《Nature》:让可持续生物燃料火起来

时间:2014-05-04  阅读:    我要评论:

《Nature》:让可持续生物燃料火起来

 Nature:让生物燃料火起来

Velocys 公司建造的费托合成反应堆

到 2015 年年底,所有英国航空公司从伦敦城市机场起飞的航班都将以垃圾(纸、食物残渣、花园修剪下的草和其他城市居民丢弃的有机碎屑)为燃料。

但在这些垃圾成为燃料之前,它们将在“伦敦绿色天空”被加工处理。这是一家位于伦敦东部的生物燃料工厂,目前正在建造中。每年,该工厂将接收约 50 万吨城市垃圾并将其中的有机成分转化为 6 万吨喷气燃料。

这种级别的产出很难在传统炼油厂被注意到。在传统炼油厂,原材料能在一周内生成等量的产品。美国纽约市自然资源保护委员会可再生能源政策主管 Nathanael Greene 说:“收集足够的生物量运转一个炼油厂几乎是难以想象的事情。”作为第二代生物燃料工厂,“伦敦绿色天空”采用的材料可以是玉米秸秆、木屑、其他形式的农业废弃物及城市垃圾,但在数量上仍不够。现在的希望在于,工厂可以大幅度削减运输成本——将工厂迁至生物量富集的地方,而不是目前相反的做法。

支持者认为,新催化技术和紧密的设计将使第二代生物燃料工厂不仅能保护生态环境,还能在没有补贴的情况下仍有利可图,并足以和石油燃料竞争。现在的问题在于,这样的设想能否变为现实。但至少一些客户正在给工厂一次尝试的机会;相关商业单元如雨后春笋般在芬兰,美国密西西比州、阿拉斯加州等地涌现。

Greene 表示,如果第二代工厂获得成功,和其“前任”相比,它们将带来一大至关重要的优势:以低碳的方式生产适合现有车辆的燃料。

有限的兼容性是限制第一代生物燃料工厂发展的一大主要问题。第一代工厂利用发展了一千多年的技术生产啤酒、葡萄酒和烈性酒。这些机器磨碎诸如玉米、甘蔗等食物,加入水和酵母。这一过程能生产大量乙醇,而乙醇正是能与汽油混合的绝佳燃料。

但是,不断增长的人口和有限的耕地使得利用食物制造燃料的方法有很大局限性。因此,十多年来,生物燃料行业一直致力于研究更经济的方式,例如以玉米秸秆、木屑和其他被白白浪费掉的副产品作为原料。这对发酵方法提出了挑战,因为这些材料包含牢固的长链分子(例如纤维素、木质素),酵母很难分解它们。在过去的 5 至 10 年间,利用酸和酶的预处理方法的进步已经从一定程度上克服了该难题,计划生产纤维素乙醇的商业化工厂目前正在爱荷华州和堪萨斯州等地建造。

“混合墙”难题

然而,这些工厂目前还不能完全克服发酵方法上的最大难题:“混合墙”——指在未引起燃油管和发动机腐蚀的情况下,可以和汽油混合的乙醇的最大数量。当前模型的“混合墙”比例约为 10%~15%——第一代发酵设备已经生产出“绰绰有余”的乙醇满足这一需求。事实上,美国一些过去 10 年间建立的乙醇精炼厂已经处于闲置状态,它们是干旱导致的价格飞涨及市场饱和的受害者。

近 9 年来,油价一直居高不下——约保持在每桶 100 美元,使得大批研究转向热化学领域。热化学工厂能将生物量直接转化为燃料。

Nature:让生物燃料火起来

最常见的热化学方法是气化,即加热富含碳的物质(诸如煤、木屑、城市垃圾)以生产合成气(指一氧化碳和氢的混合物,尤指由低级煤生产的可燃性气体)。在伦敦绿色天空工厂, Solena 燃料公司(华盛顿市的一家可再生能源公司)建造的气化炉装置将完成这一步骤——用喷射的离子化的等离子体蒸发垃圾,并加热至 3500 摄氏度。这些装置比其他气化方法能源消耗量要大。伦敦绿色天空工厂这样做的原因在于,城市垃圾是多种多样的,通过调节装置的温度,进而使合成气的成分保持一致。

