润英联 | 挑战未来的燃料

世界各地都在寻求各种手段来降低交通运输行业的碳排放，并提高可再生能源的使用，监管机构也在引入并缩紧生物能源和二氧化碳排放的目标。在本期微课堂，我们特邀润英联燃料技术销售客户经理JavierMontes畅谈欧洲石油公司所面临的挑战。在欧洲，生物燃料（如加氢处理后的植物油）有望在未来的运输燃料组合中扮演越来越重要的角色。

 

世界各地的政府和监管机构都正在立法来降低温室气体（GHG）的排放，以减缓全球变暖的速度。同时，随着人们对可持续发展的渴望日益增长，官方机构、公司和个人都在寻找可再生能源，以替代基于化石的石油和天然气。

 

在欧洲，运输行业是一个主要的能源消费领域，也是温室气体排放的重要来源。在未来十年，基于GDP增长预期，运输活动预计会大大增加，这将导致能源消耗激增。欧盟（EU）委员会的参考情景项目预测到2030年，交通运输行业的能源需求将增加到总能源需求的32％左右。这主要受到货运量增加的推动，而客运量预计将稳步下降。

 

乘用车对能源需求的下降、替代性动力总成方案在市场内的引入、以及发动机能源效率的改善，都将在未来十年导致对汽油需求的稳定下降。相反，货运活动的增加，特别是公路上重型柴油车辆的运输活动，意味着车用柴油（ADO）或柴油燃料的需求预计将保持其市场份额，从而抵消客运对柴油预期需求的减少。到2030年，用于运输的能源消耗中约90％预计是石油产品，其中55％将是柴油（包括船用燃料）。

 

欧洲委员会（EC）已为全球气候行动制定了一项长期战略，并认识到低碳燃料（尤其是生物燃料）必须在交通运输行业降低碳排放中发挥重要作用。

 

2009年出台的《可再生能源指令》（REDI）要求会员国制定具体的国家性可再生能源目标，可再生能源到2020年在公路和铁路运输中至少实现10％的份额。然而，进展情况喜忧参半，整体看来，相较于2020年的10％目标，欧盟仍低约2％。

 

 

基于《巴黎协定》的气候目标，在二氧化碳减排方面，《可再生能源指令》（REDII）第二阶段规定已经发布，为2030年的公路和铁路运输设定了更高的可再生能源份额目标，即14％。在这14％的范围内，设有专门针对高级生物燃料的子目标（3.5％）。这种高级的生物燃料可从大约20种预先设定的原料中生产获得–这些原料大部分以生物质残渣和废物为基础，但不包括用过的食用油以及1类和2类动物脂肪。

 

REDII生物能源目标针对柴油这一细分领域，为石油公司带来新的挑战。

 

迄今为止，炼油厂主要通过将化石柴油与来自棕榈、菜籽油和豆油等农作物原料的第一代脂肪酸甲酯（FAME）混合，来应对REDI规定的生物能源目标。

 

近年来，在欧盟，基于非农作物的第二代生物柴油的使用在显着增加，例如，来自废料的FAME、基于用过的食用油甲酯（UCOME）和牛脂甲酯（TME）生成的动物脂肪。这一趋势受以下事实驱动：即，由于较低的残渣原料价格和双积分制（１）影响，这些生物柴油极可能会以较低的成本增加温室气体减排量，从而确保许多欧盟成员国的炼油厂可以为实现其生物能源目标而减少一半的生物柴油数量。

 

但是，就总体生物能源和基于高级原料的能源而言，仅仅通过生物柴油不可能实现更具挑战的REDII生物能源份额目标，主要有以下几个原因。

 

首先，这与FAME的化学成分有关。FAME与化石柴油不同，其与化石燃料调和比的最大限值为7％v/v，以此来保护发动机不受损坏。FAME的能含量（即使在使用重复计算的原料生物柴油时）也无法在最大的调和限值内提供所需的14％生物能份额。第二个原因与人们所称的第三代高级生物燃料生产的技术准备程度有关。可从大多数高级原料中生产生物燃料的可用技术途径不适合于生产FAME，而可用来生产链烷烃生物燃料。

 

