甲醇和乙醇轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔锶剂弦呀?jīng)有很多年了。德國shbh4咨詢公司董事總經(jīng)理Stephen B. Harrison寫道，兩種主要的途徑是甲醇制汽油(MTG)和乙醇制噴氣燃料(ETJ)，也稱為乙醇制航空煤油(ETK)。

較小的甲醇分子是生產(chǎn)汽車用較輕汽油餾分的理想原料。乙醇分子越大，產(chǎn)生的煤油餾分就越重，這是可持續(xù)航空燃料(SAF)所需要的。

植物性生物乙醇

傳統(tǒng)上，生物乙醇是通過工業(yè)規(guī)模的含糖液體發(fā)酵生產(chǎn)的。這個(gè)過程基本上與用谷物釀造啤酒，然后將啤酒蒸餾成威士忌相同。

在亞洲和美洲，最廣泛用于生物乙醇生產(chǎn)的作物是玉米和甘蔗。水稻、高粱和木薯也被少量使用。在歐洲，這些作物通常被小麥和甜菜所取代。

考慮到這些作物，很明顯，農(nóng)業(yè)用地和糧食作物正在轉(zhuǎn)向生產(chǎn)生物燃料，作為負(fù)擔(dān)得起的能源載體。在全球范圍內(nèi)，這些營養(yǎng)商品的價(jià)格因其作為燃料的競爭性用途而上漲。對(duì)富人來說，一公斤小麥或大米價(jià)格上漲幾美分不會(huì)讓一個(gè)家庭陷入饑餓。對(duì)于貧困國家來說，情況并非如此。

對(duì)可持續(xù)乙醇的替代非食物來源的需求是全球迫切需要的。而且，如果它也可以從工業(yè)排放中產(chǎn)生，這肯定是一個(gè)雙贏的局面。

從回收的碳中提取工業(yè)乙醇

美國LanzaTech公司利用發(fā)酵罐中的厭氧醋酸桿菌將富含一氧化碳(CO)的原料氣體(如合成氣)轉(zhuǎn)化為乙醇和一系列生化物質(zhì)。術(shù)語CCT或“碳捕獲和轉(zhuǎn)化”已被用于描述LanzaTech發(fā)酵過程。

LanzaTech發(fā)酵罐的理想原料是CO(一氧化碳)豐富的。生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的合成氣富含CO，是LanzaTech工藝的理想原料。

煉鐵和煉鋼也會(huì)產(chǎn)生富CO的煙氣。高爐氣(BFG)含有20%的CO，轉(zhuǎn)爐氣(也稱為堿性氧爐氣或BOFG)含有60%的CO。

目前，能源豐富的BOFG (LHV 3 kWh/Nm3)經(jīng)常通過煉鋼設(shè)備上的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)獲取熱能或電力。BFG含有較少的CO (LHV 0.9 kWh/Nm3)，能量值較低。它也可以用于熱和發(fā)電，或者被送到火炬燃燒掉。

作為發(fā)電或燃燒的替代方案，在LanzaTech過程中利用BFG和BOFG產(chǎn)生乙醇。隨后，免費(fèi)的LanzaJet工藝可用于在其專有的ETJ工藝中將乙醇轉(zhuǎn)化為SAF。

生命周期分析

LanzaTech生物反應(yīng)器利用合成氣中的CO在發(fā)酵罐中培養(yǎng)細(xì)菌生物質(zhì)。一些氣體從發(fā)酵罐中排放出來。來自發(fā)酵罐的生物質(zhì)隨后在單獨(dú)的厭氧污泥消化器中轉(zhuǎn)化為生物甲烷。這種能量豐富的生物甲烷被用來充分燃燒主發(fā)酵罐，將氣體轉(zhuǎn)化為二氧化碳。這些二氧化碳要么被排放到空氣中，要么被捕獲。

LanzaTech工藝的生命周期分析(LCA)表明，二氧化碳排放量的減少主要是由于用從發(fā)酵液中回收的乙醇或其他副產(chǎn)品生產(chǎn)的生物材料取代了化石燃料或原油衍生塑料。

