作者名单：Wajahat Waheed Kazmi、Muhammad Wasi Syed、Muhammad Waqas、Umair Hassan Bhatti、Ahmed Omer、Mansoor Ali、Zulqarnain、Ishaq Kariim、Amjad Hussain、Faysal M. Al-Khulaifi
沙特阿拉伯达兰，法赫德国王石油与矿业大学（KFUPM）跨学科精炼与先进化学研究中心，邮编31261
摘要
由生物质和废弃物流制成的可持续航空燃料（SAF）已成为减少航空业碳排放的主要替代品。传统Jet A-1燃料的生命周期排放量约为89克二氧化碳每百万焦耳（g CO₂e/MJ），而许多SAF生产途径根据原料、工艺能耗和副产品处理方式的不同，可以实现低50-90%的温室气体（GHG）排放。尽管经过ASTM认证的路线（如基于脂质的升级和费托合成）正朝着商业化迈进，且目前的法规允许混合比例高达50%，但大规模应用仍受到原料供应有限和加工成本高的限制。在将废弃物转化为液体的热化学途径中，热解技术对于将异质生物质和塑料废弃物转化为液态油具有吸引力；然而，热解油富含氧气和水分，化学性质不稳定，需要进一步处理才能满足航空燃料的标准。本文重点评估了通过酒精转化为航空燃料、热解、升级、溶剂热液化以及加氢处理等途径从生物质和塑料废弃物中生产航空燃料烃类的最新进展，特别关注催化剂失活、再生及抗失活策略，并整合了原料可用性、技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）的内容。最近的统一TEA比较显示，主要生产途径的最低售价约为64-80美元每百万焦耳（USD/GJ），仍高于化石燃料的约24美元每百万焦耳（2022年美元价格），这突显了进一步改进工艺、创新催化剂、整合低碳氢能以及发展综合生物精炼策略的必要性。推进这些技术对于实现可扩展且具有成本效益的SAF应用、同时减少航空业的环境足迹至关重要。
引言
航空业在提高燃料效率方面取得了显著进展，但仍面临阻碍其快速发展的障碍。预计航空旅行需求的增长将超过效率提升的速度，导致排放量净增加[1]。2023年，全球航空业二氧化碳排放量接近9.5亿吨（Mt），超过了疫情前的水平，这主要是由于航空旅行需求的持续增长[2]。尽管航空业对人为二氧化碳总排放量的贡献相对较小，但其年增长率仍约为5%[3]。为应对日益严重的环境问题，在国际航空运输协会（IATA）的引领下，该行业承诺在2050年前实现净零碳排放目标。这一目标由会员航空公司于2021年正式提出，超越了之前的目标，并与《巴黎协定》的目标保持一致[4]。燃料成本占航空公司运营成本的28%，因此减少环境和经济影响成为行业关注的焦点[5]。因此，研究人员和航空公司正在探索环保且可持续的可再生燃料替代品。预计到2035年，全球航班数量将比2015年翻一番，这进一步凸显了开发生物质基航空燃料等解决方案的必要性[6]。提高燃料效率和开发碳中性替代品是减少航空业环境影响的关键措施。广泛采用SAF是实现行业脱碳战略的基石。然而，扩大生产规模是一项重大挑战：目前SAF的产量仅占全球喷气燃料需求的不到0.5%，需要大量投资才能满足未来的气候目标[7]。采用生物喷气燃料将使航空业能够在不更换现有飞机和发动机的情况下大幅降低排放。国际民用航空组织（ICAO）强调了优先获取这些燃料的必要性[8]。生物质和废弃物衍生的SAF在减少温室气体排放和应对气候变化方面具有巨大潜力。虽然太阳能和燃料电池等可再生能源目前尚不适用于飞机推进，但生物质衍生的SAF提供了可行的替代方案[9]。这些燃料可以与传统喷气燃料以最高50%的比例混合使用[10,11]。鉴于航空业每年消耗15亿至17亿桶传统喷气燃料，即使仅混合1%的SAF也能显著改善环境和经济状况[10]。传统喷气燃料的排放物包括气溶胶、二氧化碳（CO₂）、氮氧化物（NOₓ）、烟尘和一氧化碳（CO），这些物质会加剧臭氧层破坏和气候变化。相比之下，根据原料和技术进步的不同，生物质衍生的SAF有可能将排放量减少50-95%[12]。除了减排效益外，由于其优化的燃烧特性，SAF还有助于降低二氧化硫（SOₓ）、烟尘、一氧化碳（CO）和碳氢化合物的排放。此外，由于SAF含氧量高、碳氢比低、芳香族化合物含量少以及燃烧温度较高，它们还能减少一氧化碳（CO）和未燃烧碳氢化合物的排放。
