将草炼成油 新能源时代来临

当石油越来越少、越来越贵,把绿油油的草炼成生物燃料,驱动汽车和其他机械,已是科学家和我们共同的梦想。在解决了“与粮争地”等问题后,新一代生物燃料能否突破价格瓶颈,大规模替代石油等石化燃料?

乔治・W・休伯(George W. Hube)(美国马萨诸塞大学化学工程学教授)

布鲁斯・E・戴尔(Bruce E. Dale)(美国密歇根州大学教授)

我们应该清醒地认识到,对石油过分依赖,会让国家安全、经济安全及环境安全遭受威胁。我们必须找到新的能源来保障世界运输系统的顺利运转。

生物燃料可以用植物或植物制品为原材料。目前,第一代生物燃料以可食用作物为原料,主要包括玉米、大豆、甘蔗。用可食用作物制造生物燃料是最简单可行的,因为把这些可食用作物转化为燃料的技术是现成的。然而,第一代生物燃料并非长久之计,原因很简单:没有足够的耕地能够满足发达国家10%的液态燃油原料需求。这种对粮食作物的额外需求还使2008年家畜饲料价格大幅上升及部分粮食价格的上涨。一旦将玉米生长、收获及加工期间的所有排放纳入经济成本预算,第一代生物燃料显然并不是我们所期望的、对环境安全具有积极影响的能源形式。

第二代生物燃料主要以纤维素质材料为原料,如富含纤维素、生长迅速的草本植物,因此将英文汽油(gasoline)单词中前缀“gas”去掉,引入“grass”(草),就组成了形象生动的专有名词“草油”(grassoline)。可转化为草油的原料有很多,从木材废料(锯木屑 、木质建筑残片)到农业废弃物(玉米秸秆、小麦茎秆),再到“能源作物”(生长迅速、纤维含量高、专门种植用作草油原料的草本和木本植物)。这些原料作物耕作成本低、量大,更关键的是,这些作物的种植生产不会干扰和危及粮食生产。大多数能源作物能够在不能用作农田的边际土地上快速生长。还有一些能够在被废水或者重金属污染的土壤中生长并净化土壤,如生长周期较短的灌木柳树。

美国农业部和能源部的研究显示,在不减少作为人类食物、动物饲料及出口生物质份额的前提下,美国每年能够生产13亿吨(干重)生物质。如此大量的生物质每年至少能够产生1,000亿加仑(约3,790亿升)草油,大约相当于每年美国汽油、柴油消耗总量的一半。放眼全球,每年纤维素类生物质生产量能够转化的生物燃料相当于340亿～1600亿桶原油,已经超过了目前全球每年30亿桶原油的消耗量。纤维素类生物质能够转化成任何类型的燃料,如乙醇、普通汽油、柴油,甚至航空燃油。

现在,科学家仍然更擅长发酵玉米籽粒(有效成分为淀粉),而不是打断纤维素分子链,使它们转变成可发酵单糖,但最近这方面取得了突破性进展。量子化学计算模型之类的强大工具的引入,使化学工程师能够在原子水平控制反应进程。目前科学家将研究重心集中在,如何快速将这种微观尺度的控制级别提升到炼制厂这样的工业水平。尽管此领域依然处于起步阶段,但一些示范工厂已经开始运行,第一个商业化生物燃料炼制厂预计在2011年建成。人类历史上的能源新纪元──草油时代也许很快就要到来。

能量封印

纤维素为植物提供了抵抗重力和生物降解的支撑性架构。为了释放纤维素里的能量,科学家必须先破坏进化赋予植物的这种异常稳定的结构。

一般来说,这种“解封”过程先要将固体生物质解构成聚合度更低的小分子物质,随后将它们转化成燃料。工程师一般采用控温方式进行这种操作。低温(50℃～200℃)情况下,生物质裂解产生的单糖可以被发酵成乙醇或其他形式的燃料,玉米及糖类作物(如甘蔗)采用的就是这种转化方式。生物质在高温(400℃～600℃)下会直接转化为生物质原油(Biocrude),再经过提炼就可以成为汽油或者柴油。极端高温(高于700℃)下,生物质会直接变成气体并进一步转化为液态燃料。

到目前为止,还没人知道到底哪种方法能够以最低的成本获得最高的能量。或许不同生物质材料需要不同的处理方法。比如说木材废弃物需要高温处理,而低温方式对草本植物更为适合。

热化学平台――热解合成油

生物质经高温裂解生成合成气(syngas),是目前技术上最有发展前途的研究热点。合成气是一氧化碳和氢气组成的混合气体,可以由任何含碳的物质制得。通过德国科学家于20世纪20年明的费托合成(Fischer-Tropsch synthesis, FTS),合成气通常可以转化成柴油、汽油或者乙醇。第二次世界大战期间,德意志第三帝国就利用FTS将德国的煤矿石转化为液体燃油。目前多数传统化石能源公司都拥有合成气转化技术,准备在汽油价格过高时将这种热油转化技术引入市场。

气化是生产合成气过程的第一步反应。生物质被装入反应器中加热到700℃以上,通入蒸汽或者氧气,产生一氧化碳、氢气和焦油的混合物。清除焦油后,将混合气体压缩到20～70个大气压,使它们通过一种专门设计的固体催化剂反应器生成液体燃料 (这种固体催化剂可以捕获单独的反应物分子,优先催化特定的化学反应)。合成气转化催化剂最初是为把天然气及煤矿石转化成燃油而开发的,但它也同样适用于处理生物质。

