低温费托合成中CO2加氢制净零可持续航空燃料的工艺设计与替代方案研究及其对航空业脱碳的意义

为解决航空业脱碳难题，研究人员开展CO2加氢制可持续航空燃料（SAF）的工艺优化研究，通过对比三种自热式工艺方案（含RWGS、FT、加氢裂化等反应器），发现保留自热重整器（ATR）的替代方案2可降低氢耗（0.52 kg H2/kg产品）和成本（3.65 €/L SAF），并采用隔墙精馏塔（DWC）提升分离效率，实现净负碳排放（−2 kg CO2eq/kg产品），为SAF规模化生产提供关键技术路径。

航空业是全球最难脱碳的领域之一，因其高度依赖高能量密度的液体燃料，且需与现有发动机和基础设施兼容。国际航空运输协会（IATA）承诺到2050年实现净零碳排放，但可持续航空燃料（SAF）的生产面临成本高、技术不成熟等挑战。当前SAF生产路线包括HEFA（加氢处理酯和脂肪酸）、ATJ（醇类制航空燃料）、生物质路线和费托合成（Fischer-Tropsch, FT）等，其中间接CO₂-FT路线因技术成熟度高（TRL较高）和产品兼容性好（可混合50%传统航空煤油）而备受关注，但仍存在氢耗高、催化剂易失活、分离效率低等问题。为此，Luis Vaquerizo和Diego Rego-Fernández在《Journal of CO2 Utilization》发表研究，通过Aspen Plus模拟对比三种自热式SAF生产工艺，旨在优化流程、降低能耗与成本，推动航空燃料的净零转型。

研究采用Aspen Plus v14.0进行流程模拟，主要技术方法包括：1）热力学模型选用Peng-Robinson方程（PR-EOS）和ELECNRTL（用于胺吸收单元）；2）反应器建模基于RGIBBS（RWGS和ATR反应器，假设平衡态）和RSTOIC（FT、加氢裂化和异构化反应器，使用实验转化率数据）；3）分离单元优化涉及胺吸收塔（用于CO₂回收）、隔墙精馏塔（DWC）和常规蒸馏塔对比；4）能量集成采用夹点分析评估热自给性；5）产品规格依据ASTM D7566（SAF）和ASTM-D975（柴油）标准，并通过混合指数法计算凝固点。原料为捕获的CO₂和电解绿氢，工厂规模为225 ktpy SAF，对应西班牙约3.4%的航空煤油年需求。

4.1 分离方案对比

研究首次在SAF生产中评估三种分离配置： stripper+蒸馏塔、蒸馏塔+pumparound+侧线 stripper、以及DWC。结果表明，DWC需最少塔板数（23）和最低再沸器负荷（2572 kW），且能同时满足SAF闪点（38°C）、凝固点（−47°C）和柴油T95（360°C）等规格，显著提升分离效率。DWC通过内部液体和蒸汽分流比控制产品间隙和能耗，但操作复杂性较高；其他方案则通过调节回流比和再沸器负荷优化产品收率。

5.2 关键性能指标（KPIs）

对比基准方案（Atsonios等2023年提出）和两种替代方案：替代方案1用两座炉子取代ATR，集成胺吸收、异构化床、DWC和蒸汽轮机；替代方案2保留ATR，但添加胺吸收和异构化单元。关键发现包括：

• •

  氢耗：替代方案2最低（0.52 kg H₂/kg产品），因ATR可回收轻烃产氢；替代方案1氢耗最高（0.62 kg/kg），但电力需求最低（716 kWh/吨产品）。

• •

  经济性：基于氢价4.5 €/kg和电价80 €/MWh，替代方案2的SAF最低售价为3.65 €/L，接近IATA预估（3.77 €/L），但仍比传统燃料高5倍；替代方案1因省氢年节省1.74亿欧元，但省电仅1800万欧元，表明最小化氢耗更经济。

• •

  产品收率：所有方案SAF和柴油收率相近，但替代方案2因异构化床作用，SAF凝固点更低（−57°C），优于基准方案（−27.8°C）。

5.3 能量分析

两种替代方案均实现热自给，无需外部供热。Sankey图显示，替代方案1因炉子产热多，废热占比53%（低于替代方案2的70%），且通过蒸汽轮机发电覆盖部分电耗，第一定律效率更高（36% vs 30%）。夹点分析表明，替代方案2在900°C出现准夹点，因ATR与RWGS集成供热；替代方案1无夹点，但冷却需求更大（670 MW vs 429 MW）。胺吸收单元再沸器负荷高（230–250 MW），需与FT反应器热集成优化。

5.4 可持续性指标

从环境绩效看：

• •

  材料强度：替代方案1最高（5.21 kg原料/kg产品），因氢和氧耗量更大。

• •

  E因子：水为主要副产品，替代方案1生成最多（4.21 kg水/kg产品）。

• •

  能源强度：替代方案1最低（0.71 kWhe/kg产品），因蒸汽轮机发电；替代方案2最高（1.71 kWhe/kg）。

• •

  GHG排放：若用绿电和绿氢，净排放为负（−1.8 to −2 kg CO₂eq/kg产品）；若用灰电和灰氢，则升至2–2.5 kg CO₂eq/kg产品。

  与先前CO₂制甲醇或DME工艺相比，SAF路线因多反应器（RWGS、FT、加氢裂化）和高压压缩，材料与能源强度更高。

研究结论强调，间接CO₂-FT路线是生产SAF的可行路径，但经济性受氢成本主导。替代方案2（保留ATR）在最小化氢耗和成本方面更具优势，尤其适合氢价高的场景；DWC是最高效的分离选择，可降低能耗和设备复杂度。未来需通过降低电解氢成本（目标0.45 €/kg）、优化催化剂和反应器集成（如RWGS与ATR合并）来提升竞争力。该工作为SAF工厂设计提供了模拟基础和优化策略，助力航空业2050净零目标。