行業(yè)要聞
相關(guān)要聞
到2015年底，英國(guó)航空公司(British Airways)所有從倫敦城市機(jī)場(chǎng)(London City Airport)起飛的飛機(jī)，都將使用“垃圾”作為燃料，這主要包括倫敦居民產(chǎn)生的廢紙、食物殘?jiān)�、植物殘枝和其他有機(jī)廢料。
當(dāng)然，在變成燃料之前，這些垃圾首先要被運(yùn)到倫敦的“綠色天空”(GreenSky)生物質(zhì)燃料工廠進(jìn)行處理。這家工廠位于倫敦東部，目前還在建造中。建成后，它每年將接收50萬噸城市垃圾，并將其中有機(jī)成分轉(zhuǎn)化為6萬噸航空燃料，這些燃料可以產(chǎn)生40兆瓦的電力。
對(duì)于傳統(tǒng)煉油廠，這只相當(dāng)于他們一周的產(chǎn)量。但是“收集足夠的生物質(zhì)原料運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)汽油煉油廠那么大規(guī)模的生物質(zhì)燃料工廠，這幾乎是不可想象的。”自然資源保護(hù)委員會(huì)(Natural Resources Defense Council，一家總部位于紐約市的國(guó)際機(jī)構(gòu))的可再生能源政策主管納撒內(nèi)爾·格林(Nathanael Greene)說。
垃圾變能源
“綠色天空”代表了第二代生物質(zhì)燃料工廠的發(fā)展趨勢(shì)。這類工廠不僅能以各種有機(jī)物作為生產(chǎn)原料——玉米秸稈、木屑、其他形式的農(nóng)業(yè)廢物，以及城市垃圾，而且工廠的規(guī)模很小。人們希望這種小型工廠可以建造在生物質(zhì)原料富集的地方，從而大幅度削減原料的運(yùn)輸成本，這與傳統(tǒng)的煉油廠恰恰相反。
支持者認(rèn)為，由于采用了新的催化技術(shù)和緊湊的設(shè)計(jì)，第二代生物質(zhì)燃料工廠不但對(duì)環(huán)境無害，還能在不需要財(cái)政補(bǔ)貼的情況下有利可圖，這足以和石油燃料競(jìng)爭(zhēng)�，F(xiàn)在的問題在于，這樣的設(shè)想距離變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)還有多遠(yuǎn)？好在現(xiàn)在已經(jīng)有客戶愿意給生物質(zhì)燃料工廠一次嘗試的機(jī)會(huì)。相關(guān)商業(yè)機(jī)構(gòu)已經(jīng)如雨后春筍般在芬蘭、美國(guó)密西西比州和阿拉斯加州等地涌現(xiàn)。
如果第二代生物質(zhì)燃料工廠獲得成功，格林表示，與第一代工廠相比，它們將具有一個(gè)至關(guān)重要的優(yōu)勢(shì)：以低碳的方式為現(xiàn)有交通工具提供燃料。
第一代生物質(zhì)燃料工廠面臨的一個(gè)關(guān)鍵問題是對(duì)原料的兼容性有限。第一代工廠主要依靠已經(jīng)發(fā)展了一千多年的釀酒(啤酒、葡萄酒和烈性酒)技術(shù)。他們將玉米和甘蔗等食物磨碎，加入水和酵母，利用自然的發(fā)酵過程，產(chǎn)生大量乙醇，而乙醇不僅是絕佳的燃料，還可以與汽油混合使用。
但是，由于全球人口的不斷增長(zhǎng)，以及有限的耕地面積，使得利用食物制造燃料的方法有很大局限性。為此，十多年來，生物質(zhì)燃料行業(yè)一直致力于發(fā)展更為經(jīng)濟(jì)的方式，利用玉米秸稈、木屑和其他以往會(huì)被直接拋棄的副產(chǎn)品作為原料。但這也對(duì)發(fā)酵方法提出了挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些原料含有“牢固”的長(zhǎng)鏈分子(如纖維素和木質(zhì)素)，酵母很難分解它們。過去5～10年間，利用酸和酶對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理的方法取得了進(jìn)展，在一定程度上克服了這個(gè)難題，美國(guó)艾奧瓦州和堪薩斯州都已經(jīng)開始建造生產(chǎn)纖維素乙醇的工業(yè)設(shè)備。
熱化學(xué)反應(yīng)
然而，這還不能完全克服發(fā)酵方法上的最大難題：“混合閾值”(blend wall)——在不對(duì)燃油管線和車輛發(fā)動(dòng)機(jī)造成腐蝕的情況下，可以混合到汽油中的最大乙醇量。在現(xiàn)有模式下，混合閾值約為10%～15%。第一代生物質(zhì)燃料工廠生產(chǎn)出的乙醇早已滿足了這一需求，甚至綽綽有余。事實(shí)上，美國(guó)在過去10年間興建的乙醇精煉廠中，目前已有多家處于閑置狀態(tài)，出現(xiàn)這種情況的罪魁禍?zhǔn)资谴蟾珊祵?dǎo)致的糧食價(jià)格上漲和乙醇燃料市場(chǎng)飽和。
