摘要：CO2排放量随航煤消费量的增加而增加，我国现已成为全球第二大航煤消费国。为响应全球气候协议和国际民航的碳减排计划，发展生物航空煤油成为我国航空业减排、可持续发展的重要途径。研究分析了我国生物航煤发展所面临的问题，以及国外成熟做法，建议通过增加原料供应、规定航空公司碳排放配额、政府建立补偿机制和相关政策等，助力我国生物航空煤油可持续发展。
关键词：生物航空煤油; 生物质; 动物油脂; 生产技术; 碳排放;
Abstract：Since the reform and opening up, China's aviation kerosene consumption has increased by more than 140 times, and now it is the second largest aviation coal consumer in the world. The carbon dioxide emissions increase with the increase of aviation coal consumption. In response to the global climate agreement and the international famous aviation emission reduction plan, the development of bio-aviation fuel has become an important way for China's aviation industry to reduce emissions and maintain development. This paper studies and analyzes the problems faced by China's bio-jet fuel development. It hopes to provide reference for the sustainable development of bio-aviation fuel in China by increasing the supply of raw materials, specifying the carbon emission quotas of airlines, and establishing compensation mechanisms and related policies.
Keyword：Bio-aviation fuel; biomass; animal fats; production technology; carbon emissions;
1、生物煤油的生产原料
从2008年起英国、新西兰、美国和日本等国家开始进行生物燃料试飞，2011年逐渐展开商业飞行，主要采用棕榈油、椰子油、海藻油、麻风子油、亚麻油、餐饮废油和动物脂肪等为生产原料[1]。通过试飞生物燃料与传统航空煤油的比例逐步确定，2008年英国维京大西洋航空采用巴西棕榈仁油和椰子油为原料生产生物煤油，以20%生物燃料与传统航空煤油混合试飞，其余各国均大多采用50%占比的生物燃料进行试飞。2010年欧洲宇航防务集团采用100%生物燃料进行试飞，首次证明生物燃料可以单独作为驱动燃料为飞机提供能量。
中国最早于2009年由中国石化启动生物航煤的研发工作，并成功开发出具有自主知识产权的生物航煤生产技术，2011年10月开展生物燃料试飞工作，2011年12月，首次以棕榈油为原料生产出合格的生物燃料。2012年10月又利用餐饮废油生产生物航煤产品，10月22日中美航空生物燃料示范项目以地沟油为原料开始生产运营，每天可生产0.5t生物航煤。中国主要以棕榈油、餐饮废油、海藻油和动物脂肪等为生物燃料生产原料，本文以棕榈油、餐饮废油、棕榈酸化油和蒸馏棕榈脂肪酸为例，分析其主要成分、用途和作为生物燃料原料的优缺点，详见表1。其中棕榈酸化油是棕榈油精炼过程中的皂角酸化处理后得到的油，蒸馏棕榈油脂肪酸是棕榈毛油精炼过程的副产物。我国棕榈油消费很大程度依赖于进口，2017年棕榈油进口数量为507.9万t，出口数量为1.8万t，净进口506.1万t。棕榈油价格波动程度大，容易受需求、天气和汇率等的影响。除此之外，种植棕榈树需要开发土地或砍伐树木，以此作为生物航煤生产原料存在碳排放争议，不适宜作为生物航煤长期原料。
表1 生物航煤原料、成分及用途
