1. 生物航油技术的研究背景

化石燃料的燃烧和人类活动释放了大量二氧化碳、甲烷和氮氧化物等温室气体，引起全球变暖问题持续加剧。根据2022年《BP世界能源统计年鉴》显示，全球化石燃料仍占一次能源消费的80%以上，其中石油约占化石燃料的38%^[1]。

随着世界经济的高速发展，由于航空运输高效及快速等特点，航空业在全球经济中占据越来越重要的位置。根据国际航空运输协会（International Air Transport Association, IATA）的报告^[2]，2019 年全球航空业运送了超过45亿的旅客和价值近6.7万亿美元的产品。据IATA估计，到2035年，将有约72亿乘客乘坐飞机旅行，相比2019年增长60%，航空燃料的消耗量呈现逐年增加的趋势，由此也带来了大量温室气体（Greenhouse Gases，GHG）的排放。据统计，航空业二氧化碳排放量约占全球碳排放的2%—3%^[3]，在“双碳”目标下，航空业正面临日益严峻的减碳压力。从碳排放的主要来源来看，航油燃烧约占总排放量的79%，由此可见航空领域节能减排的关键在于航空燃料的绿色低碳化^[4]。

生物质作为可再生碳源，具有资源丰富、环境友好等特点，采用生物质生产航油可以减少化石资源的消耗，降低温室气体排放，生物航油是目前技术较为成熟且潜力较好的可持续航空燃料（Sustainable Aviation Fuel，SAF）^[5,6]。研究开发生物航油技术对实现航空业的可持续发展（绿色减碳）具有重要意义。

2. 生物航油技术

2.1 生物航油的原料

用于生产航空燃料的生物质原料多种多样。第一代生物燃料来源于可食用的农作物，例如小麦和玉米，存在与人类争粮争地的问题，因此已经少有研究。第二代航空生物燃料采用由非食用油料作物和纤维素类生物质进行生产。纤维素类生物质包括木材和林业残留物，农业残留物，短周期木本作物和城市固体废弃物等，由于其种类繁多、来源和分布广泛、原料丰富，因此，被视作最合适的长期生产航空燃料的化石燃料替代品。航空第三代生物燃料以藻类为原料，其含油量相对较高，比许多其他生物质所占土地少，被视为最有希望的生物燃料和二氧化碳封存的解决方案之一^[6]。

2.2 生物质转化制备航油的技术路线

生物质制备航油的技术路线主要分为两大类:热化学转化技术和生物化学转化技术。针对不同的生物质原料种类，目前主要有四种生物质转化制取航油技术路线^[5-8]：（1）油制航油（Oil‑to‑jet, OTJ），（2）醇制航油（Alcohol‑to‑jet，ATJ），（3）气化-费托合成航油（Gasification & Fischer-Tropsch to jet, GFTJ）和（4）糖类物质转化制航油（Sugar‑to‑jet，STJ），具体工艺路径如图1所示。

图1 生物质制备航油的技术路线

l  油制航油（Oil‑to‑jet, OTJ）

油制航油（OTJ）技术可分为3种途径：油酯和脂肪酸加氢处理(hydroprocessed esters and fatty acids, HEFA)，催化水热解(catalytic hydrothermolysis, CH)和加氢解聚纤维素(hydrotreated depolymerized cellulosic jet，HDCJ)。

HEFA主要是对植物油、餐饮废油和动物脂肪中的甘油三酯、饱和及不饱和脂肪酸加氢处理，经过脱氧、裂解/异构化和分离3个步骤转化生成航油，技术相对成熟，在过去的几十年里，已经成功开发了各种催化加氢、脱氧、加氢异构化和加氢裂化工艺并实现了商业化。

CH是利用水热法将生物质转化为富含碳的生物油，转化途径包括预处理、催化水热裂解转化和加氢后精制等步骤，该方法大多数是以藻类或油料作物为原料生产生物航油，反应温度较温和，通常温度在250 ~ 380℃，压力在5 MPa 至30 MPa 之间^[5,6]。