近9年以來，國(guó)際石油價(jià)格一直居高不下，目前保持在每桶100美元左右，使得大批研究轉(zhuǎn)向熱化學(xué)反應(yīng)方面。而熱化學(xué)工廠能將生物質(zhì)原料直接轉(zhuǎn)化為燃料——不像生產(chǎn)乙醇，需要使用高溫和催化劑。
最常見的熱化學(xué)方法是氣化，即加熱富含碳的物質(zhì)(諸如煤、木屑、城市垃圾)以生產(chǎn)合成氣(syngas，主要是一氧化碳和氫的混合物，還含有少量的二氧化碳和其他氣體，詳見“合成氣生產(chǎn)流程”)。在“綠色天空”工廠，將采用Solena燃料公司(美國(guó)華盛頓特區(qū)的一家可再生能源公司)建造的專用氣化爐進(jìn)行氣化工作：向垃圾原料噴射等離子體，加熱至3500℃。和其他氣化方式(將生物質(zhì)原料安置在砂底盤或其他材料上，從底部對(duì)其加熱)相比，這種點(diǎn)火裝置會(huì)消耗更多的能源。“綠色天空”工廠之所以采用這種比較耗能的方式，是因?yàn)槌鞘欣臉?gòu)成十分復(fù)雜，而通過對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以確保獲得的合成氣的成分保持一致。
合成氣成分的一致性，對(duì)于第二步工作至關(guān)重要。接下來，合成氣將被輸送至一個(gè)由俄亥俄州平原市Velocys公司建造化學(xué)反應(yīng)器中。在這一步，合成氣將經(jīng)歷費(fèi)-托合成反應(yīng)(Fischer–Tropsch reaction)——氫和一氧化碳合成長(zhǎng)鏈烴類。Velocys公司建造的化學(xué)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)非常緊湊，該公司將含鈷催化劑顆粒的大小控制在納米級(jí)，并將其置于一列微通道旁，可以控制合成氣的流動(dòng)并形成有效的反應(yīng)面。
在費(fèi)-托合成設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中，也盡可能地考慮了模塊化的需求，以便于設(shè)備在工廠和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝。“要實(shí)現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)性，設(shè)備的尺寸并不是最重要的，而是你如何建造設(shè)備。”Velocys公司業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理內(nèi)維爾· 哈格里夫斯(Neville Hargreaves)說。
BioMax氣化爐也是一種緊湊型系統(tǒng)，由科羅拉多州恩格爾伍德市的社區(qū)電力公司(Community Power Corporation)開發(fā)。該公司稱，他們的產(chǎn)品采用了模塊化的設(shè)計(jì)，而且體積非常小——每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱可裝入4部BioMax氣化爐，且可以使用幾乎所有生物質(zhì)碎片作為原料，無論是食物殘?jiān)�、硬紙板還是木片。產(chǎn)生的合成氣可以代替天然氣，用于加熱、制冷或發(fā)電。一個(gè)典型單元能產(chǎn)生150千瓦的能量，滿足25～50個(gè)家庭或3家超市的用電需求，甚至可以維持醫(yī)院關(guān)鍵設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在不久的將來，BioMax的設(shè)備將可以接入費(fèi)-托合成反應(yīng)器，并生產(chǎn)生物柴油。
2011年，社區(qū)電力公司被阿福格納克原住民公司(Afognak Native Corporation)收購，這家公司的擁有者是阿拉斯加州阿福格納克島上的原住民。他們希望在阿拉斯加州和加拿大北部銷售BioMax氣化爐，因?yàn)樵谶@些地區(qū)，電力和運(yùn)輸燃料的費(fèi)用都非常昂貴。
商業(yè)化之路
