英國公司讓玉米秸稈變再生能源生物燃料火起來

Velocys公司建造的費托合成反應堆

　　到2015年年底，所有英國航空公司從倫敦城市機場起飛的航班都將以垃圾(紙、食物殘渣、花園修剪下的草和其他城市居民丟棄的有機碎屑)為燃料。

　　但在這些垃圾成為燃料之前，它們將在“倫敦綠色天空”被加工處理。這是一家位于倫敦東部的生物燃料工廠，目前正在建造中。每年，該工廠將接收約50萬噸城市垃圾并將其中的有機成分轉化為6萬噸噴氣燃料。

　　這種級別的產出很難在傳統煉油廠被注意到。在傳統煉油廠，原材料能在一周內生成等量的產品。美國紐約市自然資源保護委員會可再生能源政策主管Nathanael Greene說：“收集足夠的生物量運轉一個煉油廠幾乎是難以想象的事情。”作為第二代生物燃料工廠，“倫敦綠色天空”采用的材料可以是玉米秸稈、木屑、其他形式的農業廢棄物及城市垃圾，但在數量上仍不夠。現在的希望在于，工廠可以大幅度削減運輸成本——將工廠遷至生物量富集的地方，而不是目前相反的做法。

　　支持者認為，新催化技術和緊密的設計將使第二代生物燃料工廠不僅能保護生態環境，還能在沒有補貼的情況下仍有利可圖，并足以和石油燃料競爭。現在的問題在于，這樣的設想能否變為現實。但至少一些客戶正在給工廠一次嘗試的機會;相關商業單元如雨后春筍般在芬蘭，美國密西西比州、阿拉斯加州等地涌現。

　　Greene表示，如果第二代工廠獲得成功，和其“前任”相比，它們將帶來一大至關重要的優勢：以低碳的方式生產適合現有車輛的燃料。

　　有限的兼容性是限制第一代生物燃料工廠發展的一大主要問題。第一代工廠利用發展了一千多年的技術生產啤酒、葡萄酒和烈性酒。這些機器磨碎諸如玉米、甘蔗等食物，加入水和酵母。這一過程能生產大量乙醇，而乙醇正是能與汽油混合的絕佳燃料。

　　但是，不斷增長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，十多年來，生物燃料行業一直致力于研究更經濟的方式，例如以玉米秸稈、木屑和其他被白白浪費掉的副產品作為原料。這對發酵方法提出了挑戰，因為這些材料包含牢固的長鏈分子(例如纖維素、木質素)，酵母很難分解它們。在過去的5至10年間，利用酸和酶的預處理方法的進步已經從一定程度上克服了該難題，計劃生產纖維素乙醇的商業化工廠目前正在愛荷華州和堪薩斯州等地建造。

　　“混合墻”難題

　　然而，這些工廠目前還不能完全克服發酵方法上的最大難題：“混合墻”——指在未引起燃油管和發動機腐蝕的情況下，可以和汽油混合的乙醇的最大數量。當前模型的“混合墻”比例約為10%~15%——第一代發酵設備已經生產出“綽綽有余”的乙醇滿足這一需求。事實上，美國一些過去10年間建立的乙醇精煉廠已經處于閑置狀態，它們是干旱導致的價格飛漲及市場飽和的受害者。

　　近9年來，油價一直居高不下——約保持在每桶100美元，使得大批研究轉向熱化學領域。熱化學工廠能將生物量直接轉化為燃料。

　　最常見的熱化學方法是氣化，即加熱富含碳的物質(諸如煤、木屑、城市垃圾)以生產合成氣(指一氧化碳和氫的混合物，尤指由低級煤生產的可燃性氣體)。在倫敦綠色天空工廠，Solena燃料公司(華盛頓市的一家可再生能源公司)建造的氣化爐裝置將完成這一步驟——用噴射的離子化的等離子體蒸發垃圾，并加熱至3500攝氏度。這些裝置比其他氣化方法能源消耗量要大。倫敦綠色天空工廠這樣做的原因在于，城市垃圾是多種多樣的，通過調節裝置的溫度，進而使合成氣的成分保持一致。

　　該過程的第二步是將合成氣送至一個化學反應堆(由俄亥俄州平原市Velocys公司建造)，一致性在其中非常重要。在這一步，合成氣將經歷費托合成反應——氫和一氧化碳熔合成長鏈碳氫化合物。通過控制含鈷催化劑粉末的數量并將其置于一系列微通道旁，Velocys得以設計出異常緊湊的系統并能控制合成氣的流動。

