化学链气化制生物航空煤油"从摇篮到坟墓"全生命周期评价：第二代与第三代生物质对比

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：A “cradle-to-grave” life-cycle assessment of biokerosene production through chemical looping gasification for use in jet engine: Comparing second and third generation biomasses

　　

研究人员对以化学链气化（CLG）路线生产生物航空煤油（biokerosene）开展了"从摇篮到坟墓"全生命周期评价（LCA），对比了第二代与第三代生物质。CLG以金属氧化物为载氧体传递氧，所得合成气（syngas）不受氮气、氧气或空气稀释，避免了常规空气气化中高能耗的氧气分离，因而合成气更纯净、能耗惩罚更低。CLG系统包括燃料反应器、空气反应器及在两器间循环的载氧体（氧化态MO与还原态M）；气化在燃料反应器中进行，载氧体由MO还原为M，随后随气流进入空气反应器被空气重新氧化为MO。载氧体通常为金属氧化物，可来自合成材料、天然矿石及工业副产品；相较合成材料，天然矿石与工业副产品储量丰富、成本低廉，在固体燃料CLG中更具实用性，因为载氧体会随燃料灰分排出反应器而损失。钛铁矿（ilmenite）是一种铁钛天然矿石，是研究最多的载氧体，已表现出优良的反应活性、足够的寿命及其他令人满意的理化性质，因而被视为化学链技术放大的基准材料。用于CLG时，钛铁矿中的假板钛矿（Fe2TiO5）与钛铁矿（FeTiO3）物相承担MO/M氧化还原对的作用以传递氧。当使用生物质与钛铁矿时，进入燃料反应器（800–1000 °C）后生物质迅速分解为挥发分与焦炭；挥发分中CH4、CO和H2含量较高，焦炭主要含碳（C）与灰分；碳随后与水蒸气气化生成合成气（CO与H2）；部分CH4、CO和H2被钛铁矿中的Fe2TiO5氧化为CO2和H2O；生成的载氧体（FeTiO3）转移至空气反应器并被氧化回Fe2TiO5，该氧化反应高度放热，故载氧体在空气反应器中吸热并完成"蓄热"过程，所蓄热量可被携带至燃料反应器供吸热气化使用，由此可实现自热式CLG运行。燃料反应器产出的合成气可送入变压吸附（PSA）与变换反应（WGS）等成熟工艺进行净化与组成调节，最终可通过费托（Fischer–Tropsch）过程等用于生物燃料（如生物航空煤油）生产。当CO2被捕集时，基于生物质的CLG（BCLG）成为负排放气化技术，不仅生产合成气，还从大气中移除CO2。研究比较了第二代与第三代生物质经化学链路线生产生物航空煤油；微藻跑道池培养比光生物反应器培养在生物航空煤油生产中占用更多土地；小麦秸秆生产单位生物航空煤油占用土地资源最多；当前微藻培养的高水耗可能导致较高的全球变暖潜势。

研究背景与问题 航空业减排压力下，生物航空煤油被视为替代化石航空燃料的重要路径，而原料选择直接决定其资源环境代价。化学链气化（Chemical Looping Gasification，CLG）以金属氧化物作为载氧体在燃料反应器与空气反应器之间循环传递氧与热量，避免了常规空气气化所需的氧气分离环节，可获得不含氮气稀释的高纯度合成气（syngas），并有望实现自热运行；若进一步捕集CO₂，基于生物质的化学链气化（BCLG）还可成为负排放技术。然而，不同代际生物质原料在土地占用、水资源消耗与全球变暖潜势（Global Warming Potential，GWP）上的差异，缺乏覆盖全链条的定量比较，这正是研究人员开展本项研究的出发点。

研究内容与结论 研究人员采用"从摇篮到坟墓"（cradle-to-grave）生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）方法，对比第二代与第三代生物质经化学链气化生产生物航空煤油（biokerosene）的资源环境表现。结论显示：微藻跑道池（raceway pond）培养较光生物反应器（photobioreactor）培养在生物航空煤油生产中占用更多土地；小麦秸秆生产单位生物航空煤油占用土地资源最多；当前微藻培养的高水耗可能带来较高的全球变暖潜势。上述结果揭示了原料选择对生物航空煤油全生命周期环境绩效的关键影响，为第二代与第三代生物质路线的取舍提供了量化依据。论文发表于《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》。

关键技术方法 研究以化学链气化为核心转化技术，采用钛铁矿（ilmenite，铁钛天然矿石）作为基准载氧体，利用其假板钛矿（Fe₂TiO₅）与钛铁矿（FeTiO₃）物相的氧化还原对完成氧传递与蓄热；合成气经变压吸附（Pressure Swinging Adsorption，PSA）与变换反应（Water-Gas Shift，WGS）净化与调变，再经费托（Fischer–Tropsch）过程合成生物航空煤油；全链条采用"从摇篮到坟墓"生命周期评价进行核算，并设置CO₂捕集情形以考察负排放属性。

研究结果 论文以要点形式给出主要发现：其一，第二代与第三代生物质经化学链路线生产生物航空煤油的对比表明，两类原料在全生命周期表现上存在差异；其二，微藻跑道池培养较光生物反应器培养在生物航空煤油生产中占用更多土地；其三，小麦秸秆生产单位生物航空煤油占用土地资源最多；其四，当前微藻培养的高水耗可能推高全球变暖潜势。由此可见，土地与水资源占用是区分不同生物质路线环境绩效的关键因素。

讨论与结论 讨论部分围绕载氧体选择与工艺集成展开：天然矿石与工业副产品因储量丰富、成本低廉且可随灰分排出而损失，较合成材料更适合固体燃料化学链气化；钛铁矿因反应活性优良、寿命足够，被作为化学链技术放大的基准材料；空气反应器中高度放热的氧化反应使载氧体完成"蓄热"，并将热量携带至燃料反应器供吸热气化使用，从而实现自热运行；合成气经变压吸附与变换反应净化调变后，可经费托过程制取生物航空煤油；当CO₂被捕集时，BCLG成为负排放气化技术，既生产合成气又从大气中移除CO₂。研究结论可概括为：第二代与第三代生物质经化学链气化制生物航空煤油在全生命周期上存在明显差异，微藻跑道池培养的土地占用高于光生物反应器培养，小麦秸秆生产单位生物航空煤油的土地占用最多，当前微藻培养的高水耗可能导致较高的全球变暖潜势。