欧洲炼油厂脱碳：共处理生物燃料的温室气体核算框架与潜力评估

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Decarbonizing European refineries: GHG accounting framework and potential assessment for co-processed biofuels

　　

摘要翻译：
在现有原油炼油厂中对生物质原料进行共处理是一种有前景的近期脱碳方案，可利用现有化石转化基础设施来脱碳交通燃料。本研究采用与欧盟可再生能源指令（Renewable Energy Directive, RED）一致的政策合规方法，并结合炼油厂级质量与能量平衡模型，量化了平均欧洲炼油厂配置下共处理生物燃料的生命周期温室气体（GHG）排放。研究选取了四个案例：废弃食用油（used cooking oil, UCO）在加氢处理（hydrotreating, HT）和加氢裂化（hydrocracking, HC）转化路线中的共处理，以及快速热解油（fast pyrolysis oil, FPO）和稳定化/加氢处理热解油（stabilized/hydrotreated pyrolysis oil, SPO/HDO）在流化催化裂化（fluid catalytic cracking, FCC）转化途径中的共处理。研究人员对转化单元入口处5–20 wt%的生物质原料占比进行了建模，并为所有路径建立了完整的质量与能量平衡，以开发各路径的综合生命周期清单（LCI）。研究考虑的产品包括生物质柴油、生物质汽油和生物质煤油。所有路径相对于化石燃料均实现了显著的温室气体减排，碳强度范围为3.9至25.8 g CO₂e MJ^?1，温室气体减排量为73%–96%，因此远高于RED规定的65%最低温室气体减排阈值。UCO加氢处理路径的碳强度最低，而FCC路径因液体燃料收率较低和上游负担较大而呈现较高碳强度。将代表性案例研究的产率外推至整个欧盟炼油系统，在转化单元入口5%生物质占比条件下，理论生物燃料潜力估计可达13.9 Mt y^?1。

论文解读文章

**一、研究背景与问题**

交通运输燃料的脱碳是欧盟实现2050年碳中和目标的关键环节。尽管电气化在部分交通领域取得进展，但航空、航运及重型道路运输等场景仍高度依赖液态烃类燃料。在此背景下，将生物质原料纳入现有炼油厂转化单元进行共处理（co-processing），被视为短期内利用既有化石燃料基础设施、规模化生产生物燃料的可行路径。然而，共处理过程的生物碳追踪、温室气体（GHG）核算方法及政策合规性评估仍面临显著挑战。现有研究多聚焦于实验室或中试规模的技术可行性验证，缺乏覆盖从原料供应到燃料燃烧全价值链、且与欧盟可再生能源指令（RED）核算规则保持一致的标准化生命周期清单（LCI）数据集。此外，不同原料与转化单元组合的生物碳转化效率差异较大，而炼油厂内部多单元互联、碳在中间产物与最终产品间重新分配的特性，进一步增加了可再生碳归因的复杂性。因此，亟需建立透明、可比较的核算框架，为政策制定者、认证机构及行业利益相关方提供科学依据。

**二、研究目标与创新点**

本研究旨在填补上述文献空白，通过整合炼油厂级质量与能量平衡模型、共处理实验文献数据及欧盟RED框架的方法学要求，构建政策合规的生命周期评估（LCA）方法，量化平均欧洲炼油厂配置下共处理生物燃料的碳强度与温室气体减排潜力。研究创新性体现在：提供清晰、一致且可复制的GHG排放数值，支持共处理生物燃料的认证实施；同时系统评估氢源（化石氢与可再生氢）对碳强度的敏感性影响，并外推欧盟层面的理论生物燃料产量潜力。

**三、技术方法**

研究人员采用基于RED II附件V及授权条例(EU) 2023/1640的归因生命周期评估（attributional LCA）方法，并集成Ifeu开发的炼油厂模型（运行于UMBERTO 5.6软件），该模型基于最佳可行技术参考文件（BREF）及EUROSTAT数据，代表平均欧洲炼油厂配置（年加工能力约6.8 Mt）。研究设定四个典型案例：废弃食用油（UCO）在加氢处理（HT）与加氢裂化（HC）单元共处理，以及快速热解油（FPO）和稳定化/加氢处理热解油（SPO/HDO）在流化催化裂化（FCC）单元共处理。转化单元入口生物质质量占比设为5–20 wt%。生物质转化率与氢耗数据来源于实验文献及放射性碳（1?C）追踪验证研究，并采用基于低位发热量（LHV）的能量分配方法处理多产品系统的功能分配。上游排放因子依据RED默认值或文献数据，其中UCO在收集前排放设为零，FPO与SPO的上游排放分别取自专项生命周期研究。

