生物質噴氣燃料可持續性及生命周期碳足跡評價研究

蔡立樂，聶 紅，吳 昊，于 博，解增忠，李 娜，渠紅亮

(中石化石油化工科學研究院有限公司，北京 100083)

隨著經濟的快速發展,航空運輸業保持著持續增長的態勢,使用傳統航空燃料帶來的溫室氣體排放也逐年增加,由于其本身巨大的行業體量和不可替代性,航空燃料所伴生的碳排放問題存在更多復雜性[1-2]。航空運輸業是為全球經濟活動提供運輸服務的基礎性行業,民航飛機的航程特點和當前的燃料技術決定了現階段航空運輸業在低碳能源上沒有太多的選擇,仍主要依賴化石燃料,行業碳減排的推進相對緩慢[3-5]。2017年9月,國際民航組織明確提出了“航空替代燃料必須滿足可持續性”這一環境要求。生物質噴氣燃料(生物噴氣燃料)無論從原料獲取還是環保降碳方面都滿足可持續發展要求。從生命周期角度評價生物噴氣燃料,生物質原料在種植過程中吸收CO2,噴氣燃料在燃燒過程排放CO2,CO2處于循環狀態,因此生物噴氣燃料具有顯著的碳減排特性[6]。

“碳足跡”的概念源自于“生態足跡”,相較于單一的碳排放,碳足跡是以生命周期評價方法評估研究對象在其生命周期中直接或間接產生的溫室氣體排放,包括產品在原料、制造、運輸、使用、廢棄等全生命周期中所產生的碳排放,不僅包括產品本身,也包括其產業鏈、供應鏈等關聯范圍的碳排放。目前國內外已有學者對噴氣燃料碳足跡進行測算研究。王子健等[7]通過質量分配法分析了噴氣燃料產品碳足跡并得出直餾煤油作噴氣燃料的碳足跡為59.98 kg/t,并從優化能源利用效率、改進原油品質和加工工藝、碳捕集與碳封存3個方面進行分析。張羅庚等[8]結合某煉化企業生產噴氣燃料產品的流程,從原料獲取、運輸、生產、銷售和使用5個階段對噴氣燃料產品的全生命周期碳足跡進行核算,得到其碳足跡為3 329.55 kg/t;Liu Ziyu等[9]利用生命周期評估(LCA)理論方法對微藻和麻風樹為原料的生物噴氣燃料全生命周期進行了建模分析,然而無法驗證其所基于的實驗室數據與未來工業應用的可持續航空替代燃料工藝碳排放的可比性。目前尚未有學者對我國已經實現工業應用的生物噴氣燃料產品碳足跡進行對比測算,缺乏基于我國實際生產的生物噴氣燃料碳足跡數據。本課題基于生命周期的評價分析,首次分析基于我國生產數據的生物噴氣燃料生命周期碳足跡,并與我國主要煉油廠的石油基噴氣燃料的生命周期碳足跡進行對比分析。

1 生物噴氣燃料的生產工藝

生物噴氣燃料是目前可持續性航空燃料中應用較廣的一種。生物噴氣燃料是指以廢棄油脂、農林廢棄物、藻類等生物質為原料制備的可供航空器使用的新型燃料,原料首先需進行預處理脫除其中的金屬、氯等雜質,以降低這些雜質對加氫催化劑和反應設備的危害,然后進行加氫處理和異構轉化,最后得到生物噴氣燃料以及石腦油和生物柴油產品。

隨著我國國民經濟持續進步,餐飲業日益繁榮,使餐廚廢油的產生量空前增長。餐飲廢油不僅污染環境,而且由于其游離脂肪酸含量高并含有醛、酮和聚合物等組分,若非法進入餐飲業會嚴重危害人們健康。利用餐飲廢油生產生物質燃料,在避免危害百姓身體健康的同時,還能夠改善能源產品結構、保護生態環境。我國居民日常食用油以植物油為主,因此本研究不考慮餐飲廢油中占比較低的動物油成分,僅以餐飲廢油制取生物噴氣燃料為研究對象。以圖1所示生產路線開展生物噴氣燃料生命周期碳排放分析,上游追溯至作物種植,下游分析至噴氣燃料在航空器中的燃燒。其中油料植物種植過程包含農藥、化肥的使用以及耕作、播種過程的環境影響;油料作物種子用于生產植物油,食用油經過烹飪及使用后,廢棄油脂分散在餐廚垃圾中,收集餐飲廢油并進行提取、精煉,進而用于生產生物噴氣燃料。

