。从而提高生物油的稳定性和能量密度。文献[4-5]分别报道了以镍基和 Co-Mo-P 为催化剂进行生物油催化加氢反应，将Mo-10Ni/γ-Al2O3 用于生物油的催化加氢可使生物油pH值从2.16上升到2.84，氢元素从 6.61%上升到 6.93%，同时生物油的黏度也有一定程度的下降。而以Co-Mo-P为催化剂的试验表明，改性生物油的氧含量由改性前的41.8%降到3%，热值也有所升高，更有利于运输和储存。

2.2 气化-费托合成法

生物质气化后得到合成气，合成气再经过催化剂作用转化为液态烃的方法是由德国科学家 Frans Gischer和Hans Tropsch发明的，称为F-T(费托) 合成[6]。根据操作条件，可分为高温费托合成和低温费托合成。这两种方法都可以得到性能良好的产品其中高温费托合成以汽油、柴油、溶剂油和烯烃为主的产品，低温费托合成的产品则以煤油、柴油、润滑油基础油和石脑油为主。文献报道[7-8]费托合成按照原料不同可分为3种工艺，及煤制油工艺、天然气合成油工艺、生物质合成油工艺。煤和天然气为原料的工艺，虽然能够利用未开采的能源，暂时解决能源危机和全球气候变化问题，但从长远目标出发，由煤和天然气等非可再生能源来制备航空生物燃料并不能使能源可持续发展。而以可再生的生物质为原料可以充分利用废弃的低品质生物质，使其转化为清洁能源，具有显著的环境效益。

3 生物航空煤油的实际应用

为了减少CO2对大气的污染，保护我们赖以生存的大气环境，航空燃料做为航空业最大的排放源，引起了世界的广泛关注，尽管航空气体排放量仅占人类所有排放量的2%～3%，但航空煤油燃烧后产生的CO2及其危害远大于其它行业，因此各国纷纷开始开发生物航煤，以避免温室效应加剧。目前国外已经有多家航空公司使用航空生物燃料进行试飞。2008-2011年，新西兰航空公司、美国大陆航空公司、日本航空公司、墨西哥航空公司、荷兰航空公司等多家航空公司在大型客机上对生物质航煤比例<50%航煤油品进行过飞行测试。在DA42轻型飞机（奥地利钻石飞机制造公司制造），采用100%的生物质航煤进行了飞行测试，没有发现安全问题；美国空军与海军分别在C17大型运输机、A10雷电攻击机、大黄蜂F/A-18攻击机上使用50%生物质调和航煤进行了飞行测试，表现出良好的安全性；2011.1荷兰171名旅客搭载着用生物航煤作原料的皇家航空KLM公司的Boeing 737－800航班，从阿姆斯特丹飞到巴黎；2011.7 德国汉莎 Lufthansa公司的 AirbusA321采用生物航煤实现从汉堡到法兰克福的 6个月正常飞行；同年同月墨西哥 Interjet公司的 AirbusA320和芬兰航空 Finnair公司的AirbusA319也实现了生物航煤的试飞；2011.10—2011.11法国航空 Air France公司的AirbusA320和美国大陆航空ContinentalAirlines公司的 Boeing 737－800分别采用餐饮废油和海藻为原料生产的生物航空燃料飞行；美国国防部 2011 年12月6日宣布，将订购了45万加仑的生物燃油，在2012年夏季供航母战斗群在军事演习中使用。

中国石化自2009年开始研发生物航煤技术，于 2011年建成一套生物航空煤油工业装置及调和设施， 2011年，中国石油、中国国航、中国航油、美国波音公司和Honeywell UOP公司在北京首都国际机场进行了中国首次可持续航空生物燃料的验证飞行，使用传统航空喷气燃料与航空生物燃料按照50∶50 的比例调和而成的混合燃料，试飞持58 min 2012年2月28日，中国民用航空局在北京举行中国石化1 号生物航空煤油适航审定申请受理仪式，正式受理中国石化研发的1号生物航煤适航审定申请。2012年10月，又以餐饮废油为原料生产生物航煤产品。2013年04月24日中国自主研发生产的以1号生物航煤为燃料的商业客机24日在上海首次试飞成功。该生物航煤以餐饮废油为原料，“地沟油”从此变废为宝。至此，中国成为继美国、法国、芬兰之后第四个拥有生物航煤自主研发生产技术的国家。中国石化成为中国首家拥有生物航煤自主研发生产技术的企业。