两种最相关的正构烷烃生物燃料是加氢处理的植物油（HVO）和生物质液化（BTL）。

 

HVO可以通过加氢处理和异构化，从植物油和动物脂肪（脂质）中产生，而BTL是通过FischerTropsch合成产生。它们既可以由农作物原料制成，也可以由多种高级的可再生原料制成，例如木材，肥料和木质纤维素材料。制得产品为链烷烃可再生柴油，与FAME不同，其可与化石柴油混合，不受EN590标准的限制，因为它们在化学上具有可比性。因此，使用正构烷烃可再生柴油对实现REDII设定的总生物能和高级生物能目标而言是适当的。

 

虽然尚没有以工业规模生产BTL的技术，但HVO已在市场上销售，其全球产量有所增加，其中大部分消费来自欧盟和美国。根据REDII目标，HVO在满足炼油领域对有温室气体高减排潜力的液态生物燃料不断增长的需求方面发挥着重要作用。

 

HVO正成为唯一可用的替代方案，使炼油厂能够在FAME可以提供和REDII要求之间满足生物能源份额的差距。

 

重要的是，要注意炼油厂需要在柴油和汽油燃料中都满足REDII目标。与用于柴油的生物燃料相比，用于汽油的生物乙醇提供的能量贡献较低。因此，为实现REDII目标，需要在汽油中使用更高的生物乙醇混合比例。

 

但是，由于技术上的限制，汽油中的生物乙醇混合比（即使以ETBE的形式加入）也受到限制，根据燃料质量指令规定，最大混合比设置为10％v/v份额（E10）。在许多国家，由于现有车辆无法使用更高的生物乙醇含量，因此使用5％v/v乙醇（E5）作为防护等级。结果，在炼油厂一级，石蜡型生物燃料（例如HVO）不仅可以弥补FAME的不足，而且可以抵消汽油库中的生物能源支出。

 

 

在整个欧洲，对HVO的使用并不一致，北欧国家在其雄心勃勃的温室气体减排目标和税收优惠政策的推动下处于领先地位。但是，欧洲炼油厂将HVO作为添加组分的使用预计会继续增长，将从占2019年公路用柴油总量的约1.4％（注2）增至2030年的约2-6％。尽管更为雄心勃勃的特定国家的生物能源目标或较低的可再生能源发电量的引入可能导致更高的HVO使用份额，在REDII规定的期限内，HVO份额不可能达到两位数。

 

100％HVO燃料的废气排放量低，并且与现有的燃料供应基础设施和车队完全兼容。这些因素意味着，根据EN15940标准要求，HVO已被用作重型和公共汽车车队的化石柴油的替代品（主要在北欧国家，最近在荷兰）。此外，近年来，根据EN590标准，高HVO含量的燃料已可商用，例如R33柴油（7％FAME+26％HVO+67％化石柴油）或柴油+15％HVO。为满足对HVO不断增长的需求，预计全球的装机容量将会增加。

 

据预测，到2030年，估计全球产能可能会从目前的每年约700万吨增加三倍，这主要集中在欧洲和北美对HVO消费量最高的地区。

 

但是，也存在一些障碍，阻碍了炼油厂更进一步、更快地引入HVO-特别是与FAME相比，HVO的生产成本和零售价格更高。另一个可能抑制HVO消耗的因素是REDII规定中与可再生电力相关的生物能源“乘数”-在用于公路运输中时，被视为其实际能源含量的四倍。由于运输部门的可再生能源目标是在国家一级定义的，这意味着随着可再生电力的贡献越来越重要，欧盟国家可以为液态生物燃料设定较低的生物能源份额目标，从而降低了炼油厂对生物燃料的需求。

 

 

油公司需要根据每个欧盟成员国设定的特定生物能源目标，来定义如何满足REDII的规定要求。他们还必须考虑在其方案中可再生能源发电方式组合（沼气，可再生电力及其乘数）的策略，以及与提高生物燃料量份额有关的技术限制。因此，炼油厂将确定到2030年满足生物能源目标所需使用的FAME/HVO或一起加工的植物油的混合量和质量。

 