LanzaTech LCA的另一個(gè)組成部分是考慮原料(如煉鐵和煉鋼煙氣)是否燃燒或利用。如果它們被燃燒，將它們回收和轉(zhuǎn)化為乙醇可以獲得顯著的環(huán)境效益。然而，如果它們被用來制造熱能和電力，它們已經(jīng)避免了化石燃料的使用，并且LCA的總體二氧化碳減排量也減少了。

成功擴(kuò)大規(guī)模

2008年，LanzaTech的工藝在中試規(guī)模上進(jìn)行了演示，使用的煙氣來自新西蘭格蘭布魯克的BlueScope鋼廠。從那時(shí)起，LanzaTech已經(jīng)成功地在寶鋼上海和首鋼曹妃甸的兩個(gè)300噸/年示范設(shè)施中部署了其技術(shù)。這些LanzaTech發(fā)酵罐使用一系列鋼鐵制造廢氣，包括BOFG， BFG和焦?fàn)t氣(COG)。

LanzaTech還在喬治亞州的索伯頓經(jīng)營Freedom Pines生物精煉廠，使用生物發(fā)酵罐生產(chǎn)乙醇和其他化學(xué)品。LanzaJet ETJ SAF生產(chǎn)工藝也在該工廠實(shí)施。

乙醇脫水生產(chǎn)煤油的過程

乙醇是由兩個(gè)碳原子構(gòu)成的醇。作為醇，它含有一個(gè)氧原子。另一方面，煤油是一種長鏈烷烴，有10到14個(gè)碳原子，不含氧。

將乙醇轉(zhuǎn)化為煤油分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一種是將乙醇脫水成乙烯。這有效地去除了氧原子，并在兩個(gè)碳原子之間建立了一個(gè)高活性的雙鍵連接。

采用沸石型催化劑(如H-ZSM-5)在250~300℃之間進(jìn)行脫水反應(yīng)。低壓操作有利于氣態(tài)乙烯的生產(chǎn)。這個(gè)反應(yīng)需要很高的熱輸入。這是過程中的寄生負(fù)荷，它消耗原料的一些能量使其轉(zhuǎn)化為煤油。

乙烯寡聚

乙醇脫水產(chǎn)生的乙烯就像一個(gè)老鼠夾，等待著打開。當(dāng)兩個(gè)碳原子之間的雙鍵斷裂時(shí)，它會(huì)伸出另一個(gè)乙烯分子來構(gòu)建丁烯，這是一種包含四個(gè)碳原子的更長碳?xì)浠衔铩?/p>

乙烯到丁烯的轉(zhuǎn)化是在鎳基催化劑上進(jìn)行的，并釋放出大量的熱量，這可以支持脫水反應(yīng)。

丁烯還含有一個(gè)高活性的碳雙鍵。當(dāng)幾個(gè)丁烯分子結(jié)合時(shí)，在聚合反應(yīng)中產(chǎn)生了很長的碳?xì)浠衔铩Ｈ绻@個(gè)反應(yīng)繼續(xù)下去，產(chǎn)物將是聚乙烯，一種塑料聚合物。為了生產(chǎn)煤油，反應(yīng)必須開始，然后停止。這種部分聚合稱為寡聚化。

使用另一種沸石催化劑如ZSM-5進(jìn)行低聚反應(yīng)。如果在高溫下進(jìn)行，可以產(chǎn)生煤油的支鏈異構(gòu)體。這是可取的，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S燃料在低溫下使用(如在高海拔地區(qū))而不會(huì)凍結(jié)。

加氫處理和分餾

通過寡聚反應(yīng)生產(chǎn)的合成原油可能仍含有一些乙醇原料殘留的氧原子。必須除去這些，以防止處理和儲(chǔ)存煤油的材料腐蝕，并防止燃料聚合。

氫與合成物反應(yīng)，除去氧并將其轉(zhuǎn)化為水。然后將脫氧合成原油蒸餾成汽油、柴油和煤油等餾分用于SAF。

通過調(diào)整工藝條件來生產(chǎn)最有價(jià)值的燃料，即可持續(xù)航空燃料(SAF)，可以優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益。

(素材來自：shbh4咨詢公司 全球綠色燃料網(wǎng)、全球生物質(zhì)能源網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合)