欧洲多家生物燃料企业向中国进口废弃烹饪油（UCO），俗称“地沟油”，2017年中国出口地沟油约20万t[2]，由于各国对燃料清洁化和低排放的政策趋紧，地沟油出口量将持续增长。国内地沟油价格和回收数量受食用油和原油价格影响较大，除此之外，相比非正规废弃烹饪油回收企业，生物航煤炼制企业回收和营运费用高，废气烹饪油回收竞争力较低。2011年，国家发改委、财政部及住房和城乡建设部针对餐厨废弃物联合发文，公布了首批无害处理和资源化利用的33个试点城市，指定各城市具有资质的环保企业统一回收处理废弃烹饪油。但由于食品安全监管不完善，具有环保资质企业的地沟油回收数量占总量的50%，部分地方回收企业低于20%[3]。餐饮废油的预处理需要经过食物残渣的分离，专业吸附剂去除油中的胶质，加入甘油酯化成较为纯净的甘油酯。这样可以去除地沟油中的杂质、让其颜色变得清澈，同时去除酸臭味。随后，对甘油酯进行酯交换反应转变成甲醇，再通过蒸馏、加氢裂化为航空生物燃料。综上，复杂的炼制过程，提高了加工地沟油获得生物燃料的生产成本，生物航煤炼制企业餐饮废油回收竞争力较低，部分限制了生物燃料原料的可获得性。
2、生物航空煤油发展现状及工艺流程
2.1、发展现状
航空业温室气体排放约占全球的2%~3%，但航空业发展较快。2017年中国民用航空客运量持续增长，民航客运量约为5.5亿人，较2016年增长了约12.2%。为达到2020年的全球温室气体减排协议，积极探索航空业温室气体的减排也必不可少。除了研发燃油效率提高等技术外，生物航煤也是减排途径之一，在美国、荷兰等地已经进行多次生物燃料试飞。生物燃料最早由美国空军基于直升机机油替代而提出，英国维珍航空（Virgin Atlantic）在2008年进行了第一次试飞，该次试飞的生物燃料是由80%普通燃油和20%椰子油调和而成。2009年，荷兰航空进行了第一次载人飞行，于2011年进行了全球第一次生物燃料的商业飞行，原料采用的是餐饮废油（俗称的“地沟油”）。
中国是全球第四个拥有生物航煤自主研发生产技术的国家，2015年3月首次使用可持续航空生物燃料载客飞行成功，对于中国航空业和环境保护具有重要意义。中国石化是我国首家自主研发生物航煤生产技术的企业，2011年建成一套生物航空煤油工业装置及调和设施。2012年2月，中国石化研发的1号生物航煤适航审定申请通过。2013年4月中国自主研发生产的以1号生物航煤为燃料的商业客机在上海首次试飞成功。
2.2、生产技术
生物航煤以油脂或农林废弃物等可再生资源为原料，制造时需要吸收大气中的CO2，而燃烧时会产生CO2排至大气，在制造至燃烧的过程中，部分CO2处于循环状态，所以生物燃料的制造和使用具有减排的作用[4]。与传统航空煤油相比，生物航空煤油在生产过程中可降低55%以上CO2排放量，最高可达90%[5]。航空煤油对冰点指标要求高（不高于-55℃），而生物柴油及化石柴油的烯烃、芳烃含量较少，冰点至少不高于-47℃，需要经过生产工艺对燃料性质进行更改，防止高空温度过低引起燃料固化[6]。生物航空煤油生产工艺主要包括加氢法、气化-费托合成法、生物质热裂解和催化裂解法等，其中加氢法和气化-费托合成法较为常用。
动植物油、微藻油和餐饮废油是加氢法生产生物航煤的原料[7]，其主要成分是甘油三酸酯，脂肪酸链以C16和C18为主[8]。加氢法将原料油通过脱氧加氢、加氢异构化和选择性裂化来制取生物航煤，工艺流程见图1。由于该原料油含氧量过高，因含有大量不饱和键而稳定性差，加氢可以提高原料油的稳定性以H2O和CO2的形式脱出氧元素。通过加氢法得到的产品质量好、收率高，而且投资成本较低。已有多家公司研发了加氢技术，并且其生产的生物煤油已经被航空公司使用，例如霍尼韦尔旗下的UOP公司开发的加氢工艺（HEFA）、芬兰耐斯特石油公司开发的NExBEL工艺、巴西石油公司开发的动植物油脂精炼工艺等。
图1 加氢技术路线图
气化-费托合成法由德国科学家Frans Gischer和Hans Tropsch发明，根据生产条件不同可分为高温和低温费托合成，这两种合成得到的产品也不相同。高温费托合成主要以汽油、柴油和溶剂油等产品为主，低温费托合成的主要产品有煤油、柴油和润滑剂基础油等[6]。气化-费托合成法工艺流程（见图2）主要有生物质气化、合成气费托合成工艺和蜡烃的加氢裂化，以降低生物煤油的碳数及分布，降低冰点。生物质气化合成技术需要较高成本投资和原料搜集成本，技术和操作稳定性较差，相比加氢技术不具有竞争优势。该技术还处于研发或项目筹备阶段，少量产品用于试验或试飞[9]。美国Rentech公司着力研发生物质和化石能源的合成气转化为合成烃技术，2012年美国Kior公司投产第一个生物质气化制油装置，澳大利亚Licella公司将林木剩余物转化成的生物燃料已试运行多年，但仍不失最终产品。
图2 生物质气化-费托合成工艺流程图
3、生物航空煤油发展主要问题分析
3.1、食品安全监管不完善，原料来源不稳
现在主要以废气烹饪油和木本油料作物为原料生产生物航空煤油，而原料收集成本占生物燃料成本的70%~80%[10]，但各种原因存在导致原料来源不稳定。首先，中国每年具有大量的废弃烹饪油，废弃烹饪油的回收利用兼具环保和经济两方面，但废弃油用途广泛、来源分散增加了回收难度。除此之外，食品安全监管不完善，为生物燃料炼制企业废弃烹饪油的回收带来挑战，无证商贩收购废弃油再以较高价格转卖餐馆以谋取暴利，危害人们身体健康。
