保护环境 英国让玉米秸秆变成再生能源
2014-05-04 11:07:00   来源:中国科技网
内容摘要
“伦敦绿色天空”是一家位于伦敦东部的生物燃料工厂,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、木屑以及其他形式的农业废弃物及城市垃圾。

保护环境 英国让玉米秸秆变成再生能源 科技世界网


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。

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。”


新闻扩展:

转基因工程改造细菌合成高能生物燃料

在需要最小化燃料重量时,高能燃料非常重要。有一种从树木中提炼的化合物蒎烯,经二聚化后生成蒎烯二聚体,已证明其能量密度和航空燃料JP-10相当。佐治亚理工学院与联合生物能源研究院科学家通过转基因工程改造细菌,让它们能合成蒎烯,有望替代JP-10用在导弹发射及其他航空领域。从石油中提炼JP-10供给有限,将来生物燃料有望补其不足,甚至促进新一代发动机的开发。相关研究发表在最近的美国化学协会(ACS)《合成生物学》杂志上。

据报道,在前期生物工程的研究阶段,论文第一作者、佐治亚理工学院研究生斯蒂芬·沙瑞亚在该校副教授帕玛拉·佩拉塔-雅海亚的指导下,已将蒎烯产量提高了6倍。他们在研究替代酶,将其插入大肠杆菌以产生蒎烯,已选定的酶分为两类:3种PS(蒎烯合成酶)和3种GPP(香叶基二磷酸合成酶),通过实验来寻找最佳组合以获得最高产量。目前,他们已将产量提高到32毫克/升。但要和来自石油的JP-10竞争,产量还要提高26倍,佩拉塔-雅海亚说,但这也在生物工程大肠杆菌的可能范围内。

佩拉塔-雅海亚认为,目前的障碍在于系统内部的一个抑制过程。“我们发现,是酶被基质抑制了,这种抑制取决于浓度。”她说,“目前我们需要的是在高浓度基质中不会被抑制的酶,或在整个反应中能维持基质低浓度的方法。这两方面都比较困难,但并非无法克服的。”

每桶石油中能提取的JP-10是有限的,加上树木提取物也帮助不大,供给不足让JP-10价格在25美分/加仑左右,因此生产高能生物燃料替代品比生产汽油或柴油替代品更有优势。“如果你研究汽油替代品,就要与3美分/加仑竞争,这需要一个长期优化的过程。”佩拉塔-雅海亚说,“而我们是在和每加仑25美分竞争,需要的时间更短。”

“虽然我们还处在几毫克/升的水平,但由于我们研究的替代品比柴油或汽油替代品价值更高,也就意味着我们离目标更近。”她说。从理论上讲,要让生产蒎烯的成本低于石油提炼是可能的。如果最终的生物燃料表现良好,将为轻质高能发动机燃料打开新的大门,增加高能燃料的供给。

“我们制造的是一种可持续的、高能量密度的战略性燃料,但还处于前期形式,”佩拉塔-雅海亚说,“我们正在集中制造一种‘试行’燃料,看起来就和来自石油的燃料一样,以适应目前的销售系统。”


德国:在循环农业中占有一席之地

行走在德国,常常会看见乡间大捆大捆的秸秆被堆得整整齐齐。德国人用现代化收割机器将秸秆收拾得如此整齐以后,又是如何利用的呢?

在德国勃兰登堡州紧邻波兰的福斯特农业合作社,我们看到,成捆的秸秆被堆放在饲料储放大厅内,经过粉碎处理的秸秆被堆放在户外,牛圈中也能看到秸秆的身影。

该合作社前任主席埃贡·拉泰对我们的到来十分欢迎,带着我们在整个农场转了个遍。饲料仓库、牛圈、挤奶车间、生物发电站……在农场工作了50年的拉泰说,他们一直遵循的原则是,秸秆是自然价值链的一部分,在农业循环中有一席之地。福斯特农场每年从冬季黑麦、冬小麦、大麦等植物上收获的秸秆有1500吨。“收获秸秆和存放秸秆都是有成本的,也需要相应的现代技术,需要根据不同的天气进行处理和运输,在我们这里还需要粉碎。所有生长的东西都要好好地利用。”

在福斯特农场的1500吨秸秆中,有1/4用于饲料,另外3/4用于铺设牛圈。在工作人员的带领下,我们坐上了饲料配制车。坐在驾驶舱内,能感觉后舱中的机器在隆隆运转,“这是机器在配制饲料,秸秆就是这其中的一个成分。”

拉泰告诉我们,给牛吃的饲料中各种成分的比例由专业的营养师精心搭配,其中秸秆是牛类健康饮食中重要的一部分。饲料中的秸秆必须经过碎化处理,然后由自动化的营养车按照调配比例收取、混合饲料。我们看到,福斯特农业合作社有两台饲料配制车,均可以通过有关的软件和技术严格按照标准自动化进行饲料调配。

在刚刚出生的牛犊饲养区,我们看到每头小牛身下都铺着秸秆,拉泰介绍说,这些小牛出生以后在这里接受特殊照顾约6—8天,铺设秸秆是为了让它们感觉柔软舒适,此外排泄物也可以被吸收,保持干燥卫生的环境。

据介绍,该农业合作社共有560头奶牛,每年平均产奶9950升,产量相当高。怀孕的母牛会在户外活动和产子,它们脚下铺的也是秸秆。拉泰说,这也是出于舒适程度的考虑,怀孕的母牛体重增加,足底要承受更大的压力。此外,病牛也被安排到铺有秸秆的牛圈中。

秸秆在铺设牛圈后,最终与牛的粪便混在一起,成为农场的肥料,肥沃土壤。秸秆将有机物质、肥料和水分与土壤连接在一起,提供给植物吸收。“最终我们让秸秆回到土壤,完成整个循环。这种有机肥料对涵养土地肥力非常重要。”

拉泰告诉我们,德国正在逐步向可再生能源转型,对排放量的规定非常严格,因此德国农场大多不会焚烧秸秆。