圖1 餐飲廢油生產生物噴氣燃料技術路線

2 生命周期評價模型

根據圖1餐飲廢油生產生物噴氣燃料技術路線,對生命周期各階段生產活動進行數據收集,利用LCA方法建立生物噴氣燃料生產路線的碳足跡評估模型,并計算各環節碳排放。

2.1 生命周期評價概念

生命周期評價是一種以原材料采集為起始,包含生產、運輸、銷售、使用、回收和處置等各環節,評價整個生命周期內產品、工藝或活動環境負荷的過程。生命周期評價是對環境壓力進行評價的客觀過程,它通過核算對能量和物質的利用以及廢物排放對環境的影響,表征研究對象整個生命周期各環節對社會和環境的影響程度。

2.2 生命周期評價模型

開展生命周期評價首先要確定研究范圍。根據生命周期框架定義,用來制取生物噴氣燃料的餐飲廢油是各種植物油的混合物,植物油的生產包含各種植物的種植、產籽、榨取過程,過程涉及的包含運輸在內的能源消耗和環境排放不能忽略,但由于數據可獲得性和數據質量的限制,需對系統邊界做適當界定,剔除一些對實現研究目標影響不大的過程,如土地占用、廢棄物處理等。根據該原則,本研究建立的全生命周期評價模型主要考慮種植過程、運輸過程、植物油生產過程、餐飲廢脂收集和精煉過程、生物噴氣燃料生產過程以及消費使用過程。

2.2.1油料作物種植碳排放

(1)種植油料作物固碳。2019年國內食用油消費結構占比由高到低的順序為大豆油(40.9%)>棕櫚油(21.4%)>菜籽油(18.9%)>花生油(7.4%)>特種植物油(6.9%)>棉籽油(4.4%)[10]。由于我國棕櫚油基本依賴于進口,因此本研究選取大豆油、菜籽油和花生油為主要研究對象。我國大豆平均產量為1 983.5 kg/hm2,花生平均產量為3 809.9 kg/hm2,油菜籽平均產量為2 104.4 kg/hm2[11]。根據我國油料作物出油率水平,設大豆的產油率為17%,花生的產油率為40%,油菜籽的產油率為35%[11],則每生產1 kg大豆油需要大豆5.88 kg,生產1 kg花生油需要花生2.50 kg,生產1 kg菜籽油需要油菜籽2.86 kg。大豆、花生和油菜都是一年生的作物,它們在一年內的CO2吸收量就是其在整個生長過程中的吸收量。大豆的固碳系數為1 730 kg/(hm2·a)[12],折算成CO2吸收量為6 340 kg/(hm2·a),折合1 kg大豆種子的CO2吸收量為3.20 kg。花生的固碳量為1 300 kg/(hm2·a)[13],折算成CO2吸收量為4 770 kg/(hm2·a),折合1 kg花生種子的CO2吸收量為1.25 kg。油菜的固碳量為1 450 kg/(hm2·a)[14],折算成CO2吸收量為5 320 kg/(hm2·a),折合1 kg油菜籽的CO2吸收量為2.53 kg。

假設餐飲植物油由大豆油、菜籽油、花生油混合而成,混合比例參考文獻中餐飲廢油的典型配比(質量比):大豆油占38.6%,花生油占38.5%,菜籽油占22.9%[15]。通過混合比例折算生產1 kg混合油料作物種子的綜合CO2吸收量為2.29 kg。

(2)油料作物種植過程化肥消耗。植物生長所需的無機物來源分為兩部分,一部分是由土壤本身所具有的肥力提供,另一部分則來自施用化肥。假設植物生長過程中所需要的N,P,K有50%來自人工施肥,每生產1 kg氮肥、磷肥、鉀肥(以有效成分計)的碳排放量(以CO2計)分別為2.041,1.630,0.650 kg[16]。