兩步氣化法最大的賣點(diǎn)在于，所有合成氣都被轉(zhuǎn)化為沒有雙鍵或環(huán)狀結(jié)構(gòu)的烴類化合物，生產(chǎn)出的燃料能清潔徹底地燃燒。雖然有這樣的明顯優(yōu)勢(shì)，但研究人員探索單一步驟生產(chǎn)清潔燃料的腳步并未放緩。在高溫分解過程中，生物質(zhì)材料在無氧環(huán)境中被加熱到500℃，之后被直接轉(zhuǎn)化為有機(jī)液體。使用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，這些液體被精煉成燃料。與氣化法相比，高溫分解技術(shù)還不是很成熟，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(National Renewable Energy Laboratory)的首席科學(xué)家馬克·尼姆洛斯(Mark Nimlos)說，但這也可被視為一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，他補(bǔ)充道：“這項(xiàng)技術(shù)具有很大的發(fā)展空間。”
一些公司已經(jīng)開始測(cè)試該技術(shù)在商業(yè)上的可行性。例如，伊利諾伊州德斯普蘭斯市的UOP公司(霍尼韋爾國(guó)際公司的子公司)，正與加拿大渥太華市的Ensyn技術(shù)公司合作，推廣Ensyn公司的快速熱處理(RTP)設(shè)備。兩家公司認(rèn)為，如果安裝在木材廠旁邊，每臺(tái)RTP設(shè)備每年可利用廢棄木材轉(zhuǎn)化生成7600萬升熱解油，足以為31000個(gè)家庭供暖。如果進(jìn)一步精煉成汽油，則能為美國(guó)35000輛汽車提供燃料。
綠色燃料北歐公司(Green Fuel Nordic)是總部位于芬蘭庫奧皮奧市的一家生物質(zhì)精煉公司，其正計(jì)劃在伊薩爾米鎮(zhèn)旁安裝至少一臺(tái)RTP設(shè)備。該公司將在這里處理來自全芬蘭的大量林業(yè)垃圾。目前，該公司正在與歐盟委員會(huì)(European Commission)合作，開發(fā)一套針對(duì)高溫分解燃料的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。焦油是較難處理的成分，它是長(zhǎng)鏈分子的一種黏性殘?jiān)茈y被提煉。
另一個(gè)問題是氧氣，很多生物材料都富含氧氣，它易和熱解油發(fā)生反應(yīng)，形成能嚴(yán)重腐蝕煉油設(shè)備的有機(jī)酸。高溫分解油料研究的主要目標(biāo)就是要找到更好的方法處理這兩種污染物。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(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響，且增加成本。
實(shí)際上，對(duì)于第二代生物質(zhì)燃料來說，經(jīng)濟(jì)可行性一直都是一個(gè)有待討論的問題。美國(guó)密西西比州哥倫布市擁有世界上最先進(jìn)的高溫分解生物質(zhì)精煉廠，這座價(jià)值2.25億美元設(shè)施的擁有者是得克薩斯州的KiOR可再生能源公司。2013年，這座精煉廠利用木質(zhì)垃圾生產(chǎn)了350萬升汽油和柴油，雖然這個(gè)數(shù)字只相當(dāng)于傳統(tǒng)石油精煉廠一天的產(chǎn)量，但也足以驗(yàn)證高溫分解生物質(zhì)在技術(shù)上的可行性。因?yàn)樵O(shè)備改造，KiOR公司在1月關(guān)閉了哥倫布市的精煉廠，而剩余的經(jīng)費(fèi)足可以將該廠的運(yùn)營(yíng)維持到8月底，之所以可以維持這么長(zhǎng)的時(shí)間，是因?yàn)樵搹S在5月的早些時(shí)候獲得了一筆2500萬美元的擔(dān)保貸款，投資者是維諾德·科斯拉(Vinod Khosla)，而最初資助哥倫布市精煉廠項(xiàng)目的，也正是他名下的科斯拉投資公司。
對(duì)“綠色天空”工廠而言，經(jīng)濟(jì)可行性仍是一個(gè)懸而未決的問題。但其合作伙伴——Velocys公司、Solena燃料公司和英國(guó)航空公司卻充滿期望。雖然沒有透露建造工廠的成本，但3家公司都不認(rèn)為成本是核心問題。英國(guó)航空公司希望這將有助于幫助它達(dá)到歐盟強(qiáng)制執(zhí)行的碳排放目標(biāo)，與此同時(shí)確保航空燃料的穩(wěn)定供應(yīng)(不受價(jià)格波動(dòng)的影響)。Solena燃料公司和Velocys公司則希望“綠色天空”可以成為全球第一家為機(jī)場(chǎng)提供燃油服務(wù)的工廠。
哈格里夫斯表示，每一片曠野、森林、垃圾填埋場(chǎng)都是這些設(shè)施的潛在燃料來源，對(duì)液體燃料的需求永遠(yuǎn)不會(huì)消失。他說：“50年以后，我們可能實(shí)現(xiàn)陸路運(yùn)輸完全電氣化。”但飛機(jī)所需的能量密度是遠(yuǎn)非電池所能提供的，“液體燃料很難被取代”。