**四、研究结果**

**4.1 炼油厂规模生物燃料产量**

以1000 kg原油进料为基准，HT-UCO路径在5%掺混比例下总生物燃料产量为18.3 kg，20%时增至86.7 kg（以柴油为主）；HC-UCO产量较低（5%时1.5 kg，20%时7.0 kg），但煤油占比更高；FCC-FPO从1.5 kg增至7.5 kg，FCC-HDO/SPO从2.1 kg增至10.2 kg。研究指出原油品质差异可能使绝对生物质产品流量围绕代表性值变化约15–20%。

**4.2 欧盟层面理论潜力**

将CS1、CS2与CS4的综合产率外推至欧盟635 Mt/年炼油能力（94座炼油厂），在5%生物质占比情景下，理论生物燃料总潜力达13.9 Mt/年，其中柴油10.3 Mt/年、煤油2.4 Mt/年、汽油1.3 Mt/年。20%情景作为技术上限敏感性估算，对应66 Mt/年总量，但需额外设备适应调整。

**4.3 LCI数据与碳强度**

基于炼油厂模型计算的LCI显示，加氢处理路径每公斤液体燃料需消耗约0.03–0.049 kg外部氢，而FCC路径无外部氢需求，但FPO路径每公斤液体燃料需2.5 kg生物质中间体（HDO为1.8 kg），反映其较低转化效率。碳强度方面，使用化石氢时，HT-UCO柴油碳强度为13.1 g CO₂e MJ^?1（减排86.1%），HC-UCO为19.9 g CO₂e MJ^?1（减排78.8%）；使用可再生氢时，HT-UCO降至3.9 g CO₂e MJ^?1（减排95.9%），HC-UCO降至6.5 g CO₂e MJ^?1。FCC-FPO柴油碳强度为19.7 g CO₂e MJ^?1（减排79.0%），FCC-HDO/SPO为25.5 g CO₂e MJ^?1（减排72.9%）。所有路径均低于RED要求的65%减排阈值线（32.9 g CO₂e MJ^?1）。氢源切换使HT路径减排70%、HC路径减排67%，证实可再生氢是加氢路线的主要脱碳杠杆。

**五、讨论与结论**

讨论部分指出，加氢处理路线碳强度最低、转化率最高，但其依赖的UCO属于有限且缺乏弹性的原料，且RED附件IX Part B的产能上限已饱和，因此需关注Part A原料（如木质纤维素）的规模化。FCC路线虽产率较低，但可利用更丰富的热解油中间体，通过上游提质和催化优化可进一步提升性能。与文献对比，UCO加氢共处理的碳强度（8.2–19.2 g CO₂e MJ^?1）与ICAO CORSIA方法学支持研究一致；FCC路径结果与Yá?ez等及Lammens等结论相符。局限性包括：基于平均炼油厂配置，实际厂址结果可能偏离；转化率依赖中试数据；未考虑瞬态工况；部分生物质中间体上游清单数据有限。未来需综合技术经济、GHG排放、生物质可用性及规模化潜力进行集成评估。

研究结论强调：共处理是近期降低交通燃料碳强度的过渡性方案。加氢处理路径生物燃料产量最大，加氢裂化煤油份额较高，FCC路径可整合木质纤维素中间体但液体收率较低。按当前欧盟炼油系统外推，5%掺混下理论潜力约13.9 Mt/年。所有路径实现73%–96%的GHG减排，远超65%阈值。研究支持共处理作为炼油厂脱碳的过渡选项，并强调生物碳追踪、氢核算及先进原料开发的重要性。实际部署取决于原料可得性、氢源、催化剂兼容性、炼厂布局及经济条件。