從玉米秸稈、木屑到城市垃圾，幾乎所有的有機廢料都可以用來生產(chǎn)液體燃料

    到2015年底，英國航空公司(British Airways)所有從倫敦城市機場(London City Airport)起飛的飛機，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、食物殘渣、植物殘枝和其他有機廢料。

    當然，在變成燃料之前，這些垃圾首先要被運到倫敦的“綠色天空”(GreenSky)生物質(zhì)燃料工廠進行處理。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。

    對于傳統(tǒng)煉油廠，這只相當于他們一周的產(chǎn)量。但是“收集足夠的生物質(zhì)原料運轉(zhuǎn)一個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。”自然資源保護委員會(Natural Resources Defense Council，一家總部位于紐約市的國際機構(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。這類工廠不僅能以各種有機物作為生產(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輸成本，這與傳統(tǒng)的煉油廠恰恰相反。

　　支持者認為，由于采用了新的催化技術和緊湊的設計，第二代生物質(zhì)燃料工廠不但對環(huán)境無害，還能在不需要財政補貼的情況下有利可圖，這足以和石油燃料競爭�，F(xiàn)在的問題在于，這樣的設想距離變?yōu)楝F(xiàn)實還有多遠？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會。相關商業(yè)機構(gòu)已經(jīng)如雨后春筍般在芬蘭、美國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，它們將具有一個至關重要的優(yōu)勢：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關鍵問題是對原料的兼容性有限。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。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，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)濟的方式，利用玉米秸稈、木屑和其他以往會被直接拋棄的副產(chǎn)品作為原料。但這也對發(fā)酵方法提出了挑戰(zhàn)，因為這些原料含有“牢固”的長鏈分子(如纖維素和木質(zhì)素)，酵母很難分解它們。過去5～10年間，利用酸和酶對原料進行預處理的方法取得了進展，在一定程度上克服了這個難題，美國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)設備。

　　熱化學反應

　　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)——在不對燃油管線和車輛發(fā)動機造成腐蝕的情況下，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。事實上，美國在過去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)這種情況的罪魁禍首是大干旱導致的糧食價格上漲和乙醇燃料市場飽和。

　　近9年以來，國際石油價格一直居高不下，目前保持在每桶100美元左右，使得大批研究轉(zhuǎn)向熱化學反應方面。而熱化學工廠能將生物質(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，從底部對其加熱)相比，這種點火裝置會消耗更多的能源。“綠色天空”工廠之所以采用這種比較耗能的方式，是因為城市垃圾的構(gòu)成十分復雜，而通過對溫度進行調(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，對于第二步工作至關重要。接下來，合成氣將被輸送至一個由俄亥俄州平原市Velocys公司建造化學反應器中。在這一步，合成氣將經(jīng)歷費-托合成反應(Fischer–Tropsch reaction)——氫和一氧化碳合成長鏈烴類。Velocys公司建造的化學反應器結(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，并將其置于一列微通道旁，可以控制合成氣的流動并形成有效的反應面。

　　在費-托合成設備的設計過程中，也盡可能地考慮了模塊化的需求，以便于設備在工廠和現(xiàn)場進行組裝。“要實現(xiàn)最佳的經(jīng)濟性，設備的尺寸并不是最重要的，而是你如何建造設備。”Velocys公司業(yè)務開發(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計，而且體積非常小——每個標準集裝箱可裝入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，無論是食物殘渣、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。一個典型單元能產(chǎn)生150千瓦的能量，滿足25～50個家庭或3家超市的用電需求，甚至可以維持醫(yī)院關鍵設備的正常運轉(zhuǎn)。在不久的將來，BioMax的設備將可以接入費-托合成反應器，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，因為在這些地區(qū)，電力和運輸燃料的費用都非常昂貴。

　　商業(yè)化之路

　　兩步氣化法最大的賣點在于，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，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)化為有機液體。使用標準化技術，這些液體被精煉成燃料。與氣化法相比，高溫分解技術還不是很成熟，美國國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory)的首席科學家馬克·尼姆洛斯(Mark Nimlos)說，但這也可被視為一個優(yōu)點，他補充道：“這項技術具有很大的發(fā)展空間。”

　　一些公司已經(jīng)開始測試該技術在商業(yè)上的可行性。例如，伊利諾伊州德斯普蘭斯市的UOP公司(霍尼韋爾國際公司的子公司)，正與加拿大渥太華市的Ensyn技術公司合作，推廣Ensyn公司的快速熱處理(RTP)設備。兩家公司認為，如果安裝在木材廠旁邊，每臺RTP設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個家庭供暖。如果進一步精煉成汽油，則能為美國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，其正計劃在伊薩爾米鎮(zhèn)旁安裝至少一臺RTP設備。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(European Commission)合作，開發(fā)一套針對高溫分解燃料的質(zhì)量標準。焦油是較難處理的成分，它是長鏈分子的一種黏性殘渣，很難被提煉。

　　另一個問題是氧氣，很多生物材料都富含氧氣，它易和熱解油發(fā)生反應，形成能嚴重腐蝕煉油設備的有機酸。高溫分解油料研究的主要目標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，但這將對環(huán)境造成負面影響，且增加成本。

　　實際上，對于第二代生物質(zhì)燃料來說，經(jīng)濟可行性一直都是一個有待討論的問題。美國密西西比州哥倫布市擁有世界上最先進的高溫分解生物質(zhì)精煉廠，這座價值2.25億美元設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，雖然這個數(shù)字只相當于傳統(tǒng)石油精煉廠一天的產(chǎn)量，但也足以驗證高溫分解生物質(zhì)在技術上的可行性。因為設備改造，KiOR公司在1月關閉了哥倫布市的精煉廠，而剩余的經(jīng)費足可以將該廠的運營維持到8月底，之所以可以維持這么長的時間，是因為該廠在5月的早些時候獲得了一筆2500萬美元的擔保貸款，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目的，也正是他名下的科斯拉投資公司。

　　對“綠色天空”工廠而言，經(jīng)濟可行性仍是一個懸而未決的問題。但其合作伙伴——Velocys公司、Solena燃料公司和英國航空公司卻充滿期望。雖然沒有透露建造工廠的成本，但3家公司都不認為成本是核心問題。英國航空公司希望這將有助于幫助它達到歐盟強制執(zhí)行的碳排放目標，與此同時確保航空燃料的穩(wěn)定供應(不受價格波動的影響)。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場提供燃油服務的工廠。

　　哈格里夫斯表示，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(xiàn)陸路運輸完全電氣化。”但飛機所需的能量密度是遠非電池所能提供的，“液體燃料很難被取代”。