从玉米秆到再生能源 让生物燃料火起来
时间:2017-12-07

  从玉米秸秆生物燃料到可再生能源 - News - Science Net

  到2015年底,从伦敦城市机场起飞的所有英国航空公司航班都将受到垃圾(纸张,食物碎片,花园里的草屑和其他城市居民丢弃的有机垃圾)的刺激。

  但在垃圾变成燃料之前,它们将在伦敦的绿色天空中加工,这是伦敦东部的一个生物燃料工厂,目前正在建设中,该工厂每年将获得约50万吨城市垃圾,并将有机组分进入6万吨的喷气燃料。

  传统炼油厂难以注意到这一水平的产量。在传统的炼油厂,原材料在一个星期内产生相同数量的产品。纽约自然资源保护委员会可再生能源政策总监Nathanael Greene表示:“获得足够的生物质来经营炼油厂几乎是不可想象的。作为第二代生物燃料工厂,伦敦的绿色天空可以由玉米秸秆,锯末,其他形式的农业废弃物和城市垃圾制成,但数量不够。现在的希望是,工厂可以大大降低运输成本,并将工厂转移到生物质能丰富的地区,而不是目前的逆转。

  支持者认为,新的催化剂和紧凑的设计将使第二代生物燃料工厂不仅可以保护环境,而且在没有补贴的情况下也可以盈利,并且具有足够的石油燃料竞争力。现在的问题是,这样的愿景能否成为现实?但至少有些客户正在给工厂一个尝试的机会;芬兰,美国密西西比州,阿拉斯加等地涌现出了相关的业务单位。

  Greene说,二代工厂将比其前辈在生产适合现有车辆低碳燃料的二代工厂方面具有关键和重要的优势。

  有限的兼容性是限制第一代生物燃料工厂发展的主要问题。第一代植物利用了一千多年的技术生产啤酒,葡萄酒和烈酒。这些机器研磨食物,如玉米,甘蔗,水和酵母。这个过程产生大量的乙醇,乙醇是与汽油混合的理想燃料。

  然而,人口不断增加,耕地面积有限,使得粮食生产燃料的用途非常有限。因此,十多年来,生物燃料工业一直在努力寻找更经济的方式,如用玉米秸秆,锯末等废弃副产品作为原料。这对发酵方法提出了挑战,因为这些材料含有强的长链分子(例如纤维素,木质素),这些分子很难被酵母分解。在过去的5到10年间,酸和酶预处理方法的进步已经在一定程度上克服了这一挑战,目前正在爱荷华州和堪萨斯州等地建设商业化的纤维素乙醇工厂。

  混合墙拼图

  但是,这些工厂还不能完全克服发酵方法面临的最大挑战:混合壁是指可以与汽油混合而不引起燃料管和发动机腐蚀的最大量的乙醇。目前的模型混合墙比例约为10%至15%。第一代发酵设备已经产生了足够多的乙醇来满足这一需求。事实上,过去十年间成立的美国一些乙醇精炼厂已经空缺,是干旱高涨和市场饱和的受害者。

  在过去的九年里,油价一直保持在每桶100美元左右,使得大量的研究转向了热化学领域。热化学工厂将生物质直接转化为燃料。

  最常见的热化学方法是气化,加热富含碳的物质如煤,木屑,城市垃圾来生产合成气,特别是一氧化碳和氢气的混合物,特别是低级煤产生的可燃气体。在伦敦的Green Sky工厂,华盛顿的一家可再生能源公司Solena Fuel Corp.建造的一家气化炉工厂将完成这一步骤,用离子化等离子喷雾蒸发垃圾,加热到3500摄氏度。这些设备比其他气化方法消耗更多的能量。伦敦绿色天空工厂之所以这样做,是因为有各种各样的城市垃圾,通过调节装置的温度来调整合成气的成分。

