将草炼成油

时间:2009-08-12 09:51 来源:《环球科学》2009年第8期

科学家正致力于研究，怎样将农业废弃物、木材及生长更为迅速的草本植物，转化为种类繁多的生物燃料（甚至是航空燃油）。然而在这些新一代生物燃料完全替代传统化石能源之前，它们必须具备与60美元/桶的原油竞价的能力。

　　

    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（见第23页图表）］。这些原料作物耕作成本低（与每桶石油有等价能效的草油为10到40美元）、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（short-rotation willow coppice）。

    纤维素类植物生物质（biomass，指某一系统中全部或特定的生物总量）丰富，能够可持续地收获，来制造生物燃料。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（见第23页图表）。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340亿～1,600亿桶原油，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（quantum-chemical computational model）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，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

    自然界把纤维素赋予植物作为主要骨架结构，这种由葡萄糖分子紧密咬合并层层叠加的“脚手架”，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年代发明的费托合成（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（Third Reich）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