尽管该技术已经比较成熟,反应器的成本却非常昂贵。2006年在卡塔尔建立的、用FTS将天然气转化为液态燃油的工厂耗资16亿美元,平均每天生产34,000桶液态油。如果一个生物质炼制工厂的投资达到这种规模,该炼制厂必须每天转化5,000吨生物质,持续15到30年,才能生产足够的燃料以收回投资。将这么多生物质集中到一个地点完成生产存在严峻的后勤和经济性挑战,所以合成气技术的研究主要集中在如何降低投资成本方面。

生物原油

埋藏于地下的寒武纪浮游生物及藻类经过上亿年的高压、高热作用,形成了石油。将纤维素类生物质转化为生物质原油的原理与此类似,只不过时间长度大大缩小。在这种情况下,炼制厂在无氧条件下将生物质加热到300℃～600℃间的任意温度,高热量将生物质热解为类似于木炭的固体及生物燃油,并释放气体。这种生物燃料是目前市场上价格最低廉的液态生物原油,与1加仑汽油的能量相当的生物原油价格为0.5美元(按未经处理的生物质计算)。

该技术也可应用到生物质收割地点附近的小型炼制厂,可以大幅降低生物质的运输费用。遗憾的是,这种燃油酸性较高,与石油基燃油无法互溶,其中所含能量也不到汽油的一半。虽然你可以在柴油引擎中直接燃烧生物燃油,但很快会使引擎报废。

但是原油炼制厂能够将这种生物原油转化为便于使用的燃油,很多公司已经开始研究如何利用现有炼制厂设备完成这项工作。一些公司已经能生产出绿色柴油,说明原油炼制厂也能把纤维素生物原油转化为柴油。现在,这些公司正将植物油和动物油脂与石油直接混合进行炼制。Conoco-Phillips 公司证明这一途径是可行的,该公司在美国得克萨斯州的精炼厂从附近的Tyson屠宰场运来牛脂肪,每天可以生产超过45,000升生物柴油。

研究人员还在尝试用化学工程中的“一锅法”来实现两步法工艺,也就是说,在同一个反应器内将固体生物质炼制成“原油”,再炼制出成品油。本文作者之一休伯和他的同事开发出了一种快速催化裂解技术。之所以“快速”,是因为生物质进入反应器后,不到一秒钟就可加热到500℃,将大分子裂解成小分子。这些小分子的体积和形状都与催化剂表面非常契合,极易结合,就像鸡蛋被装在专门设计的纸箱里一样。

一旦结合到催化剂表面的孔隙中,这些小分子就经过一系列反应转化为汽油。汽油中的芳香族成分越高,辛烷值越高。整个过程仅需要2～10秒钟。首个获得该项专利授权的Anellotech公司正着手让该工艺走出实验室规模,实现商业化生产,希望能在2014年前建成商业化工厂并投入使用。

生物化学平台-糖的微生物转化

将植物多糖转化为可发酵糖,再发酵生产乙醇或是其他生物燃料,这一方法备受公众和私人投资者的关注,迄今以来,大部分投资者主要依靠传统化石燃料。在理论上,将细胞内难以分解的纤维素和半纤维素裂解为单糖的方法很多。例如热解、伽马射线照射,研磨成浆、高温蒸煮、浓酸、强碱或有机溶剂处理,还可以通过遗传工程培养的微生物菌株来降解纤维素。

遗憾的是,这些实验技术大都无法成功进行商业化生产。

在极端PH和温度条件下处理生物质最可能应用于商业化生产。氨处理法在本文作者之一戴尔的实验室研制成功。氨气爆破法(ammonia fiber expansion,AFEX)的工艺流程如下:100℃高压条件下,用浓缩氨蒸煮纤维素类原料。当压力释放后,氨蒸发,回收再利用。处理后的原料加酶水解,可以将近90%纤维素或半纤维素转化为糖。在高温或酸性环境中,糖很容易降解,而该技术将这种可能性降到最低,这是糖产量高的部分原因。AFEX是干处理法:整个过程中没有加水稀释,处理前后生物原料都保持较干的固体状态,从而保证了产出的乙醇浓度高、纯度好。

AFEX处理所得产品的成本还有下降潜力,可能会非常低廉。最近一项经济分析显示,如果生物质原料运送到工厂的费用是每吨50美元,AFEX预处理并同时采用被称为联合生物加工(consolidated bioprocessing,CBP)的高级酶处理法,纤维素乙醇的生产成本可以达到每加仑汽油当量1美元,并以每加仑汽油当量2美元的价格售出。

成本变化

成本决定了绿色燃料的发展速度,相比以石油、油砂和液态煤等石油替代物为原料提取的能源,“草油”也有一定的优势。首先,由于生物原料价格远低于化石能源,只要工厂建成并投入使用,运营成本就可以维持在极低水平。生物燃料将在本地生产,这有利于维护国家的能源安全,对环境的污染也比化石能源更小。

新的分析手段和计算机模拟技术,让研究者能够以十年前石油工程师根本无法想象的速度,建立更行之有效的生物炼制工艺。

如果美国政府能够继续坚持目前的生物能源政策,生物燃料工业目前所面临的贮运和转化问题都将迎刃而解。在未来的5～15年,生物质转换技术将逐步从实验室走向市场,使用纤维素生物燃料为动力的汽车数量也将迅速增长。虽然是“迟到”的转变,但即将到来的“草油”时代必将从根本上改变我们的世界。