其次，木本油料作物的供给受季节影响，很难保持持续性供给，作物种植为避免占用耕地需要开垦荒地，此外还需通过基因工程育种培育出生长快、含油量高的原料。例如我国棕榈油主要依赖进口，价格受天气、需求的影响，而且砍伐棕榈树炼制生物燃料存在碳排放争议。海藻需要变异基因达到高速高效生产，同时还需要解决海藻收集、海藻油萃取等技术上的问题[11]。
3.2、生产工艺不够成熟，新技术研发和购买费用高
现有较为成熟的工艺都存在一定弊端，加氢脱氧和异构化是现阶段较为成熟的生产工艺，而生产过程的深度加氢会导致芳烃量过低，残存的少量脂肪酸酯类可使燃料冰点升高，稳定性变差；费托合成产生的燃料与传统石油基航空煤油相似，但其燃料的润滑性较差。
自主技术研发周期长，新技术购买成本高。芬兰、美国等城市生物航煤生产工艺除加氢法和气化-费托合成外，还包括生物质裂解和催化裂解，生物异丁醇转化等技术路线。2008年加拿大Dynamotive能源系统公司向湖北信达生物油技术公司转让生物质快速热解技术，除250万美元转让费外，5年内至少再建新装置15套，每套至少再支付技术转让费100万美元[12]。中石化和中石油具有两段加氢技术，但主要用于润滑油基础油生产，该技术还未在生物航煤方面运用。
3.3、关键技术有待突破，缺乏经济竞争力
2016年，国际民航组织39届大会上，决议将检测2019—2020年各国民航业的碳排放量，力图实现民航业碳排放量零增长，甚至减排50%的目标[13]。会议所通过的“减排计划”要求航空燃料需要满足质量标准ASTM D7566及即将颁布的“航空燃料可持续性标准”，调和所得的生物质量还需满足ASTM D1655标准。一系列质量标准的颁布保证了航空生物燃料使用的安全性，“减排计划”一定程度打通了生物燃料的销售渠道（计划要求各国航空公司须购买国际民航组织所认可的可持续航空燃料）。
技术来源和技术创新是影响航空生物燃料产业发展速度的重要因素，我国生物航煤研发技术不够成熟、成本高，且融资渠道有限，不利于我国航空生物燃料技术的研发、创新。但我国航空生物航煤的关键技术还有待突破，例如原料作物的培育、基因改造技术，加氢脱氧催化剂和选择性加氢裂化/异构化催化剂，生产技术不够成熟导致生产成本高，还缺乏有力的融资和资金赞助渠道，与传统石油基航煤相比缺乏经济竞争力。
4、生物航空煤油发展对策建议
4.1、增加原料供应，以降低生物航煤生产成本
现阶段航空生物燃料生产主要以生物质和动物油脂为原料，其中以生物质为原料可以保证燃料的可持续供应，2011年我国首次可持续航空煤油的试飞成功验证了生物质燃料的可用性。生物质能源的发展遵循不占用耕地和居民用地的原则，多采用可适应恶劣环境的作物为原料，例如耐旱、耐盐碱等环境的生物质。
生物航煤的原料收集占总生产成本的比例高，建设生物质能源林基地、增加原料供给是降低生物航煤生产成本、推进其商业化应用的重要途径。2007年，中国石油在云南、四川开始了第一批林业生物质能源林基地的建设。除此之外，林业生物质能源林基地的建设还可以增加地方就业率和收入。
4.2、规定航空公司碳排放配额，疏导航空生物燃料销售渠道
我国可以借鉴欧盟航空公司碳排放交易体系，制定各航空公司的碳排放配额。欧盟碳排放体系中，以2004—2006年各航空公司飞往和飞离欧盟的年均碳排放量值为该航空公司的排放基准线，2012年航空公司的累积碳排放量不能超过基准线的97%，2013年不能超过基准线的95%[14]。排放体系实行初期，各航空公司可免费获得一定比例的免费排放配额，且免费配额逐年减少，非免费配额需要通过有偿方式拍卖获得。
可以将欧盟的航空公司碳排放交易体系更改运用于我国的航空生物燃料体系，以促进航空生物燃料技术发展和CO2排放量的减少。例如，政府根据近三年航空公司的年均碳排放量作为基准线，按比例规定以后逐年的年碳排放量、免费碳排放配额和航空公司超量排放的罚款力度。同时，每吨生物燃料的使用可以抵消一定比例的超量碳排放，从而抵消超量排放罚款，以促进生物燃料的使用。
4.3、政府建立补偿机制和相关政策，促进生物航空煤油炼制企业的发展
生物航空煤油炼制企业的原料来源不稳定，原料的处理及生产过程复杂、成本高，相比传统航空煤油生产企业缺乏竞争力。现阶段我国生物航煤的炼制还处于初级阶段，需要政府提供赋税减免、补贴和资金支持措施，以促进生物航空燃料炼制企业的健康发展。
英国、荷兰和日本等国家对于烹饪废弃油的回收具有成熟的回收方法和回收系统。英国为监督废弃油的去向、方便废弃油的回收和利用，政府强制要求餐馆安装烹饪废弃油回收系统；荷兰废弃油的回收全部由政府出资，减免了生物航煤炼制企业的高额回收成本；在日本，废弃油由专业的回收公司进行回收，并由政府以高价购买。所以，若政府在餐饮废弃油的回收上建立适当的补偿机制，统一高价收购，可以提高生物航煤原料的稳定性，降低地沟油再用于餐饮的比例。
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