藻类原油:百万年自然进程被浓缩成几分钟

日前,在《藻类研究》(Algal Research)这本期刊上最新发表了一片论文,研究人员模仿了在高温高压的深层地壳环境下史前植物材料转化成化石燃料的过程。

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藻类,一种水生植物,一直以来都被认为是生物燃料的来源,但是要将潮湿的绿色植物转变成干净可燃的燃料,其过程所需的步骤既昂贵又费时。研究人员将藻类经过一系列的操作处理,其中涉及一个干燥的过程,需要除去所有水分,这其中可能涉及 80% 的生物量。最终,他们利用有机溶剂从干燥的物质中提取出能源丰富的烃(碳氢化合物)。

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美国西北太平洋国家实验室(PNNL)的研究团队一口气完成了这个制作过程,他们从整个试验所需的大量湿海藻开始,经过不间断地处理水分、藻类以及所有的中间产物,甚至是350 ℃ 和3000 psi 的高温高压条件控制,最终浓缩出了藻类原油。

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“这个过程有点像在使用高压锅,不过我们使用的压力和温度更高罢了”,实验室的研究小组负责人道格拉斯·埃利奥特表示,“从某种意义上说,我们复制了藻类在地壳中经过漫长的数百万年转化形成石油的过程,只是我们比它演化得更快、更多。”

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这个过程产生的主要产品包含原油,它可以进一步精炼成航空燃料、汽油或柴油燃料(测试过程中,藻类 50〜 70% 的碳成功转化成烃燃料)。过程中排出的干净水可以用于更多藻类的种植,产生的燃料气体可以用于燃烧发电,甚至可以精炼成天然气。营养物质如氮、磷、钾等产物同时也是种植藻类需要的养分。

从 2008 年起,Genifuel 公司一直与这个研究团队合作研发,现在他们已获得这一制作过程的授权。该公司计划与一些工业合作伙伴建造一个试点实验工厂,将这个生产工艺投入到大规模的生物燃料制作过程中。

新技术称浓缩藻类黏液一小时内可变为原油

也许在未来的某一天,飞机、货车和小轿车都会用类似塘泥的物质来驱动加速。一项新的技术称,在不到一个小时的时间内,浓缩的藻类黏液就可以转化成生物原油。

这种黏液由水和藻类组成,后者的重量占总重的10%到20%。在转化的时候,黏液被连续输送进一个高科技压力锅,锅内的温度大约为350摄氏度,压强达到近204个标准大气压。高温高压可以使混合物保持液态。

美国国家能源部西北太平洋国家实验室的研究员道格拉斯·埃利奥特(Douglas Elliott)说,在压力锅内,一些“其他人还没有掌握的技术”将会使植物中脂类与其他矿物质,如水中的磷等分离出来。

一个小时之后,在重力作用下,原油与水完全分离,并流向另一端。道格拉斯·埃利奥特说:“我们可以对这些原油进行纯化,制成液态烃,并最终取代汽油、柴油和喷气燃料等石油制品。”未来的水处理步骤甚至可以从剩下的植物原料中回收甲烷——本质上就是天然气。另一方面,分离之后留下的富含氮的水,以及回收的磷等矿物质,都可以用来生产更多的藻类。

道格拉斯·埃利奥特及其同事有关处理过程的论文已经被《藻类研究》(Algal Research)杂志接收。总部位于犹他州的生物燃料公司Genifuel集团也已经获得该技术的许可,正在与工业伙伴合作建立一个试验工厂。

重新启用的技术

道格拉斯·埃利奥特及其同事用来生产生物原油的技术被称为“水热液化技术”,在20世纪70年代,该技术一度非常前沿。不过,后来研究者们的兴趣逐渐转到培养高脂类含量的藻株上,这一技术便遇到了冷落。

为了从这些产量较高的藻类中获得原油,需要先对藻类进行干燥,然后进行提取。提取的过程耗能很高,因而十分昂贵。水热液化技术“具有能完全利用整个藻体的优点,因此具有显著的优势,因为不再需要单纯追求脂类含量的积累,或脂类的提取了,”伦敦咨询公司FTI Counslting的能源分析师阿里斯·卡坎尼亚斯(Aris Karcanias)说,“此外,也不再需要为藻类干燥耗费大量能源了。”

尽管有这些优势,但道格拉斯·埃利奥特解释说,直到现在,该技术的大部分演示都是在实验室内的间歇式反应器中完成的。这就意味着,研究团队每次只能获得一批原油。除此之外,他们还要用化学溶剂将水与油分离。利用论文中所描述的连续过程,埃利奥特说:“我们发现,如果控制得当的话,我们就不再需要这些化学步骤了。”

前方的挑战

据道格拉斯·埃利奥特介绍,藻类生物能源要想在全球能源市场中占有一席之地的话,就必须具备高效的藻体生产能力,从而保证有足够的原料用于转化成生物燃料。另一方面,从藻类中提取的原油在使用上也有一些监管的障碍,在是否允许这些燃料与石油燃料混合,或者是否可以替代石油燃料的问题上,都需要重新起草标准和规范。埃利奥特解释道:“事实上,二者看起来确实有点不一样,而且在性质上也稍有不同。”