法国、芬兰之后第四个拥有生物航煤自主研发生产技术的国家。中国石化成为中国首家拥有生物航煤自主研发生产技术的企业。

4 生物航煤发展存在的问题

4.1 原料来源不稳定

航空生物燃料现在主要以木本油料作物和地沟油为原料进行生产。木本油料受季节和地域的影响较大，而在种植方面为避免占用粮食耕地，尽量选用荒地坡地等边际土地，除此之外其选种育种、机械化收割运输设备等环节也还需要完善，因此，寻找木本原料合适的种植地区，不与粮争地，是开发木本油料考虑的首要问题。地沟油由于来源分散、还要经过提炼，原料还能应用于诸多其他领域，所以发展受限比较多。

4.2 生产工艺需改进

目前较成熟的工艺是原料油进行加氢脱氧和异构化，深度加氢会造成的芳烃含量过低，而燃料中残存少量的脂肪酸酯类等非烃类化合物，可使航空燃料冰点升高，运输和储存稳定性变差，这些是影响航空生物燃料性能的重要因素之一 。费托合成的航空生物燃料虽然在组成、物理化学性质等方面与传统石油基航空煤油相似，但是由于几乎不含硫以及芳烃，燃料润滑性能较差。

4.3 生产成本较高

从原料到航空生物煤油，首先会产生两种直接成本。一方面，原料的购买和运输等要付出成本，另一方面，原料的处理（包括生物质转化为生物油及地沟油的提炼）需要成本。除此之外，还有外部的间接成本。一则，所有的处理过程势必造成新的污染源，包括排放二氧化碳和其他污染物；二则，如何进一步处理剩余物呢？就目前的信息，我们还无从得知外部间接成本的确切规模，生物航煤目前的价格是普通航煤的2～3倍左右，成本较高，是制约生物航煤实现产业化的“瓶颈”。

5 结 语

生物航煤的发展是化石航煤的有力补充，不仅可以有效降低碳排放，也可作为拓展非石油资源生产航空煤油的新途径，但是生物航煤在全球范围内刚刚起步，实现产业化还有很长的路要走[9]。目前，生物航煤最需要解决的问题是保障充足的生产原料，优化和改进工艺路线，降低生产成本，扩大生产规模，从而加快生物航煤的推广应用。我国生物航煤的发展已得到了政府的大力支持，国家标准化委员会已在制定我国的生物航空燃料国家标准，这表明了国家对生物航空燃料已开始重视，相信在国家的大力支持下，随着生物航煤技术的不断提高，生物航煤将展示出广阔的市场前景。

［1］孙晓英，刘祥，赵雪冰,等.航空生物燃料制备技术及其应用研究进展[J].生物工程学报，2013，29（3）：286-287.

［2］张玉玺.生物柴油的现状与展望[J].当代化工，2007，36（6）：577-580.

［3］胡徐腾, 齐泮仑, 付兴国, 等.航空生物燃料技术发展背景与应用现状[J]. 化工进展, 2012，31(8):1625−1630.

［4］Zhang S, Yan Y, Li TC, et al. Upgrading of liquidfuel from the p yrolysis of biomass[J]. Bioresour Technol, 2005, 96(5): 545−550.

［5］Zhao C, Kou Y, Lemonidou A A, et al. Highlyselective catalytic c onversion of phenolic bio-oil to Alkanes[J].Angewandte Chemie, 20 09, 121(22):4047−4050.

［6］石勇. 费托合成反应器的进展[J]. 化工技术与开发,2008, 37(5): 31−37.

［7］Adesina AA. Hydrocarbon synthesis via Fischer-Tropsch reaction:trav ails and triumphs[J]. Appl Catal, A: General, 1996, 138(2): 345−367.

［8］郑志锋, 黄元波, 潘晶, 等. 煤与生物质的共热解液化研究进展[J].生物质化学工程, 2009, 43(5):55−60

［9］陶志平. 多国重视航空生物燃料开发[J]. 中国石化,2012 (5): 54−55.