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  • 纤维素生物燃料

    纤维素生物燃料,是以非粮原料或农业废弃物为原料转化的液态燃料。有利于环境安全,技术可行性强,有希望替代传统化石能源。

    编辑摘要

    目录

    概述/纤维素生物燃料 编辑

    纤维素质生物燃料纤维素生物燃料

    以纤维素质材料为原料制造的生物燃料,如富含纤维素、生长迅速的草本植物。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”。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)。


    发展演变/纤维素生物燃料 编辑

    生物燃料是指通过生物资源生产的燃料乙醇和生物柴油,可以替代由石油制取的汽油和柴油,是可再生能源开发利用的重要方向。受世界石油资源、价格、环保和全球气候变化的影响,20世纪70年代以来,许多国家日益重视生物燃料的发展,并取得了显著的成效。中国的生物燃料发展也取得了很大的成绩,特别是以粮食为原料的燃料乙醇生产,已初步形成规模。

    第一代生物燃料

    以可食用作物为原料,主要包括玉米、大豆(美国)、甘蔗(巴西)。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。

    联合国粮农组织认为第一代生物燃料造成粮食价格上涨联合国粮农组织认为第一代生物燃料造成粮食价格上涨

    缺点 :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。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人们所期望的、对环境安全具有积极影响的能源形式。

    第二代生物燃料

    纤维素质纤维素质

    纤维素质为原料,来源于农业废弃物(如麦草、玉米秸秆、玉米芯等)、工业废弃物(如制浆和造纸厂的纤维渣)、林业废弃物和城市废弃物(如废纸、包装纸等。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。

    与第一代生物燃料相比,第二代生物燃料具有非常大的优势。首先,汽车发动机不需要改造就可以直接使用掺入了生物乙醇的汽油或柴油;其次,生产第二代生物乙醇的催化酶技术未来几年成本还将快速下降,大规模工业生产的可行性非常强;第三,秸秆等纤维素类农业废弃物大量存在,比如中国每年农业生产大约产生7亿吨秸秆,供给非常充足。而且从长期来看,生产废弃物还可以用来生产生物高分子新材料。


     

    技术手段/纤维素生物燃料 编辑

    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。 

    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。

    发展前景/纤维素生物燃料 编辑

    美国奥克拉大学的科研人员正试图开发利用柳枝稷制造乙醇的方法,具体说就是把柳枝稷切碎,加热后把产生出来的一氧化碳二氧化碳和氢气喷入一个生物反应器,反应器里的微生物使这些气体变成乙醇。另一种方法是从柳枝稷的纤维素中提炼糖,然后把糖制成燃料,目前面临的问题主要是成本费用过高。美国有广袤的土地供柳枝稷生长。如果柳枝稷能成为可替代燃料的来源,那么这种新燃料将是取之不尽的。

    德国大众公司等欧洲汽车制造商就与德国佛莱堡科伦工业集团开展合作,共同开发取自稻草或秸秆的第二代生物燃料,该工业集团年产2万吨的“第二代生物柴油”项目已于2008年启动。美国能源部通过资金支持国家可再生能源实验室与企业合作,对纤维素催化酶进行优化,大大地降低其成本,使第二代生物燃料技术有望于2010年投入实现产业化和商业化,UOP公司等许多新能源企业纷纷组建第二代生物燃料生产厂。巴西石油公司则研究从秸秆、稻壳等农业废弃物中提炼乙醇,并加紧生产厂的建设。

    存在问题/纤维素生物燃料 编辑

    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。 

    相关文献

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    扩展阅读
    1网易:纤维素生物燃料:最有希望替代石油能源 2009年8月12日
    2新华网:生物燃料重获“新生”进入第二代生物燃料时代 2009年2月4号

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