基于辐射松气化与费托合成技术的智利林业残余物可持续航空燃料路径初步技术经济与环境筛查

《Biomass and Bioenergy》：Preliminary techno-economic and environmental screening of a sustainable aviation fuel pathway from Chilean forestry residues via Pinus radiata gasification and Fischer–Tropsch synthesis

　　

• 筛选了以智利松树残留物生产可持续航空燃料（SAF）的气化-费托合成路线。• 当量比（ER）0.30–0.32、含水率10–15%设定了最佳的合成气操作窗口。• 低温和高压有利于费托相平衡中C5+产物的回收。• 盈利能力取决于工厂规模、冷煤气效率和SAF销售价格。• 可用的锯木厂残留物不足以满足全国航空燃料需求的0.1%。

**引言**

由于航空业高度依赖能量密度高的液体燃料，且满足商用飞机技术要求的替代燃料供应有限，航空业的脱碳仍是一项重大挑战。目前航空业约占全球温室气体（GHG）排放量的2%[1]，随着航空运输需求持续增长，其对全球变暖的贡献预计也将增加[2,3]。因此，可持续航空燃料（SAF）已成为降低航空业全生命周期碳强度的主要替代方案之一，同时保持了与现有飞机和燃料基础设施的兼容性[4]（见图1）。

目前已开发了多种SAF生产技术路线，包括加氢处理酯类和脂肪酸（HEFA）、催化热解、醇基航空燃料（ATJ）、合成异构烷烃（SIP）和费托合成石蜡基航空煤油（FT-SPK）[5]。在这些替代方案中，费托合成路线对于木质纤维素类原料尤为相关，因为林业和农业残留物可以通过气化转化为合成气，再进一步转化为烃类。所得费托产物可经过升级加工，获得适合航空应用的馏分[6,7]。

该路线的可行性在很大程度上取决于原料特性和工艺操作条件。在生物质气化过程中，含水率、当量比、气化剂、温度和碳转化率等参数会影响所产生合成气的组成和热值。热力学平衡模型为筛选这些相互作用提供了有用的方法。

特别是，基于吉布斯自由能最小化的非化学计量模型可以在无需预设反应网络的情况下确定平衡组成，使其适用于分析成分可变的生物质原料[[8],[9],[10]]。然而，平衡模型仅代表热力学极限，由于动力学限制、碳转化不完全以及其他反应器特有现象未在其中体现，其结果可能与实验气化行为存在偏差[[8],[9],[10]]。

将平衡计算扩展到费托合成需要进一步考量。实际的费托合成是一种多相催化过程，其产物分布强烈依赖于催化剂、操作条件、CO转化率和反应动力学[[11],[12],[13]]。因此，不应将热力学平衡解读为对实际费托反应器产物选择性的直接预测。尽管如此，吉布斯自由能最小化已被应用于研究费托体系中的化学和相平衡行为，并识别热力学有利的操作区域[[14],[15],[16]]。

更严格的热力学公式采用了立方状态方程，包括Soave-Redlich-Kwong和Peng-Robinson方法，并结合亨利定律，以考虑多组分费托混合物中的非理想行为[15,16]。在费托条件下，汽液平衡同样相关，此前的研究表明，简单的理想描述如拉乌尔定律可能不足以表征较重的烃类馏分[17]。因此，简化平衡计算可作为初步筛选工具使用，前提是将其结果理解为热力学极限情况，而非对催化剂依赖的费托转化率和选择性的预测。

近期研究强调，生物质制液态SAF路线的评估需要同时考虑原料可用性、工艺集成、催化转化、产物升级、物流和全生命周期性能[[18],[19],[20],[21],[22],[23],[24]]。特别是，基于林业残留物的SAF分析表明，生物质的收集和运输、气化效率、合成气调质、费托转化以及下游升级加工可能强烈影响该路线的经济和环境绩效[21]。同样，需要针对催化剂的动力学和真实的烃类产物分布来更可靠地估算费托转化、选择性和航空燃料收率。这些考量进一步强调了区分热力学筛选结果与实验验证的工艺性能的重要性。

除技术性能外，生物质制液态SAF路线的潜力还取决于原料可用性、工厂规模、转化效率、资本需求和产品销售价格。先前的研究已在不同地理背景下考察了基于林业残留物的费托体系的技术经济绩效。Rojas Michaga等人[18]采用技术经济与生命周期相结合的方法评估了利用林业残留物生产SAF的可行性，而Tagomori等人[19]则评估了巴西林业残留物基费托燃料的技术经济潜力。近期工作进一步研究了利用林业残留物生产SAF的经济和环境含义[21]。这些研究表明，规模、供应链配置和原料可用性对于确定生物质制液态体系的绩效至关重要。然而，其结论不能直接推广到智利，因为不同地区之间的生物质可用性、林业产业结构、竞争性用途、物流和航空燃料需求存在显著差异。

