將草煉成油：第二代生物燃料油有競爭力嗎？

　　科學(xué)家正致力于研究，怎樣將農(nóng)業(yè)廢棄物、木材及生長更為迅速的草本植物，轉(zhuǎn)化為種類繁多的生物燃料（甚至是航空燃油）。然而在這些新一代生物燃料完全替代傳統(tǒng)化石能源之前，它們必須具備與60美元/桶的原油競價的能力。

　　撰文喬治·W·休伯（GeorgeW.Hube）

　　布魯斯·E·戴爾（BruceE.Dale）

　　翻譯仉磊章曉慶

　　審校李十中

　　現(xiàn)在，我們都應(yīng)該清醒地認識到，對石油過分依賴，會讓國家安全、經(jīng)濟安全及環(huán)境安全遭受威脅。但文明不能因此停下前進的步伐，我們必須找到新的能源來保障世界運輸系統(tǒng)的順利運轉(zhuǎn)。以非糧原料或農(nóng)業(yè)廢棄物為原料轉(zhuǎn)化的液態(tài)燃料——纖維素生物燃料（Cellulosicbiofuel）有利于環(huán)境安全，技術(shù)可行性強，近期內(nèi)最有希望替代傳統(tǒng)化石能源。

　　生物燃料可以用植物或植物制品為原材料。目前，第一代生物燃料以可食用作物為原料，主要包括玉米、大豆（美國）、甘蔗（巴西）。用可食用作物制造生物燃料是最簡單可行的，因為把這些可食用作物轉(zhuǎn)化為燃料的技術(shù)是現(xiàn)成的。然而，第一代生物燃料并非長久之計，原因很簡單：沒有足夠的耕地能夠滿足發(fā)達國家10%的液態(tài)燃油原料需求。這種對糧食作物的額外需求還使2008年家畜飼料價格大幅上升，雖然沒有達到去年媒體所預(yù)言的、近似歇斯底里的高價，但部分糧食價格還是有一定上漲。一旦將玉米生長、收獲及加工期間的所有排放納入經(jīng)濟成本預(yù)算，第一代生物燃料顯然并不是我們所期望的、對環(huán)境安全具有積極影響的能源形式。

　　第二代生物燃料主要以纖維素質(zhì)材料為原料，如富含纖維素、生長迅速的草本植物，因此將英文汽油（gasoline）單詞中前綴“gas”去掉，引入“grass”（草），就組成了形象生動的專有名詞“草油”（grassoline）。可轉(zhuǎn)化為草油的原料有很多，從木材廢料（鋸木屑、木質(zhì)建筑殘片）到農(nóng)業(yè)廢棄物（玉米秸稈、小麥莖稈），再到“能源作物”[生長迅速、纖維含量高、專門種植用作草油原料的草本和木本植物]。這些原料作物耕作成本低（與每桶石油有等價能效的草油為10到40美元）、量大，更關(guān)鍵的是，這些作物的種植生產(chǎn)不會干擾和危及糧食生產(chǎn)。大多數(shù)能源作物能夠在不能用作農(nóng)田的邊際土地上快速生長。還有一些能夠在被廢水或者重金屬污染的土壤中生長并凈化土壤，如生長周期較短的灌木柳樹（short-rotationwillowcoppice）。

　　纖維素類植物生物質(zhì)（biomass，指某一系統(tǒng)中全部或特定的生物總量）豐富，能夠可持續(xù)地收獲，來制造生物燃料。美國農(nóng)業(yè)部和能源部的研究顯示，在不減少作為人類食物、動物飼料及出口生物質(zhì)份額的前提下，美國每年能夠生產(chǎn)13億噸（干重）生物質(zhì)。如此大量的生物質(zhì)每年至少能夠產(chǎn)生1,000億加侖（約3,790億升）草油，大約相當(dāng)于每年美國汽油、柴油消耗總量的一半（見第23頁圖表）。放眼全球，每年纖維素類生物質(zhì)生產(chǎn)量能夠轉(zhuǎn)化的生物燃料相當(dāng)于340億~1,600億桶原油，已經(jīng)超過了目前全球每年30億桶原油的消耗量。纖維素類生物質(zhì)能夠轉(zhuǎn)化成任何類型的燃料，如乙醇、普通汽油、柴油，甚至航空燃油。