  该过程的第二步是将合成气带到化学反应器(由Velocys,Plains,Ohio建造),其中一致性是重要的。在这个步骤中,合成气将进行费 - 托合成氢和一氧化碳融合的长链烃。通过控制含钴催化剂粉末的量并将其放置在一系列微通道旁,Velocys能够设计一个非常紧凑的系统并控制合成气的流量。

  费托装置也被设计成尽可能模块化,以便工厂可以更容易地处理材料。 Velocys公司的业务开发经理Neville Hargreaves说:“获得利润并不是在规模上进取,而是在于提高产量。”

  另一个系统

  另一个紧凑的系统,BioMax气化炉,由科罗拉多州恩格尔伍德的社区电气公司开发。该公司表示,这些模块化单元具有小型化的优点,每个标准容器有四个容器,适用于任何种类的碎生物材料,无论是食物垃圾,纸板还是薯片。由此产生的合成气可以取代天然气,起到加热,冷却,发电的作用。典型机组发电150千瓦,支持25-50户或3家超市的用电需求,甚至保持各大医院设备的正常运行。在不久的将来,BioMax工厂将能够应用于费托反应堆,也将生产生物柴油。

  2011年,社区电力公司被Afognak收购。 Afognak公司位于阿拉斯加的Afognak岛。他们想在阿拉斯加和加拿大北部出售这个单位,因为这些地区的电力和运输燃料非常昂贵。

  清洁和焚烧

  两步气化工艺最大的卖点就是将所有的合成气转化为无双键或环状结构的碳氢化合物,使产生的燃料能够清洁彻底地燃烧。但这一优势并不妨碍研究人员找到一步到位的替代方法。在热解期间,生物材料在没有氧气的情况下被加热到500摄氏度,然后直接转化成有机液体。通过标准技术,这些液体可以被提炼成燃料。科罗拉多州博尔德国家可再生能源实验室首席科学家Mark Nimlos说,与气化相比,热解是一项相对不成熟的技术。但这可以被看作是一个优势。这项技术有很大的改进空间。

  一些公司已经开始测试该技术的商业可行性。例如,位于新泽西州霍尼韦尔国际公司的总部位于伊利诺伊州的子公司UOP正在与渥太华的Ensyn技术公司合作推广Ensyn公司的快速热处理(RTP)装置,这些公司预计可安装RTP装置木材厂旁边,每个人每年可以把废木材转化成7600万升的热解油,如果直接用作民用燃料,能够足够温暖31000个房屋,也可以炼制成汽油,在美国燃料3.5万辆。

  北欧绿色燃料公司(位于芬兰库奥皮奥的一家生物炼油厂)正计划在Isarmi附近建造至少一个RTP装置。在这里,公司处理整个芬兰森林工业的垃圾。该公司还与欧盟委员会合作制定了一套裂解燃料的质量标准。焦油是一个比较难处理的成分,它是一个长链分子的粘渣,很难被精炼。另一个是氧气。许多生物材料富含氧气。它们容易与热解油反应形成有机酸,严重影响炼油厂。找到一个更好的方法来处理这两种污染物是研究的主要目标。目前,最简单的去除氧气的方法是从天然气中添加氢气分子,但这会对环境产生负面影响并增加成本。

  对于伦敦绿天,经济可行性仍然是一个悬而未决的问题。但其合作伙伴Velocys,Solena,英航则充满希望。他们没有透露该设施的成本,但他们都没有把成本视为核心问题。英国航空公司希望这种方法能够帮助它达到欧盟的强制性碳排放目标,同时确保航空燃油的稳定供应,而不受价格波动的影响.Solena和Velocys希望伦敦绿色天空成为全球第一家将该设施应用于机场。

  哈格里夫斯说,每一片荒野,森林和垃圾填埋场都是这些设施的潜在燃料来源。液体燃料的需求永远不会消失。他说:五十年后,我们可以实现陆路运输的完全电气化。但飞机所需的容量远远低于电池所能提供的容量。液体燃料很难替代。 (段辛涔)

  中国科学通报(2014-04-30第3版国际)

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  自然报告(英文)