智利因其成熟的林业产业和对辐射松的广泛利用而成为一个相关案例研究对象。本研究的分析特别聚焦于锯木加工过程中产生的副产品，而非林业部门整个范围内产生的所有残留物。"锯木副产品"是指锯木加工过程中产生的树皮、边材、锯末、刨花和修剪枝条等材料，而"林业残留物"则更广泛地指林业作业后残留的生物质，包括采伐和森林管理活动产生的物料。

2023年，智利锯木业产生了约433万立方米的木副产品，生产主要集中在毛莱大区、比奥比奥大区和拉阿劳卡尼亚大区[20]。然而，这些锯木副产品中的大部分已被商业化销售或被锯木厂内部使用，尤其用于能源生产和其他工业应用[20]。因此，只有有限比例可以合理地被视为目前尚未分配的残留物流，可用于额外的转化路线。这一区分至关重要，因为全国范围的木副产品产量较大，并不意味着同样有大量未分配的生物质可供新兴的生物质制液态产业利用。

尽管目前未分配的残留物流仅占全国航空燃料需求的一小部分，但其评估对于确定当地或区域生物质制液态应用的实际规模仍然具有重要意义。在国家层面的有限贡献并不必然排除其在残留物管理、技术示范、区域燃料供应或工艺能力建设方面的潜在价值。然而，这些潜在效益应在本研究确立的资源边界内进行解读，不应推广至国家层面的SAF脱碳目标。

在讨论SAF的潜在贡献时，还应考虑法规背景。国际框架如欧盟可再生能源指令（包括RED III）和国际民航组织（ICAO）的CORSIA方法学为可再生燃料可持续性和全生命周期排放评估提供了参考框架[22,23]。本研究仅将这些框架作为国际基准使用，不应将其解读为智利的直接法规要求。本文未评估对特定认证或法规框架的合规性。

因此，本文要回答的问题具有双重性：目前尚未分配的智利锯木副产品在多大程度上可以支撑技术可行的生物质制液态路线，用于当地或区域SAF相关应用？哪些因素最终限制了其对智利航空业的贡献？

为回答这一问题，本文提出了一个结合四项互补分析的初步筛选框架。首先，评估智利锯木副产品的可用性和理化特性，采用辐射松锯末作为热力学计算的代表性原料。其次，通过基于吉布斯自由能最小化的非化学计量平衡模型评估生物质气化，考察当量比、含水率和假设碳转化率对合成气性质的影响。第三，将费托阶段作为热力学极限情况进行评估，以研究化学物种和汽液分配随原料组成、温度和压力的变化规律，而非作为催化剂依赖的费托选择性预测模型。最后，结合初步经济评估和基于情景的环境分析，以及估算的残留物可用性，考察该路线在智利背景下的潜在贡献和主要制约因素。

本研究的贡献不在于建立生物质气化的新平衡趋势，也不在于预测实际费托反应器的产率。其贡献在于将目前未分配的锯木副产品可用性、热力学筛选、初步经济情景和基于情景的环境估算相结合，进行智利特定的评估。这一视角阐明了资源可用性、工艺假设与潜在路线绩效之间的关系，同时识别了未来发展所需的额外动力学、实验、技术经济和生命周期分析。

**各节摘要**

**锯木副产品的量化与表征**

在本研究中，术语使用如下。"木副产品"是指锯木加工过程中产生的物料，包括树皮、边材、锯末、刨花和修剪枝条。"锯木副产品"特指全国锯木统计数据中报告的木副产品。"目前未分配的残留物流"仅指锯木副产品中报告为赠送或堆积、未被分配用于商业或内部用途的部分。"锯末"是指……

**辐射松气化的技术分析**

气化模型采用表2中报告的理化表征数据应用于辐射松锯末。由于该模型未与实验气化数据进行定量验证，所计算的合成气组成、气化温度、低位发热量和相关性能指标应被理解为基于平衡的筛选结果，而非对特定气化器的直接预测。分析重点关注了当量比（ER）的影响，……

**结论**

本研究对智利辐射松锯木副产品用于涉及气化和费托合成的生物质制液态路线进行了筛选级评估。该分析结合了互补的技术、经济和基于情景的环境评估，以识别该路线在智利背景下的主要机遇和局限性。

气化平衡分析确定了当量比、含水率和假设碳……

**CRediT作者贡献声明**

Ignacia Ortega Chandia：原创草案撰写、软件、项目管理、形式分析。Einara Blanco Machin：验证、监督、概念设计。Andrés Z. Mendiburu：审阅与编辑、监督。Adrian Blanco Machin：审阅与编辑、可视化。Cristian Cuevas Barraza：可视化、监督。Alexis Salas Salgado：可视化。Daniel Travieso Pedroso：可视化、监督。

**致谢**

作者感谢CAPES（研究生教育支持与评估局）通过项目88881.997118/2024-01 Move La América CAPES对本工作的支持。

Ignacia Ortega Chandia | Einara Blanco Machin | Andrés Z. Mendiburu | Adrian Blanco Machin | Cristian Cuevas Barraza | Alexis Salas Salgado | Daniel Travieso Pedroso