HVO是炼油厂对柴油的重要添加成分。它的低密度使重分子得以升级-尽管在某些情况下，HVO混合比可能会受到一定限制，以防止最终燃料降至EN590最低密度要求以下。它的十六烷值高，蒸馏范围适当，硫含量低，芳烃含量为零，稳定性好和粘度合适，这些都意味着HVO可以帮助获得所需的生物能含量，同时对柴油质量也有积极影响。

 

但是，不利的一面是，对于使用HVO燃料的应用，存在润滑问题。通过使用有效的润滑性改进剂，可以在100％HVO燃料和含低于2-3％FAME的超低硫化石燃料混合燃料中恢复这种状态。

 

HVO最具挑战性的技术特征之一（通常被视为是限制炼油厂使用的主要因素）是其低温流动性，其特征在于浊点（CP）和低温过滤器堵塞点（CFPP）。

 

生产商可以通过异构化过程将HVO的浊点降低到足够低的数字，使其甚至适用于极寒的冬季北极等级。但是，高异构化涉及反应器内的高苛刻条件，这会缩短催化剂寿命，促进裂化而不是异构化（导致石脑油和气体产率更高，主产物产率更低），所有这些都意味着生产低浊点HVO的成本更高。

 

限制市场上极低浊点HVO供应性的另一个因素是，欧洲一些现有的HVO生产设施从炼油厂的改造项目发展而来，而异构化反应器可能没有进行改造。

 

将HVO掺入柴油实质上意味着添加正构烷烃，即蜡。HVO的浊点越高、HVO含量越高，则添加的蜡越多。

 

此外，与基础的柴油相比，HVO的蜡分布（正构烷烃）非常狭窄，这也会改变添加至最终燃料的蜡分布。蜡含量和蜡分布这两个因素不仅影响了柴油的特性，还有其对低温流动性添加剂的反应。因此，当使用HVO作为柴油的添加成分时，选择合适的HVO浊点非常重要。另外，应考虑使用专门用于处理窄沸程燃料的低温流动性添加剂，以确保无故障运行，这是一种经济有效的方式（通过降低加剂量）。

 

HVO浊点、HVO混合量和低温流动性添加剂技术之间的适当平衡是成本有效地实现生物能源目标的关键。同样，应考虑FAME对柴油低温流动性和添加剂反应的协同作用。

 

炼油厂需要考虑以下几个因素，来仔细评估如何使用HVO。

 

HVO不仅适合作为道路运输的化石柴油替代品，而且还可以为船运部门带来诸多好处，当前，船运部门正经历着巨大的变化和不确定性。国际海事组织的新规定从2020年1月起将燃料的硫含量从3.5％降低至0.50％，并从2021年开始引入更广泛的III级NOx限值，再加上未来的温室气体限制，所有这些都推动了燃料选择和操作的变化。在这里，HVO可以提供一种低硫含量，高十六烷值和可再生的替代品，以替代常规的低硫和高硫船用燃料。例如，当前，阿姆斯特丹港可提供含50％HVO的生物馏分的船用燃料（MGO）和生物残留燃料（HFO/LSFO）。

 

航空运输也设定了具体的温室气体减排目标，预计这将增加短到中期对液态生物燃料的需求。在具有ASTM认证的几种用于商业飞行的替代性喷气燃料生产途径中，一种高度异构化且加氢裂化的HVO喷气燃料（称为HEFA）因其已经成熟的技术，而处于领先地位。

 

随着公路、船用和航空运输方式在未来几年内对液态生物燃料的使用将不断增加，对可用燃料的供应竞争将会加剧。

 

预计这种趋势将对可持续的原料供应可用性和价格波动造成更大的压力，这一话题在欧洲备受争论。

 

从长远来看，我们可以预期，在REDII的推动下，不同类型生物燃料的份额将会增加，对加氢处理的进一步需求（用于超低硫燃料，以及增加船用中间馏分的产量），喷气燃料（意味着较少的中间馏分煤油）和低的汽油需求。所有这些因素将导致车用柴油中分子组成的复杂性和可变性增加。专为窄沸程燃料设计的润滑性改进剂和专用的低温流动添加剂，对于经济有效地处理这些更复杂的未来燃料可能是必需的。