HDCJ是将纤维素生物质热解或液化获得生物油，再经过两步加氢处理，即较温和条件下催化剂辅助加氢脱氧和高温加氢催化转化为生物燃料，然后通过精馏分离步骤获得生物航油。这种技术工艺获得的生物航油仅有一些技术报告，还尚未获得ASTM认证。

l  醇制航油（Alcohol‑to‑jet，ATJ）

醇转化为航油技术（ATJ）是以生物质发酵技术为基础，因此，包括醇的生产和醇的转化两个阶段。其基本的转化途径是生物质首先水解，将纤维素中的糖发酵成乙醇或丁醇、异丁醇等醇类物质；其后，醇经脱水生成烯烃，接着烯烃通过催化低聚产生更宽碳数分布的中间馏分；然后经过加氢氢化，最后通过精馏分离得到不同碳数范围的柴油和航油。

l  气化-费托合成航油（Gasification & Fischer-Tropsch to jet, GFTJ）

气化-费托合成航油（GFTJ）是一种基于费托（FT）合成的气制航油技术，该技术将生物质气化后得到合成气，合成气在催化剂作用下通过费托合成转化为液态烃。主要分为三个环节：①生物质气化：包括生物质气化过程、合成气净化、燃烧供热以及余热利用；②合成气的FT合成：包括FT合成、FT产品分离和H₂分离过程；③加氢裂化与异构化过程和④合成油的精馏分离。

l  糖类物质转化制航油（Sugar‑to‑jet，STJ）

糖类物质转化制航油技术（STJ）主要有两条途径：直接糖制烃(DSHC)和水相重整(APR)。

直接糖制烃(DSHC)是基于生物转化方法，将生物质中的糖类直接发酵成碳氢化合物燃料或碳氢化合物中间体，经过回收、提纯，进一步加氢精制获得航油，主要包括6个步骤：预处理和调节、酶水解、水解物净化、生物转化、产物提纯和加氢处理。

水相重整(APR)是基于催化转化方法，糖类或糖类中间体通过一系列化学和生物化学过程将糖类从生物质中分离出来，并通过水相催化转化和升级精制得到航油。

2.3 生物航油技术发展现状

虽然世界上已开发了适应于不同生物质原料的很多种生物航油技术，但是通过美国测试与材料协会（ASTM）认证的技术仍较少。表1 总结了目前已经过ASTM D7566系列标准认证的主要几种生物航油制备技术，包括生物航油转化的能源效率、技术准备水平（Technology readiness level, TRL）与传统航煤的最大混合比例等。TRL按照技术成熟度从1“基础技术研究”到9“成熟”通过成功的地面或空间任务验证。

表1 认证的生物航油技术成熟水平^[5,7]

3. 总结

综上可见，随着世界经济的进一步发展和化石能源的日益枯竭，利用可再生生物质资源生产航空燃料，不仅可减少化石资源消耗，而且可实现碳减排，因此是一条具有发展前景的技术途径。虽然生物航油的需求正在日益增加，但是它可取代化石航油实现商业化还面临许多挑战，包括原料可用性、经济性和环境可持续性等。因此，获得可持续的生物航空燃料仍需努力探索改进生物质转化技术、降低生物航油的市场价格，并确保环境友好性。

参考文献

[1]英国石油公司（BP），bp世界能源统计年鉴2022（第71版）[R], 202206.

[2] Shahriar M F, Khanal A. The current techno-economic, environmental, policy status and perspectives of sustainable aviation fuel (SAF)[J]. Fuel, 2022, 325: 124905.

[3] Dahal K，Brynolf S.，Xisto C. , et al，Techno-economic review of alternative fuels and propulsion systems for the aviation sector[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2021, 151: 111564.

[4] 郭汀汀,李华杰,聂卫东,等.全球减碳背景下生物航油产业发展分析[J].中国能源,2023,45(06):47-56.

[5] Qasem N.A.A,, Mourad A. Abderrahmane A., et al. A recent review of aviation fuels and sustainable aviation fuels[J], Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2024, https://doi.org/10.1007/s10973-024-13027-5.

[6] Wei H, Liu W, Chen X, et al. Renewable bio-jet fuel production for aviation: A review[J]. Fuel, 2019, 254: 115599.

[7] 王圣，杨鹤，闫瑞等. 生物航煤生产技术的发展现状， 生物工程学报[J]. 2022, 38(7): 2477-2488.

[8] Rebecca Mawhood, Evangelos Gazis,Sierk De Jong, et al. Production pathways for renewable jet fuel: a review of commercialization status and future prospects. Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 2016. 10(4): 462-484.

              （编写：王韵、肖军）