该过程的第二步是将合成气送至一个化学反应堆(由俄亥俄州平原市 Velocys 公司建造),一致性在其中非常重要。在这一步,合成气将经历费托合成反应——氢和一氧化碳熔合成长链碳氢化合物。通过控制含钴催化剂粉末的数量并将其置于一系列微通道旁, Velocys 得以设计出异常紧凑的系统并能控制合成气的流动。

费托合成单元也被设计得尽可能模块化,这样工厂能更便利地处理材料。 Velocys 公司业务开发经理 Neville Hargreaves 说:“获取利润并不是在规模上投机取巧,而是需要改进你的生产方式。”

另一系统

另一个紧凑型系统—— BioMax 气化炉由科罗拉多州恩格尔伍德市社区电力公司开发。该公司表示,该模块化装置具备体形小的优势,每个标准集装箱可置入 4 个,且适用于任何一种切碎的生物材料,不论是食物残渣、硬纸板还是木片。由此生成的合成气可代替天然气,发挥加热、冷却、发电的功能。一个典型单元能产生 150 千瓦的电能,可支持 25~50 个家庭或 3 家超市的电力需求,甚至维持主要医院设备的正常运转。在不久的将来, BioMax 装置将能应用于费托合成反应堆,并也能生产生物柴油。

2011 年,社区电力公司被 Afognak 公司收购。 Afognak 公司位于阿拉斯加州 Afognak 岛。它们希望在阿拉斯加州和加拿大北部出售该装置,因为在这些地区,电力和运输燃料都非常昂贵。

清洁燃烧

两步气化方法最大的卖点在于,所有合成气都转化为没有双键或环状结构的碳氢化合物,使得生产出的燃料能清洁彻底地燃烧。但这一优势并未阻碍研究人员寻找单一步骤的可替代方法的脚步。在高温分解过程中,生物材料在没有氧气的环境中被加热到500摄氏度,之后被直接转化为有机液体。通过标准技术,这些液体可以被精炼成燃料。科罗拉多州博尔德市美国国家可再生能源实验室首席科学家Mark Nimlos表示,与气化相比,高温分解是一个相对不成熟的技术。但这可以视为一个优点。“该技术有很大的提升空间。”

一些公司已经开始检验该技术的商业可行性。例如,伊利诺伊州德斯普兰斯市 UOP 公司——总部位于新泽西州的霍尼韦尔国际公司的子公司,正在和渥太华市 Ensyn 技术公司合作,推广 Ensyn 公司的快速高温处理( RTP )单元。这些公司预见到, RTP 单元可以被安装在木材厂旁边,这样每个人都可以将废木材转化为每年 7600 万公升的热解油。这些能量足以“温暖”3.1 万个家庭——如果它们直接被作为民用燃料油使用;它们还可以被精炼成汽油,这样能给美国 3.5 万辆汽车提供燃料。

绿色燃料北欧公司(芬兰库奥皮奥市一家生物炼制公司)正计划在伊萨尔米镇旁建造至少一个 RTP 单元。在这里,该公司处理来自全芬兰林木产业的垃圾。该公司还正与欧洲委员会合作,研发一套针对高温分解燃料的质量标准。焦油是较难处理的一个成分,它是长链分子的一种黏性残渣,很难被提炼。另一个是氧气,很多生物材料都富含氧气,它易和热解油发生反应形成能严重腐蚀炼油设备的有机酸。找到更好的方法处理这两种污染物是研究的主要目标。目前,移除氧气最容易的方法是添加来自天然气的氢分子,但这将对环境造成负面影响且提高成本。

对伦敦绿色天空公司而言,经济可行性仍是一个悬而未决的问题。但其合作伙伴—— Velocys 、 Solena 、英国航空公司——却充满希望。它们没有透露设施的成本,但 3 家都没有将成本视为核心问题。英国航空公司希望该方法能帮助其实现欧盟强制实行的碳排放目标,与此同时确保喷气燃料的稳定供应(不受价格波动的影响)。 Solena 和 Velocys 则希望伦敦绿色天空公司成为全世界第一个将该设施应用于机场的公司。

Hargreaves 表示,每一片旷野、森林、垃圾填埋场都是这些设施的潜在燃料来源。对液体燃料的需求永远不会消失。他说:“50 年以后,我们可能实现陆路运输完全电气化。”但飞机所需的能力密度远非电池所能提供。“液体燃料是很难被取代的。”

 

原文阅读链接:

Kim Krieger. Renewable energy: Biofuels heat up. Nature, 24 April 2014; doi:10.1038/508448a

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关键词:《Nature》,可持续,生物燃料

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