根據油料作物生長過程中N,P,K元素吸收量的研究[17],植物生長中來自化肥的N,P2O5,K2O需求量分別是:每生產1 kg大豆需要N,P2O5,K2O的質量分別為0.036,0.009,0.020 kg;每生產1 kg花生需要N,P2O5,K2O的質量分別為0.034,0.065,0.019 kg;每生產1 kg 油菜籽需要N,P2O5,K2O的質量分別為0.029,0.013,0.022 kg。由此計算得到每生產1 kg大豆、花生和油菜籽需要施肥造成的間接碳排放量分別為0.10,0.19,0.09 kg。

(3)油料作物種植過程中的其他消耗。在種植大豆、花生、油菜等油料作物的過程中,除了化肥使用造成的間接排放外,還有種子獲取、地膜使用、除草劑及其他輔助營養劑的使用以及播種、灌溉、收獲過程中的能源消耗及溫室氣體排放[18]。綜合以上因素的碳排放數據,由生命周期評價模型核算得到,在3種作物種植過程中,獲取1 kg大豆的碳排放總量為0.79 kg;獲取1 kg花生的碳排放總量為0.55 kg;獲取1 kg油菜籽的碳排放總量為0.75 kg。

2.2.2植物油生產碳排放

植物油生產一般采用電機榨油技術,需要消耗水、煤、電以及植物種子和其他輔助原料等,榨油設備使用電氣化控制。根據文獻[12]中的油料榨油過程能耗數據,處理1 kg油料籽粒需要耗電0.03 kW·h,折合消耗標準煤0.01 kg(1 kg標準煤≈29.3 MJ),標準油2×10-6kg(1 kg標準油≈41.8 MJ)。根據《中國石油化工企業溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》、《省級溫室氣體排放清單》、《GB/T 2589—2020綜合能耗計算通則》以及生態環境部發布的電網排放因子等數據,計算各能源碳排放因子,結果如表1所示。根據各能源碳排放因子核算植物油的生產過程碳排放強度(生產單位質量該產品造成的直接碳排放量),結果為0.06 kg/kg。

表1 碳排放因子統計結果

2.2.3運輸過程碳排放

生物噴氣燃料生產的全生命周期評價環節中,涉及到的主要運輸過程有3個:餐飲廢油收集運輸過程、廢油運輸到煉油廠以及生物噴氣燃料產品運輸到機場。考慮到公路運輸成本,通常假設平均配送距離為300 km,使用載重為25 t的卡車運輸,總運輸距離為900 km。載重25 t的卡車公路運輸時的柴油消耗量為0.061 L/(t·km)[19],根據柴油燃料的碳排放因子3.18 kg/kg,每運輸1 t油品、運輸距離為1 km時的碳排放量為0.16 kg,折合每1 kg噴氣燃料所需的廢油運輸及噴氣燃料運輸總碳排放量合計為0.24 kg。

2.2.4餐飲廢油提取碳排放

食用植物油經過烹飪后,其使用量的15%將成為廢棄油脂分散在餐廚垃圾中[20],餐廚垃圾經固液分離、脫水后提取得到餐飲廢油。餐廚垃圾中油脂質量分數約為5%,出油率為98%,用餐廚垃圾提取1 t毛油需要消耗蒸汽109 kg、電12 kW·h。以廢棄油脂的收率為15%計算,其產品分配系數為0.15,根據各能源碳排放因子核算每提取1 kg 餐飲廢油的碳排放量為0.03 kg。

2.2.5餐飲廢油精煉碳排放

餐飲廢油是含有雜質的高酸值油脂,而雜質、水分和游離脂肪酸對酯交換都會產生影響,所以收集并提取的餐飲廢油在用于生產噴氣燃料前必須進行預處理,預處理方法采用化學精煉法,獲得 1 kg精煉油脂需消耗毛油質量為1.042 kg,脫酸所需的NaOH質量為10.42 kg,脫膠質所需的硫酸質量為1.46 kg,同時消耗蒸汽206 kg、電24 kW·h。精煉后的餐飲廢油可直接用于生產生物噴氣燃料。根據以上物質消耗與能源消耗數據,經碳足跡評價模型核算得到精煉油脂綜合碳排放強度為0.06 kg/kg。進而,根據各能源碳排放因子核算得到,每生產1 kg 生物質噴氣燃料在提取和精煉油脂環節碳排放總量為0.18 kg。

