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前瞻|SAF的合成过程将带来大量的绿氢需求_无极4手机版

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前瞻|SAF的合成过程将带来大量的绿氢需求_无极4手机版

11类SAF,4大类工艺,其氢气需求量有差异

近期,国际上对绿色航煤的意愿逐渐加强,美国财政部和国税局发布了《通胀削减法案》可持续航空燃料(后文简称SAF或绿色航煤)税收抵免指南,欧盟在推进SAF标准制定,国际航协也开始创建SAF可持续航空燃料登记名录。

绿色航煤是使用可再生资源生产的低碳排放燃料。其原料来源可以是废弃食物油脂、垃圾、生物质、捕集二氧化碳等。相应地,根据其原料来源、工艺特点等,可以划分出多种技术路线。截至2024年7月,美国已通过允许了11种路线进行应用。

部分绿色航煤或需要外来氢气补充,而不同的技术路线,由于原料成分、工艺特点的不同,对氢的需求点、需求量有所不同。能景研究结合文献等对绿色航煤的技术路线进行了初步梳理,以供参考。

此外,由于各国、组织协会等的要求或标准不同,且以美国ASTM体系为代表的标准几乎每年都有新变化,暂不分析各技术路线的政策符合性。

01 绿色航煤:技术的关键在于产出含8~16个碳原子的碳氢化合物

航煤,学名“喷气燃料”,是一种有着严格标准要求的燃料。航空煤油需要考虑保障航空飞行的安全性、发动机的寿命等多种因素,在中国国标GB 6537-2018《3号喷气燃料》、美国材料与试验协会标准ASTM-D1655等标准中,提出了组成、馏程、燃烧性、流动性(冰点)、洁净性(胶质含量、水反应)、润滑性等10余项大类指标。

传统航煤为轻质石油产品,是由数百种碳氢化合物构成的复杂混合物。据美国DOE发布的报告,传统航煤中的组分大多含有8~16个碳原子,主要有4项,正烷烃、异烷烃、环烷烃和芳烃。4种组分成分各有优劣势,互补形成合格的航煤。其中,中间2项(异烷烃、环烷烃)为主要燃烧成分。

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绿色航煤则主要来自可持续原料,仍要求以碳、氢为主。现阶段,出于发动机、飞行安全等考虑,中美均只允许在传统航煤掺用一定比例的绿色航煤。同时,对成分/原料来源等有严格要求,中国目前仅允许2类绿色航煤技术(费托与油脂加氢),两类均规定碳和氢元素占比要达到99.5%以上。

绿色航煤技术核心在于,如何从各种原料配合成一定比例的碳氢分子。能景研究总结其成分要求大概有以下几点,一是组成分子含8~16个碳原子(混合物),而氧原子含量很低;二是组成分子中,分子不能仅是直链,需要带一定的分支或成环;三是有一定比例的芳烃分子。

绿色航煤合成技术有十数种,主要为了得到4大类中间原料。绿色航煤的几种不同原料,废弃油脂、秸秆、固体废物、树木等,成分各不相同,配套的加工或预处理工艺也不相同,截至2024年7月美国ASTM体系已批准了11种技术路线。而不同原料经过处理后,最终都为了得到用于合成SAF分子的中间原料。这些中间原料主要有4种:油脂、合成气、醇、二氧化碳/氢等。

02 油脂或生物质加氢:利用天然多碳分子,每生产1吨SAF约需要0.03~0.06吨外供氢辅助

该类技术利用天然生物成分合成SAF。天然生物油脂分子等已经含有较多的碳和氢(主要15到18个碳),但是也带有氧、硫等原子。通过催化加氢等反应,可以脱除氧、硫等不需要的元素,同时进一步调整分子结构、调整碳原子数量,以达到最适合SAF的分子结构。

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其原料主要来自动植物,对应多种生产工艺。原料方面主要有2大类,一类是餐饮废油、植物油、动物脂肪等油脂类,典型采用脂类和脂肪酸类加氢工艺(HEFA),对酯类成分进行提取然后加氢;二是木质纤维、秸秆等,采用催化水热解(CHJ)工艺,先催化分解成小分子,如烯烃、苯等数十种成分,然后加氢。根据IRENA数据,国内年地沟油产量约558-1000万吨,按此约对应SAF产能200-500万吨。