　　費托合成單元也被設計得盡可能模塊化，這樣工廠能更便利地處理材料。Velocys公司業務開發經理Neville Hargreaves說：“獲取利潤并不是在規模上投機取巧，而是需要改進你的生產方式。”

　　另一系統

　　另一個緊湊型系統——BioMax氣化爐由科羅拉多州恩格爾伍德市社區電力公司開發。該公司表示，該模塊化裝置具備體形小的優勢，每個標準集裝箱可置入4個，且適用于任何一種切碎的生物材料，不論是食物殘渣、硬紙板還是木片。由此生成的合成氣可代替天然氣，發揮加熱、冷卻、發電的功能。一個典型單元能產生150千瓦的電能，可支持25~50個家庭或3家超市的電力需求，甚至維持主要醫院設備的正常運轉。在不久的將來，BioMax裝置將能應用于費托合成反應堆，并也能生產生物柴油。

　　2011年，社區電力公司被Afognak公司收購。Afognak公司位于阿拉斯加州Afognak島。它們希望在阿拉斯加州和加拿大北部出售該裝置，因為在這些地區，電力和運輸燃料都非常昂貴。

　　清潔燃燒

　　兩步氣化方法最大的賣點在于，所有合成氣都轉化為沒有雙鍵或環狀結構的碳氫化合物，使得生產出的燃料能清潔徹底地燃燒。但這一優勢并未阻礙研究人員尋找單一步驟的可替代方法的腳步。在高溫分解過程中，生物材料在沒有氧氣的環境中被加熱到500攝氏度，之后被直接轉化為有機液體。通過標準技術，這些液體可以被精煉成燃料。科羅拉多州博爾德市美國國家可再生能源實驗室首席科學家Mark Nimlos表示，與氣化相比，高溫分解是一個相對不成熟的技術。但這可以視為一個優點。“該技術有很大的提升空間。”

　　一些公司已經開始檢驗該技術的商業可行性。例如，伊利諾伊州德斯普蘭斯市UOP公司——總部位于新澤西州的霍尼韋爾國際公司的子公司，正在和渥太華市Ensyn技術公司合作，推廣Ensyn公司的快速高溫處理(RTP)單元。這些公司預見到，RTP單元可以被安裝在木材廠旁邊，這樣每個人都可以將廢木材轉化為每年7600萬公升的熱解油。這些能量足以“溫暖”3.1萬個家庭——如果它們直接被作為民用燃料油使用;它們還可以被精煉成汽油，這樣能給美國3.5萬輛汽車提供燃料。

　　綠色燃料北歐公司(芬蘭庫奧皮奧市一家生物煉制公司)正計劃在伊薩爾米鎮旁建造至少一個RTP 單元。在這里，該公司處理來自全芬蘭林木產業的垃圾。該公司還正與歐洲委員會合作，研發一套針對高溫分解燃料的質量標準。焦油是較難處理的一個成分，它是長鏈分子的一種黏性殘渣，很難被提煉。另一個是氧氣，很多生物材料都富含氧氣，它易和熱解油發生反應形成能嚴重腐蝕煉油設備的有機酸。找到更好的方法處理這兩種污染物是研究的主要目標。目前，移除氧氣最容易的方法是添加來自天然氣的氫分子，但這將對環境造成負面影響且提高成本。

　　對倫敦綠色天空公司而言，經濟可行性仍是一個懸而未決的問題。但其合作伙伴—— Velocys、Solena、英國航空公司——卻充滿希望。它們沒有透露設施的成本，但3家都沒有將成本視為核心問題。英國航空公司希望該方法能幫助其實現歐盟強制實行的碳排放目標，與此同時確保噴氣燃料的穩定供應(不受價格波動的影響)。Solena和Velocys則希望倫敦綠色天空公司成為全世界第一個將該設施應用于機場的公司。

　　Hargreaves表示，每一片曠野、森林、垃圾填埋場都是這些設施的潛在燃料來源。對液體燃料的需求永遠不會消失。他說：“50年以后，我們可能實現陸路運輸完全電氣化。”但飛機所需的能力密度遠非電池所能提供。“液體燃料是很難被取代的。”