2.2.6生物噴氣燃料生產碳排放

本研究涉及的生物噴氣燃料生產工藝采用中國石油化工集團有限公司開發的以餐飲廢油為原料生產生物噴氣燃料兩段加氫(SRJET)技術,該技術于2011年12月在中國石化鎮海煉化分公司(簡稱鎮海煉化)完成了工業示范生產,實現了以餐飲廢油為原料生產出合格的生物噴氣燃料產品[21],并已在鎮海煉化建成并投產了一套100 kt/a生物噴氣燃料工業生產裝置。SRJET技術的工藝流程如圖2所示。

圖2 SRJET技術的工藝流程示意

該生物噴氣燃料生產裝置每處理1 t原料需要消耗240 kg蒸汽、191.2 kW·h電、0.046 t燃料氣、0.08 t水和9.6 m3氮氣,生物噴氣燃料生產過程氫耗為0.03 kg/kg。同時,基于某煉化企業實際生產過程的物料平衡數據以及能耗投入(包括電力、蒸汽、水、燃料氣等)[22]進行核算,可以得到:制氫能力約為15 000 m3/h的煤制氫裝置,氫氣產品的碳排放強度為23.25 kg/kg;制氫能力約為15 000 m3/h的天然氣制氫裝置,氫氣產品的碳排放強度為6.73 kg/kg。該生物噴氣燃料生產裝置采用天然氣制氫氫氣。根據該工藝生產生物質噴氣燃料產品的收率為45.3%,采用熱值分配法在各產品間進行能耗和碳排放分配,生物質噴氣燃料的分配系數是0.51。因此在SRJET工藝生產環節,生物噴氣燃料產品的碳排放強度為0.31 kg/kg。

生物噴氣燃料生產裝置反應器內裝填的RSS-2催化劑及RGO-1保護劑在1 100余天的整個運行周期內活性穩定,目前反應器入口溫度控制在265 ℃左右,催化劑活性穩定,得到的產品硫質量分數小于1 850 μg/g,氮質量分數小于5 μg/g,硫醇硫質量分數小于6 μg/g,并且色度(賽波特)保持在+30號,質量良好。反應器入口溫度和入口壓力隨反應時間的變化情況如圖3所示。對圖3中的反應器入口反應溫度進行線性擬合,可計算得到催化劑的活性損失速率為10.8 ℃/a,催化劑的活性損失較小。

圖3 裝置入口反應溫度與入口壓力情況

2.2.7催化劑生產碳排放

SRJET技術路線中,每噸加氫催化劑可處理19 kt原料,每噸異構轉化催化劑可處理26 kt原料,每噸加氫補充精制催化劑可處理52 kt原料。由催化劑生產能耗計算得到每噸加氫催化劑、異構化催化劑、補充精制催化劑的制備過程的碳排放量分別為6.35,18.87,13.40 kg。按照工業運轉的數據,加氫處理單元催化劑使用壽命為2 a,加氫轉化單元和加氫補充精制催化劑的使用壽命均為4 a。以催化劑最長使用周期核算,每生產1 kg生物噴氣燃料因催化劑使用而產生的間接碳排放為0.003 kg。

2.2.8生物噴氣燃料燃燒碳排放

在生物噴氣燃料的生命周期中,消費使用環節是其主要的碳排放來源,根據生物噴氣燃料低位發熱量、碳排放因子和碳氧化率計算,1 kg生物噴氣燃料燃燒消費造成的碳排放量為3.15 kg。

3 計算結果與討論

從作物種植到噴氣燃料生產及燃燒使用,生物噴氣燃料生命周期各環節的碳足跡如表2所示。模型核算結果顯示,噴氣燃料產品生命周期中碳排放最高的環節為燃料的燃燒使用,比例約占58%。雖然燃燒環節碳排放不可避免,但作物種植過程CO2吸收量在生物噴氣燃料生命周期中可抵扣約90%的環境碳排放,綜合生物噴氣燃料生命周期各階段碳排放,生物噴氣燃料生命周期碳足跡為0.55 kg/kg。此外,在生物噴氣燃料生產過程中,碳排放的主要來源為作物種植過程的能源和物質消耗,其次為噴氣燃料生產過程碳排放。

