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木质变原油的梦幻技术能否实现?

  美国通过可再生燃料标准(RFS2),规定了利用由包括纤维素在内的革新技术制造的生物质运输燃料的使用量,风险公司正在开发利用谷物以外其他原料的多项技术。

  在这篇文章中,笔者将介绍一项革新技术——热化学技术,和相关的风险企业。

  应用热化学技术利用生物质的技术一般是在高温低氧环境下使生物质气化(干蒸),然后利用催化剂,使所产生的一氧化碳及氢等的合成气体转变成由碳化氢构成的液体燃料。也是所谓的生物质液化(Biomass to Liquid,BTL)(资料1)。利用热能使生物质的组织分解,形成以一氧化碳(CO)及氢(H2)为主的分子状态。然后从合成气体中分离二氧化碳(CO2)及杂质,提高一氧化碳和氢的纯度。

  生物质液化的原型是在德国开发的、以煤炭为原料制造液体燃料的技术(CTL:Coal-to-Liquid)。该原型技术以发明人的名字命名,称为费托反应(Fischer–Tropsch反应,FT反应),生成的燃料也被称为FT油。该技术已有长达80年的历史,并且已经实现了商业化。尤其是在南非地区非常发达。南非由于种族隔离政策而受到经济制裁,无法进口石油,因此不得不利用国内丰富的煤炭,自行生产燃料。

  十几年前,在垃圾焚烧领域,作为解决二恶英问题的措施,气化熔融炉一度成为热门。其工作原理是,在高温低氧环境下使厨余垃圾及塑料等有机物气化。燃烧时产生高温,可在分解二恶英的同时用于发电。流化床式、高炉式、窑式及热选式等多项技术相继登场。

  热化学技术的优点是对生物质的种类没有特别要求。如果是有机物,便可分解成一氧化碳和氢。虽然初期投资较高,但可通过自动化及大规模化降低作业成本。还可通过组合一氧化碳和氢,制造各种产品。类似于原油生产及石油精炼系统,与石油产品之间具备亲和性。

  不过这项技术也存在较多课题。虽然是从煤炭液化发展而来的技术,但与煤炭相比,生物质杂质较多,品质(一氧化碳和氢的比例)不均。即使利用小型设备能顺顺利利地进行生产,但扩大规模之后,大多还是会产生问题。要制造目标燃料,需要使一氧化碳和氢达到平衡。并且还有难以对气化过程中所产生的液体(焦油)做处理等问题。

  而且,与煤炭液化之间的竞争也较为激烈。煤炭与生物质相比品质较为稳定,更易于进行生产。由于煤炭是化石燃料,因此在可持续性方面有一定的问题,但即使在加入碳排放费用之后进行成本比较,依然是一个强大的竞争对手。

  在美国等地,也有很多风险公司对制造生物燃料发起了挑战,但目前许多企业已经陷入苦战。雷奇燃料公司(Range-Fuels)在美国曾作为纤维素生物燃料开发风险公司率先涉足该领域,受到了很大关注,并获得了巨额补贴。2006年,布什总统也在国情咨文中呼吁“摆脱石油中毒状态,促进纤维素类生物燃料开发”,在这种形势下,雷奇燃料公司于2007年开始建设商业设备,一跃成为时代的宠儿。

  该公司在乔治亚州开始建设以来自松树林及锯木厂的木质为原料、年产2000万加仑(7600万升)的商业设备。计划最终将使产能扩大到1亿加仑。但设备却一直异常与转,无法生产液体燃料,最终于2011年秋季破产。该公司的设备仅补贴就投入了5000万美元,因此被批判是“生物燃料领域的Solyndra”。

  不过,之前有不少专家已经预想到会出现这种局面。原因主要在于上文所提到的几个课题,但还在于只有少数的时间及资金来克服扩大规模时所出现的各种课题。规模为2000万加仑的玉米设备需要4000万美元的建设费。破产时该公司的首席执行官(CEO)遗憾地表示,最大的原因主要在于发生了金融危机,资金援助无法持续下去。

  在气化技术发源地德国,企业也陷入了苦战。科林公司(Choren)于1998年在著名环保城市弗里堡市建设了试验设备,利用FT反应生产生物质液体燃料。2004年之前一直利用规模为1000千瓦的设备,向戴姆勒克莱斯勒及大众供应燃料。2003年宣布,引进壳牌公司的FT技术,把试验设备的规模扩大到4500千瓦,并开始做建设。2005年,壳牌成为其股东,戴姆勒公司和克莱斯勒公司也参与其业务。不过,科林依然未能解决所面临的课题,于2011年7月破产。

  意想不到的新课题接连出现,花费了大量时间及成本,资金方面却后继无力。科林要建设的设备规模是史无前例的,该公司不断进行了摸索。气化本身并不难,但却难以确保一氧化碳和氢的比例及纯度。科林的技术2012年2月被德国工程集团林德公司收购。

  迄今,生物质液化长期处在苦战状态,要实现商业化似乎还要花费较长时间。不过,如上文所述,有许多专家早就预测到会出现这种局面。美国国家可再次生产的能源实验室(NREL)也有过扩大规模之后,工艺异常进行的经验。

  不过,很少有专家否定生物质液化技术本身。技术开发本来就是要花费大量的时间及费用,有许多意见认为总有一天会实现。以Rentech公司为首,依然有风险公司致力于这一技术。

  丝毫不受生物质液化苦战的影响,LanzaTech公司在热化学技术领域受到了很大关注。该公司采用的是热化学与生物化学的融合技术。该公司的特点在于,在使生物质气化之后,不用催化剂,而是使用该公司开发的微生物制造液体燃料。微生物会像催化剂一样发挥作用。

  这种微生物可自行制造氢,对于阻碍反应的物质也有较强的抵抗力。因而更易于调整合成气的成分比例,解决了生物质液化所面临的一个课题。也可利用不含氢的气体。

  热化学技术的特点在于能够以多种生物质为原料,而LanzaTech的技术尤其能够享受这一好处。一氧化碳和氢的比例可以随意决定,阻碍物质所产生的影响也比较小。而且这种微生物本来就存在于大自然中,风险也与制作面包的酵母菌相同。

  并且不仅限于生物质,在生产的全部过程中会产生含有一氧化碳和氢的废气(副产气)的炼铁、石油精炼及石油化学工厂,也能发挥威力。热化学转换的课题在于初期投资较高,但如果利用会排放有机气体的现有工序,便可大幅削减投资。除了生物质气化,如果结合利用现有产业的副产气,还可削减总成本。

  LanzaTech于2005年在新西兰创设,2008年在该国的钢铁厂内设置了试验设备。利用2全自动化的500升气体发酵反应机进行实验,实际验证了其有效性。之后将总部移到芝加哥,在美国风险资本及中国石油资本的支援下,接着来进行开发。目前正在建设年产能在10万加仑以上的乙醇制造实验设备,预定2012年启动,2013年实现全面生产。将集结工艺工程专家,迅速扩大规模。

  2012年1月,在乔治亚州拥有了最初的商业生产设备。这就是上文提到的雷奇燃料公司的设备,在投标时以520万美元获得了其气化工序设备。两者的主要投资者是著名风险资本科斯拉风险投资公司(Khosla Ventures)。


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