生物能源：二代生物燃料有可能替代石油

时间：2009-07-12  阅读：    我要评论:

生物能源：二代生物燃料有可能替代石油

　　编者按

  　如今，科学家们正尝试利用被现代农业的“弃儿”，如废木材、草等来生产多种多样的生物燃料，甚至是飞机燃料，人们把用此种原料制成的燃料称为Grassoline，意即用含纤维质高的非食用生物给料生产的燃料。但在这些“新一代”生物燃料成为市场主流之前，它们还必须与石油竞争，将成本控制在60美元/桶左右。但就目前来看，用非食用植物制造的第二代生物燃料是最环保、最有经济前途的石油替代品,前景十分光明。

　　据报道，美国有能力种植大量的二代生物燃料给料，制成的燃料能够满足目前美国一半的燃油需求，并且不会影响粮食供应。目前各国都在全力发展新技术炼油以减少对石油的依赖。用纤维质植物制成的生物燃料成为在技术上已有突破,有可能短期内成为石油的最佳替代品。

　　第一代VS第二代生物燃料
　　所有的植物都可以制成生物燃料。“第一代生物燃料”采用粮食作物为原料,制造技术已经相对成熟，生产也已经形成了一定商业规模。但它却并不能解燃油危机，其中的理由不言自明。
　　“第二代”生物燃料由含纤维质的材料制成，人们口头上称其为“Grassoline”。第二代生物燃油解决了粮食制油所遇到的问题。Grassoline原材料来源十分广泛。截止目前，不说科学家已经找到了成百上千种，也至少已经找到了几十种合适的材料，如锯木、建筑残余、玉米秆、麦秆、牧草等。这些生物材料成本低廉、产量大并且对食品生产毫无威胁。美国农业部和能源部的一份研究表明，  在不影响粮食供应、粮食出口以及动物饲料生产的情况下，美国每年能生产至少13亿吨干纤维质生物给料。如此大量的生物材料每年能制成1000亿桶“草制燃油”——大约是美国目前汽油、柴油年消耗总量的一半。
　　最近科学家们在第二代生物燃料生产技术上取得了许多重要进展。如最近发明的定量化学计算方法让化学家能够将生物给料的化学反应控制在原子级。尽管该领域才刚刚起步，但是许多实验工厂都已经开始运行，而且首个商业规模的精炼厂计划将于2011年问世。科学家预计，“Grassoline”的时代即将到来。

　　能源枷锁
　　第二代生物能源技术发展为何举步维艰？科学家开玩笑地将大自然说成是“罪魁祸首”。因为随着生物的进化，大自然巧妙地设计出令科学家十分头疼的细胞膜来保护植物的内部结构。细胞膜由相互联系的韧性极佳的分子构成。因此，要想释放细胞内所含能量，科学家们首先得解开这道能源枷锁——由自然进化创造出的“分子结”。
　　总的来说，生产生物燃料的第一步是将结实的生物给料“解构”成小分子；第二步才是将小分子精炼成燃油。工程师们一般将不同的解构方法按温度分级，用需要温度较低的（50℃至200℃）方法生产可以发酵成乙醇的糖类。这一方法与目前人们处理玉米或糖类作物的方式基本一致。需要温度较高的解构（300℃至600℃）可以用来生产生物质原油。生物质原油最终可被精炼成石油或柴油。而需要温度极高的解构（700℃以上）则被用来生产制造液态燃料的合成气。
　　目前仍然没有人知道哪种方法能最经济、有效地将生物给料中所含的能量转化成液态燃料。也许不同的生物材料需要不同的处理方法，如高温度处理木材，而较低温度处理草等。但要想进一步证实，则需要不断的实践。

　　二代生物燃料生产技术之一
　　高温合成气
　　截止目前，高温合成气方法在技术上最为成熟。合成气是由一氧化碳和氢气组成的混合气体，能由任何含碳元素的原料制得。合成气一般通过“费——托合成法”(FTS)被转化成柴油、汽油或者乙醇。该方法由德国科学家在20世纪20年代发明。
　　生产合成气的第一步是气化。科学家将生物给料放入反应器中，并将反应器加热到700℃以上。气化的生物给料与水蒸气、氧气混合，产生含有一氧化碳、氢气、焦油的混合气体。随后，科学家们清理掉其中的焦油并将剩余的气体压缩至20至70个大气压强。经过压缩的合成气接着流过经特别设计的催化剂，加快化学反应。
　　虽然技术原理很容易理解，但反应器却造价昂贵。卡塔尔2006年修建的一座FTS工厂共花费16亿美元，每天能生产3.4万桶液态燃料。有人计算过，如此规模的生物燃料厂必须每天消耗5000吨的生物给料才能在15至30年内赚回成本。巨大的经济上的挑战让科学家将技术的重点放在了降低成本上。

　　二代生物燃料生产技术之二
　　生物质原油
　　几亿年来的地底压力及热量将寒武纪的浮游动物以及水藻转化成了今天的油田。科学家们用相似的原理在极短的时间内也能将纤维质生物给料转化成生物质原油。精炼厂内，生物给料在无氧的环境下被加热至300℃至600℃。热量将生物给料分解成类似木炭的生物质原油，并产生一定量的混气体。用这种方法生产的生物质原油是目前市上最便宜的，大约为0.5美元/加仑。
　　较小的工厂也可利用这一方法生产原油，降低生物给料的运输成本。然而，用这种方法生产的生物质原油有强酸性，不能与现在的汽油燃料相溶，同时能量也较低，仅相当于汽油能量的一半。不过石油加工厂也能将这种生物质燃料转化成可用的燃油，而且已经有许多工厂正在研究如何用现有的硬件设施来完成这一任务。一些工厂已用生物质原油制造出了清洁、绿色的柴油，从而证明了精炼厂处理纤维质原油的可能性。
　　有的研究人员则想得更远，他们正在试图发明一种新型反应器，使“生物给料——生物燃料”的两步转化在同一个反应器中进行（两步转化即“生物给料——纤维质原油”及“纤维质原油——生物燃料”）。有科学家已经发明了一种名为“快速接触高温分解”的方法。之所以称其为快速是因为当生物给料被放入反应器之后，在一秒钟之内便被加热到500度以上的高温，从而将生物给料中的大分子分解成小分子。这些小分子体积适中，正好可以与催化剂的表面完美结合，从而大大提高反应效率。当附在催化剂表面之后，小分子会发生一系列的化学反应，最终变成价值极高的辛烷。整个过程仅仅只持续10秒钟。该技术有望在2014年投入商业生产。

　　二代生物燃料生产技术之三
　　糖类转化
　　虽然上两种处理纤维质给料的方法科技含量及效率更高，但目前为止，最受公众及投资商关注的还是更为传统的方法：纤维质给料——糖类——乙醇以及其他生物燃料。科学家已经研究出了多种能够分解纤维素或半纤维素的方法，如加热、伽马射线照射、高温蒸汽处理、浓酸或浓碱浸泡、微生物降解等等。
　　这些方法中最有前途的是使用浓酸或浓碱浸泡以及高温处理。其中实验室内最常选择的强酸或强碱便是氨水（一种强碱）。在氨水处理纤维的过程中，纤维质生物给料在加压的情况下被加热到100℃。当反应器降压，氨水气化之后，纤维素和半纤维素在酶的作用下被转化成糖类。这一过程转化率很高，大约为90%左右。而且整个过程中因为没有用到水，生产的乙醇纯度极高。最近有经济研究表明，这一方法也能很好地控制生产成本,大约能将成本控制在1美元/加仑左右。

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