表2 生物噴氣燃料各環節的碳足跡

生物噴氣燃料替代石油基噴氣燃料對于全球能源消耗的結構轉變具有重要意義,將生物噴氣燃料與石油基噴氣燃料生命周期碳足跡對比分析,進而評價生物噴氣燃料替代石油基噴氣燃料生產使用的社會效益。石油基噴氣燃料生產活動數據與能源消耗數據來源于中國石化主營煉油廠實際生產裝置典型數據,計算過程中采用的各種能源的CO2排放因子見表1,各環節的碳足跡及占比見表3。

表3 石油基噴氣燃料各環節碳足跡及占比

由表3可知,石油基噴氣燃料的全生命周期碳足跡為3.660 kg/kg。與石油基噴氣燃料生命周期碳足跡相比,生物噴氣燃料生命周期碳足跡降低至0.55 kg/kg,實現碳減排85.0%。

4 不確定性分析

生命周期評價模型的構建需要大量的數據,如生產活動數據、材料消耗、能源消耗等。因此,模型計算結果不可避免地存在由數據質量的不確定引起的結果誤差。采用蒙特卡洛模擬分析法可根據研究目的構建出測算模型,根據專家經驗或者使用相關統計分析方法對模型參數進行隨機抽樣,按照各參數因子分布規律通過大量的隨機抽樣,綜合得到目標結果的分布概率,進而評價所有參數變量對總評價指標的影響。

采用蒙特卡洛模擬分析法進行模型的不確定性分析時,首先要確定模型的參數及其概率分布。生物質噴氣燃料生命周期碳足跡評價模型中的參數分為兩大類,即活動水平數據及其對應的碳排放因子數據。活動水平數據來源于實際裝置運行數據或文獻數據;碳排放因子數據則通過相關標準或指南中的數據折算得出。假設模型排放清單的輸入數據均呈現正態分布或對數正態分布的形式,并選取其有效值作為平均值,相對標準偏差通過數據來源的可靠性及數據取值的準確性來確定。

在生物噴氣燃料生命周期碳足跡測算模型中輸入各參數的概率分布、均值及相對標準偏差,采用蒙特卡洛模擬分析模型從各參數取值范圍中隨機抽取數據組成數據組,運行模型1×105次,獲得生物噴氣燃料生命周期碳足跡的預測結果及其概率分布,結果如圖4所示。由圖4可知,模型預測生物噴氣燃料碳足跡均值為0.479 kg/kg,模型計算結果顯示90%置信區間為0.247～0.699 kg/kg,平均標準偏差為0.001。

基于不確定性分析模型的計算結果,同時評價各模型參數對預測結果準確性的影響程度,結果表明,對生物噴氣燃料碳足跡模型預測結果偏差影響最大的參數為單位面積大豆的固碳能力(單位面積作物CO2吸收量),其次為油菜作物固碳能力、菜籽油的單位面積產量、大豆單位面積產量等。生物噴氣燃料生命周期碳足跡測算模型中對模型預測結果的標準偏差貢獻度大于1%的變量參數如表4所示。

表4 標準偏差貢獻度大于1%的模型參數及其偏差貢獻度

根據上述計算結果,生物噴氣燃料的生命周期碳足跡90%置信區間為0.247～0.699 kg/kg,相比石油基噴氣燃料生命周期碳足跡降低80.9%～93.2%。由此可見,生物噴氣燃料技術研究和產業鏈構建對助力我國“碳達峰、碳中和”戰略目標實現具有重要意義。

5 結 論

生物噴氣燃料LCA評價模型中,作物種植過程CO2吸收量在生物噴氣燃料生命周期中可抵扣約90%的碳排放,綜合生物噴氣燃料生命周期各階段,生物噴氣燃料生命周期碳足跡為0.55 kg/kg。與1 kg石油基噴氣燃料生命周期碳足跡相比,生物噴氣燃料生命周期碳足跡可降低 3.11 kg/kg,實現碳減排85.0%。

生物噴氣燃料碳足跡評價模型不確定性分析結果表明,對模型預測結果偏差影響最大的參數為單位面積大豆的固碳(吸收CO2)能力,其次為油菜作物固碳能力(吸收CO2)、菜籽油的單位面積產量等;生物噴氣燃料的生命周期碳足跡90%置信區間為0.247～0.699 kg/kg。