经过ASTM认证的SAF生产途径主要产生石蜡烃燃料，而传统喷气燃料中芳香族烃的含量可高达25%[11]。芳香族化合物会导致颗粒物排放，但ASTM标准D7566要求SAF的芳香族含量至少为8%，以确保O形圈的性能并保持燃料的密度等特性[13]。SAF的芳香族组成取决于生产过程，影响其与传统燃料的混合兼容性。虽然D7566标准允许生物喷气燃料中含有最高25%的芳香族化合物，但较低含量可以减少某些材料中的燃料箱膨胀[11]。正如所提到的，行业的首要目标是在2050年前实现净零碳排放，这严重依赖于SAF生产的快速大规模扩张[14,15]。目前全球SAF产量在2024年约为100万吨，2025年增至200万吨，但仍仅占航空燃料总需求的0.7%，表明大规模应用面临巨大挑战[14,15]。IATA正与多家机构合作推广SAF的研发和采用，合作伙伴包括航空公司、能源生产商、大型企业和飞机制造商，他们通过SAF注册制度和民用航空脱碳组织（CADO）等倡议开展合作[16,17]。SAF符合严格的可持续性标准，其物理和化学性质与化石基喷气燃料相当。为了有效整合，SAF必须能够无缝融入现有的航空系统和基础设施[18]。植物油、动物脂肪和农业残渣等原料是HEFA（加氢处理的酯类和脂肪酸）、ATJ（酒精转化为喷气燃料）和费托合成（FT）等SAF生产途径的基础，每种途径都有其独特的可行性和特点。
在促进航空运输的快速增长与实现碳中和发展目标之间取得平衡，需要摆脱对化石燃料的依赖，转向可扩展、可持续的燃料替代品。利用来自废弃物流、农业残渣、林业副产品和塑料废物的低成本、高产率原料对于提高SAF的经济和环境可行性至关重要。在此背景下，全面评估原料可用性、转化技术、温室气体减排潜力和技术经济可行性对于指导未来发展和政策决策至关重要。为应对这些挑战和知识空白，本文系统地研究了利用先进的热化学和催化转化技术从多种生物质和废弃物原料生产可持续航空燃料的情况。具体而言，本文详细介绍了SAF所需的物理化学性质，评估了潜在的原料种类，并批判性地分析了现有的和新兴的SAF生产途径。此外，还评估了这些转化途径的技术经济可行性、生命周期温室气体减排潜力及可持续性挑战，并讨论了当前的标准、认证现状以及扩大SAF生产和支持航空业脱碳目标所需的研究方向。
喷气燃料和生物喷气燃料的特性
喷气燃料，特别是航空涡轮燃料，用于驱动装有燃气涡轮发动机的飞机。传统喷气燃料主要来自原油精炼过程中的煤油馏分。从化学角度来看，喷气燃料是由碳氢化合物组成的复杂混合物，包括正烷烃、异烷烃、环烷烃以及少量芳香族化合物，而不仅仅是烷烃[19]。煤油馏分是传统喷气燃料的基础
标准
ASTM国际组织（前身为美国材料与试验协会）制定了规范，允许符合特定性能和安全标准的替代喷气燃料在商业和军事航空领域使用。其中最著名的SAF混合成分是SPK，主要由石蜡烃组成。由于纯SPK几乎不含芳香族化合物，因此不能单独用于传统涡轮发动机不同热化学转化途径中催化系统的稳定性和再生实践
尽管开发用于将生物质和塑料废弃物转化为SAF的催化系统时，优异的催化活性和增强的产品选择性是主要目标，但长期运行稳定性对于商业可行性同样关键。必须在每个具体过程中仔细考虑和理解关键因素，包括失活机制、再生方案和缓解策略。结焦和部分孔隙问题
缓解SAF技术经济和生态挑战的可持续策略
SAF的生产经济可行性主要受原料成本的限制。除了原料费用外，关键的成本因素还包括催化剂成本、氢气供应、资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）[300]。高效的SAF生产依赖于高工艺产率和能源效率，即最终产品中的能量含量与来自原料和辅助能源的能源输入之比挑战与未来展望
SAF为传统喷气燃料提供了可行的替代方案，有助于迫切减少温室气体排放。由于SAF采用生物基原料，因此具有低碳特性和有利的化学结构。然而，其广泛采用仍需克服技术和经济挑战，这需要持续的研究以提高成本效益和全球供应能力。为有效整合SAF，提出了一些建议。结论
本文探讨了从生物质和废弃物原料生产可持续航空燃料（SAF）的过程，强调了它们作为短期内缓解航空业长期气候影响的最可行解决方案之一的作用。研究深入分析了替代喷气燃料的关键转化途径，包括气化合成、催化费托反应、热解和催化加氢处理等工艺。
CRediT作者贡献声明
Wajahat Waheed Kazmi：撰写初稿、可视化设计、方法论制定、数据分析、概念构建。Muhammad Wasi Syed：撰写初稿、软件开发、数据分析、数据管理。Muhammad Waqas：审稿与编辑、可视化设计、软件开发、数据分析。Umair Hassan Bhatti：审稿与编辑、验证工作、软件开发、数据分析。Ahmed Omer：审稿与编辑、软件开发、数据分析。Mansoor Ali：审稿工作致谢
作者感谢阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）物理科学与工程（PSE）部门的支持，同时也感谢法赫德国王石油与矿业大学（KFUPM）跨学科精炼与先进化学研究中心（IRC-RAC）的支持。在准备本手稿过程中，作者未使用任何生成式人工智能（AI）或AI辅助技术