据阿里斯·卡坎尼亚斯介绍,除了正在与美国能源部进行合作的Genifuel集团之外,其他一些追逐藻类生物能源技术的公司也值得关注,包括蓝宝石能源公司(Sapphire Energy)、Cellana公司和合成基因组公司(Synthetic Genomics)等。

关于这一产业,阿里斯·卡坎尼亚斯说:“未来的研究需要在连续运行的基础上提高藻类原油的产量,并展示废水处理和优化营养物质循环的能力。”如果这些都能做到商业规模,“那将是非常重要而且十分有用的一步。”他补充道。

绿色石油新工艺

美国西北太平洋国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory;下简称PNNL)的科学家宣称,他们成功完善了一种将藻类转化为原油的新工艺,方法是对藻类原料进行30分钟的“高压蒸煮”。这种工艺名为“水热液化”,也适用于其他有机物流(如城市污水)的处理。由此产生的是轻质低硫原油,可加入处理化石原油的炼油炉,得到进一步的提炼。

“这有点像使用高压锅,只不过我们所采用的压力和温度都要高得多,”研究员道格拉斯·艾略特(Douglas Elliott)在一份声明中说,“从某种意义上说,我们复制了地球在几百万年中将藻类转化为石油的过程。只不过我们大大加速了这一过程。”

科学家找到藻类变原油的途径是早晚的事。毕竟,我们如今从地下开采出来的大部分石油,都是由藻类和其他海洋植物形成的,它们先在海底堆积几千年,然后再经过亿万年的高温高压,最终转化成石油。

但要找到经济适用之道就没那么简单了。50年前,研究员们就开始在麻省理工学院(MIT)的楼顶上种植藻类。最近的2009年,埃克森美孚(ExxonMobil)与克雷格·文特尔(Craig Venter)的合成基因组学公司(Synthetic Genomics)联合设立研究机构,重新点燃了藻类变石油的可能性。假如文特尔(人类基因组解码第一人)能够找到或通过基因工程构造一种特殊藻类,使之通过生物机制制造石油,那么埃克森美孚将拿出6亿美元的赞助。但很遗憾,文特尔在几年后中断了这一研究。藻类含油量实在太低,无法成为商业上可行的原油来源。

而新一代科学家们表示,这些都是无稽之谈:问题不是要找到一种含油丰富的藻类,而是要找到能将任何藻类转化为石油的工艺,Genifuel公司CEO吉姆·奥耶勒(Jim Oyler)说,他已与道格拉斯·艾略特等PNNL研究人员密切合作多年,并给这项技术颁发了许可。“我们已经证明了这一技术的可行性。”他说。

各学术期刊近期不少文章似乎都能为其提供佐证。在由爱思唯尔出版社(Elsevier)出版的《藻类研究:生物量、生物燃料和生物制品》(Algal Research: Biomass, Biofuels and Bioproducts)10月刊中,你可以读到PNNL研究人员发表的多篇论文,其中一篇就名为《连续流反应器中藻类原料水热液化工艺的研发》(Process development for hydrothermal liquefaction of algae feedstocks in a continuous-flow reactor)。另外,俄亥俄州立大学(Ohio State)、丹麦奥胡斯大学(Aarhus University)和澳大利亚悉尼大学(University of Sydney)也进行了类似的研究。

其中大多数论文都充斥着专业术语。好在奥耶勒给我作了一番耐心的讲解。首先,将藻类与水混合。混合液中藻类的理想比重大约为20%。然后将混合液缓缓注入一根长长的管道之中,在349摄氏度和20.7兆帕气压的环境中保持30分钟,同时不断搅拌。30分钟后,高压锅已将藻类(或其他原料)分解,并形成原油。

据PNNL研究称,每添加100磅的藻类原料,该系统就能产出53磅的“生物原油”。这种原油在化学组成上与轻质低硫原油十分接近,是一种复杂混合物,包括一系列碳原子数在15~22的轻质、重质化合物,以及芳烃、酚类、杂环化合物和烷烃。

并不是所有的有机物最终都转变成了原油。这一过程还产出了由二氧化碳、氢气和氧气,很容易得到合成天然气,可以通过燃烧产热并发电。

剩下的还有富含植物营养素(氮、磷、钾)的水,这些营养素原先存在于藻类之中,这种水可以卖回藻类养殖场作为肥料。

“不用对藻类进行干燥处理是该工艺的一大突破,这大大降低了成本,”艾略特在一份声明中称,“还有其他额外好处,比如可以将水中的可用气体提取出来,再将剩余的水连同养分进行回收再利用,帮助种植更多的藻类,这又进一步降低了成本。”

研究人员推测,按照现在一吨几百美元的藻类价格,他们制造相当于汽油的藻基燃料的成本低于每加仑5美元。

而藻类只是原油来源中可行性最大的一种。同样的工艺还能用来对各种有机废物——如粪便、城市污水、蔬菜堆肥乃至鱼头——进行原油化处理。奥耶勒说,其实,如果该技术可以成功扩大到商业化规模,那么单是人类排泄物提取的燃料就足以供应全球10%的石油需求。

来自威锋网,北方网

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