废弃物制可持续航空燃料耦合碳捕集与绿氢整合的技术经济分析

本研究针对航空业脱碳难题，创新性地评估了基于城市固体废弃物（MSW）气化制备可持续航空燃料（SAF）的四种技术路径（HTFT-CCS、HTFT-H2、MTJ-CCS、MTJ-H2）。研究通过Aspen Plus建模发现，整合绿氢的甲醇制航煤（MTJ-H2）路径表现最优，其SAF产率达8.2%，平准化成本最低（7.7 £/kg），但当前仍高于传统航煤。研究强调了政策支持与成本优化对推动SAF大规模应用的关键意义。

航空业是全球碳减排的“硬骨头”，其碳排放量约占全球人为排放的2%，若不采取行动，到2050年可能成为第二大排放源。为了实现国际民航组织（ICAO）提出的碳中和增长目标，以及各国（如英国）的2050年净零排放承诺，寻找传统航空燃油的低碳替代品迫在眉睫。可持续航空燃料（Sustainable Aviation Fuel, SAF）被视为实现航空业脱碳的关键路径之一，其全生命周期温室气体排放可比传统航煤降低高达80%。

然而，SAF的大规模应用面临两大核心挑战：高昂的生产成本以及可持续原料的有限供应。目前主流的SAF生产技术，如加氢处理酯和脂肪酸（HEFA）路线，受限于原料（如动植物油脂）的可得性和成本。因此，开发基于廉价、丰富原料（如城市固体废弃物）的新一代SAF生产技术，并探索如何通过技术集成（如碳捕集与封存、绿氢整合）进一步降低碳足迹和提升经济性，具有重要的研究价值和现实意义。

在此背景下，来自英国伦敦大学学院（University College London）的Mohammad A. Rasheed和Massimiliano Materazzi在《Fuel Processing Technology》上发表了研究论文，对基于废弃物衍生燃料（Refuse-Derived Fuel, RDF）气化制备SAF的不同技术路径进行了系统的技术经济分析（Techno-Economic Analysis, TEA），并创新性地比较了集成碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage, CCS）和绿氢（Green H₂）两种方案的效果。

为了系统评估不同技术路径的可行性，研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，他们使用Aspen Plus V14软件建立了详细的工艺流程模型，对以英国一个处理92,000吨/年城市固体废弃物（MSW）并产出约55,000吨/年RDF的商业化中试规模工厂进行了模拟。模型涵盖了从RDF气化、合成气（Syngas）净化与调节（包括水煤气变换WGS或逆水煤气变换RWGS）、到关键的燃料合成步骤（高温费托合成HTFT或甲醇制航煤MTJ），以及CCS（使用单乙醇胺MEA溶剂）或碱性电解槽制绿氢的集成。其次，他们基于模型输出的物料和能量平衡，计算了关键的技术性能指标，如SAF产率、能源效率等。最后，他们进行了详细的经济性分析，计算了资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）以及SAF的平准化生产成本（Levelized Cost of Production, LCOP），并对关键经济参数进行了敏感性分析，以识别影响成本的主要因素。

RDF气化与合成气制备

研究首先比较了三种高温焦油重整方案（纯氧、纯等离子体、氧-等离子体组合）对合成气成分的影响。模拟结果表明，氧-等离子体组合方案能在不过度消耗氧气或电力的前提下，产生富含H₂和CO且杂质含量低的优质合成气，为后续合成过程提供了理想原料。

过程性能分析

通过对四种SAF生产路径（HTFT-CCS, HTFT-H₂, MTJ-CCS, MTJ-H₂）的物料和能量流分析，研究发现：

• •
  产率与效率：整合绿氢的路径（尤其是MTJ-H₂）显著提升了SAF产率和整体能源效率。MTJ-H₂路径的SAF质量产率最高（8.2%），整体能源效率也最高（31.2%）。这得益于绿氢的补充提高了合成气H₂/CO比，减少了碳损失，同时MTJ路径本身对航煤范围烃类具有更高的选择性。
• •
  技术路径比较：MTJ路径在碳效率和目标产品选择性方面普遍优于HTFT路径。HTFT路径产物分布较宽，需要更多升级步骤，且铁基催化剂上的水煤气变换（WGS）反应会再生CO₂，降低碳转化效率。而CCS路径虽然捕获了大部分CO₂（捕获率95%），实现了潜在的负排放，但也导致了有用碳的损失和额外的能耗（如溶剂再生），因此燃料产率和效率相对较低。

经济性分析

经济性评估显示，当前所有SAF路径的生产成本均远高于传统航煤。

• •
  成本构成：初始投资（CAPEX）是主要的成本驱动因素，其中气化单元、电解槽（对于H₂路径）和CCS单元（对于CCS路径）贡献了大部分资本支出。对于H₂整合路径，可再生电力价格是运营成本（OPEX）的主要变量。
• •
  平准化成本（LCOP）：MTJ-H₂路径的LCOP最低，为7.7 £/kg SAF，但仍远高于传统航油价格。HTFT-CCS路径的LCOP最高，为11 £/kg。
• •
  碳信用影响：在CCS路径中，捕获和封存生物源CO₂（RDF中生物源碳含量为64%）可产生碳信用（基于英国排放交易体系UK ETS），这部分收入在一定程度上改善了过程的经济性，但对降低LCOP的幅度有限。
• •
  敏感性分析：敏感性分析表明，LCOP对CAPEX和利率的变化最为敏感。降低CAPEX、获得低成本可再生能源电力以及实施更高的碳定价是改善这些技术路径经济性的关键杠杆。

本研究通过严谨的技术经济分析，清晰地揭示了不同废弃物制SAF路径的性能与成本权衡。结果表明，虽然当前基于RDF气化的SAF生产成本高昂，但其在废弃物资源化利用和深度减排方面具有巨大潜力。整合绿氢的MTJ路径（MTJ-H₂）在技术性能和经济性上展现出最佳前景，但其商业化严重依赖于低成本可再生电力的供应。而集成CCS的路径则为实现航空业难减排部门的负排放提供了可能，其发展则需要强有力的碳定价政策和碳信用机制支持。

该研究的结论为政策制定者、投资者和技术开发者提供了重要的决策参考：推动SAF技术从实验室走向大规模市场应用，需要多方位的努力，包括通过技术创新和规模效应降低设备投资成本，构建稳定且低成本的可再生能源供应体系，以及设计长期、稳定的政策激励框架（如强制掺混指令、税收优惠、碳定价等）。未来，结合全生命周期评估（LCA）进一步量化这些路径的环境效益，并探索更大规模下的技术经济表现，将是重要的研究方向。总之，这项研究为利用废弃物这一“城市矿藏”驱动航空业绿色转型提供了有价值的洞见和可行的技术路线图。