该类技术需要多次加氢处理,大多需要外部加氢辅助。该技术中天然分子的脱氧需要氢气,后续的分子结构调整等步骤也需要氢气。而所采用的原料,尤其是油脂类原料,自身不能生产氢气,因此需要外部供应。对于油脂加氢,大约每生产一吨SAF需要氢气约0.03~0.06吨左右(部分工艺或更低)。

03 合成气(费托合成):先气化再合成,外供氢气需求视工艺情况,生产1吨SAF最高需要0.1吨氢左右

该类技术类似于甲醇合成、煤制油等技术。首先对含碳的固体原料进行气化,得到合成气原料(CO与氢气),再催化CO与H2反应,生成多碳的SAF分子。合成气中,碳/氢比(CO/H2)的理想比例在1︰2左右,一般在合成前还需要碳/氢比(CO/H2)调节步骤。

其原料主要来自农林副产物以及固体废物等。具体有秸秆、树木纤维、城市厨余垃圾等,由于不同原料成分不同,对应的预处理流程以及气化工艺存在差异,在后续合成气反应制SAF的步骤上差别较小。据中国产业发展促进会数据,我国秸秆可收集资源约为6.94亿吨,按此计算对应SAF近亿吨产能,但需要考虑生物质发电等的竞争。

不同工艺的外供氢气需求相差悬殊。从秸秆等原料得到的合成气一般碳多氢少(视工艺),如何调整碳/氢比(CO/H2)是关键。可以消耗CO与水蒸气反应生产氢气,此时几乎不需要外供氢气;也可以完全采用外供氢气调整,某典型的秸秆制SAF工艺每吨SAF需要氢气0.08到0.1吨。

04 二氧化碳加氢:捕集CO2再加氢气,每生产1吨SAF约需要0.1~0.4吨外供氢辅助

该技术利用CO2与氢气一步催化合成多碳分子。其最核心为碳捕集技术以及催化加氢技术,在催化作用下,CO2与氢气反应并逐渐聚合,生长成含多个碳原子的长链分子或环类。现阶段实验室中SAF产物的选择性已经达到80%水平。

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其碳原料来自电厂、空气捕集、生物质等。二氧化碳主要通过碳捕集获得,来源可以为电厂、化工厂尾气,也可以来自生物质燃烧、生物乙醇厂废气等,后2者更易获得可持续认证。根据卓创资讯数据,2023年中国食用和工业乙醇行业总产能达到1367.9万吨,以此推算对应二氧化碳副产近1000万吨,对应SAF近300万吨左右。

氢为核心原料之一,外供氢气需求较大。该技术中氢气主要用在与CO2反应合成SAF,而且全部来自外供。来源可以为副产氢,电解水制绿氢等,需要保证合成的SAF满足碳排放标准。暂不考虑实际收率,从化学成分估算,每生产一吨SAF,约需要氢气0.1~0.4吨左右。

05 醇聚合:先制醇再合成,氢气需求视醇的来源情况,生产1吨SAF最高需要0.35吨氢左右

该类技术利用甲醇、乙醇等中间体合成SAF。按照醇的种类、反应原理等又分成多种工艺,对于甲醇,如直接利用甲醇合成SAF,或者先利用甲醇生产二甲醚,再利用二甲醚合成SAF等;对于乙醇,则有先生产乙烯,再利用乙烯合成SAF的工艺。

原料主要来自各种生物质或碳捕集,对应不同生产工艺。乙醇主要来自玉米、秸秆等的发酵,甲醇主要来自生物质气化合成气、二氧化碳加氢等技术,此外其他如异丁醇等可来自糖类、木质素等的发酵。我国现有绿色甲醇规划超过700万吨,若用于合成SAF约对应300万吨以上产能。

外供氢气需求主要看原料来源情况。该类技术中,氢气一是用于SAF分子调整结构(类似传统的炼油加氢),二是用于甲醇合成(若采用甲醇路线)。其中,前者每吨SAF需要0.001~0.01吨氢气,后者视甲醇合成工艺情况,暂不考虑实际收率,每吨SAF最多需要氢气0.35吨左右。

END

       原文标题 : 前瞻|SAF的合成过程将带来大量的绿氢需求

 

03 2024-07