　　現(xiàn)在，科學(xué)家仍然更擅長發(fā)酵玉米籽粒（有效成分為淀粉），而不是打斷纖維素分子鏈，使它們轉(zhuǎn)變成可發(fā)酵單糖，但最近這方面取得了突破性進展。量子化學(xué)計算模型（quantum-chemicalcomputationalmodel）之類的強大工具的引入，使化學(xué)工程師能夠在原子水平控制反應(yīng)進程。目前科學(xué)家將研究重心集中在，如何快速將這種微觀尺度的控制級別提升到煉制廠這樣的工業(yè)水平。盡管此領(lǐng)域依然處于起步階段，一些示范工廠已經(jīng)開始運行，第一個商業(yè)化生物燃料煉制廠預(yù)計在2011年建成。人類歷史上的能源新紀(jì)元──草油時代也許很快就要到來。

　　自然界把纖維素賦予植物作為主要骨架結(jié)構(gòu)，這種由葡萄糖分子緊密咬合并層層疊加的“腳手架”，為植物提供了抵抗重力和生物降解的支撐性架構(gòu)。為了釋放纖維素里的能量，科學(xué)家必須先破壞進化賦予植物的這種異常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

　　一般來說，這種“解封”過程先要將固體生物質(zhì)解構(gòu)成聚合度更低的小分子物質(zhì)，隨后將它們轉(zhuǎn)化成燃料。工程師一般采用控溫方式進行這種操作。低溫（50℃~200℃）情況下，生物質(zhì)裂解產(chǎn)生的單糖可以被發(fā)酵成乙醇或其他形式的燃料，玉米及糖類作物（如甘蔗）采用的就是這種轉(zhuǎn)化方式。生物質(zhì)在高溫（400℃~600℃）下會直接轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)原油（Biocrude），再經(jīng)過提煉就可以成為汽油或者柴油。極端高溫（高于700℃）下，生物質(zhì)會直接變成氣體并進一步轉(zhuǎn)化為液態(tài)燃料。

　　到目前為止，還沒人知道到底哪種方法能夠以最低的成本獲得最高的能量。或許不同生物質(zhì)材料需要不同的處理方法。比如說木材廢棄物需要高溫處理，而低溫方式對草本植物更為適合。

　　熱化學(xué)平臺——熱解合成油

　　生物質(zhì)經(jīng)高溫裂解生成合成氣（syngas），是目前技術(shù)上最有發(fā)展前途的研究熱點。合成氣是一氧化碳和氫氣組成的混合氣體，可以由任何含碳的物質(zhì)制得。通過德國科學(xué)家于20世紀(jì)20年代發(fā)明的費托合成（Fischer-Tropschsynthesis,FTS），合成氣通常可以轉(zhuǎn)化成柴油、汽油或者乙醇。第二次世界大戰(zhàn)期間，德意志第三帝國（ThirdReich）就利用FTS將德國的煤礦石轉(zhuǎn)化為液體燃油。目前多數(shù)傳統(tǒng)化石能源公司都擁有合成氣轉(zhuǎn)化技術(shù)，準(zhǔn)備在汽油價格過高時將這種熱油轉(zhuǎn)化技術(shù)引入市場。

　　氣化是生產(chǎn)合成氣過程的第一步反應(yīng)。生物質(zhì)被裝入反應(yīng)器中加熱到700℃以上，通入蒸汽或者氧氣，產(chǎn)生一氧化碳、氫氣和焦油的混合物。清除焦油后，將混合氣體壓縮到20~70個大氣壓，使它們通過一種專門設(shè)計的固體催化劑反應(yīng)器生成液體燃料（這種固體催化劑可以捕獲單獨的反應(yīng)物分子，優(yōu)先催化特定的化學(xué)反應(yīng)）。合成氣轉(zhuǎn)化催化劑最初是為把天然氣及煤礦石轉(zhuǎn)化成燃油而開發(fā)的，但它也同樣適用于處理生物質(zhì)。

　　盡管該技術(shù)已經(jīng)比較成熟，反應(yīng)器的成本卻非常昂貴。2006年在卡塔爾建立的、用FTS將天然氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)燃油的工廠耗資16億美元，平均每天生產(chǎn)34,000桶液態(tài)油。如果一個生物質(zhì)煉制工廠的投資達到這種規(guī)模，該煉制廠必須每天轉(zhuǎn)化5,000噸生物質(zhì)，持續(xù)15到30年，才能生產(chǎn)足夠的燃料以收回投資。將這么多生物質(zhì)集中到一個地點完成生產(chǎn)存在嚴峻的后勤和經(jīng)濟性挑戰(zhàn)，所以合成氣技術(shù)的研究主要集中在如何降低投資成本方面。（更多內(nèi)容，請閱讀《環(huán)球科學(xué)》2009年第8期）