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Velocys公司建造的費(fèi)托合成反應(yīng)堆 圖片來(lái)源：Velocys公司
到2015年年底，所有英國(guó)航空公司從倫敦城市機(jī)場(chǎng)起飛的航班都將以垃圾（紙、食物殘?jiān)⒒▓@修剪下的草和其他城市居民丟棄的有機(jī)碎屑）為燃料。
但在這些垃圾成為燃料之前，它們將在“倫敦綠色天空”被加工處理。這是一家位于倫敦東部的生物燃料工廠(chǎng)，目前正在建造中。每年，該工廠(chǎng)將接收約50萬(wàn)噸城市垃圾并將其中的有機(jī)成分轉(zhuǎn)化為6萬(wàn)噸噴氣燃料。
這種級(jí)別的產(chǎn)出很難在傳統(tǒng)煉油廠(chǎng)被注意到。在傳統(tǒng)煉油廠(chǎng)，原材料能在一周內(nèi)生成等量的產(chǎn)品。美國(guó)紐約市自然資源保護(hù)委員會(huì)可再生能源政策主管Nathanael Greene說(shuō)：“收集足夠的生物量運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)煉油廠(chǎng)幾乎是難以想象的事情�！弊鳛榈诙锶剂瞎S(chǎng)，“倫敦綠色天空”采用的材料可以是玉米秸稈、木屑、其他形式的農(nóng)業(yè)廢棄物及城市垃圾，但在數(shù)量上仍不夠�，F(xiàn)在的希望在于，工廠(chǎng)可以大幅度削減運(yùn)輸成本——將工廠(chǎng)遷至生物量富集的地方，而不是目前相反的做法。
支持者認(rèn)為，新催化技術(shù)和緊密的設(shè)計(jì)將使第二代生物燃料工廠(chǎng)不僅能保護(hù)生態(tài)環(huán)境，還能在沒(méi)有補(bǔ)貼的情況下仍有利可圖，并足以和石油燃料競(jìng)爭(zhēng)。現(xiàn)在的問(wèn)題在于，這樣的設(shè)想能否變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。但至少一些客戶(hù)正在給工廠(chǎng)一次嘗試的機(jī)會(huì)；相關(guān)商業(yè)單元如雨后春筍般在芬蘭，美國(guó)密西西比州、阿拉斯加州等地涌現(xiàn)。
Greene表示，如果第二代工廠(chǎng)獲得成功，和其“前任”相比，它們將帶來(lái)一大至關(guān)重要的優(yōu)勢(shì)：以低碳的方式生產(chǎn)適合現(xiàn)有車(chē)輛的燃料。
有限的兼容性是限制第一代生物燃料工廠(chǎng)發(fā)展的一大主要問(wèn)題。第一代工廠(chǎng)利用發(fā)展了一千多年的技術(shù)生產(chǎn)啤酒、葡萄酒和烈性酒。這些機(jī)器磨碎諸如玉米、甘蔗等食物，加入水和酵母。這一過(guò)程能生產(chǎn)大量乙醇，而乙醇正是能與汽油混合的絕佳燃料。
但是，不斷增長(zhǎng)的人口和有限的耕地使得利用食物制造燃料的方法有很大局限性。因此，十多年來(lái)，生物燃料行業(yè)一直致力于研究更經(jīng)濟(jì)的方式，例如以玉米秸稈、木屑和其他被白白浪費(fèi)掉的副產(chǎn)品作為原料。這對(duì)發(fā)酵方法提出了挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些材料包含牢固的長(zhǎng)鏈分子（例如纖維素、木質(zhì)素），酵母很難分解它們。在過(guò)去的5至10年間，利用酸和酶的預(yù)處理方法的進(jìn)步已經(jīng)從一定程度上克服了該難題，計(jì)劃生產(chǎn)纖維素乙醇的商業(yè)化工廠(chǎng)目前正在愛(ài)荷華州和堪薩斯州等地建造。
“混合墻”難題
然而，這些工廠(chǎng)目前還不能完全克服發(fā)酵方法上的最大難題：“混合墻”——指在未引起燃油管和發(fā)動(dòng)機(jī)腐蝕的情況下，可以和汽油混合的乙醇的最大數(shù)量。當(dāng)前模型的“混合墻”比例約為10%~15%——第一代發(fā)酵設(shè)備已經(jīng)生產(chǎn)出“綽綽有余”的乙醇滿(mǎn)足這一需求。事實(shí)上，美國(guó)一些過(guò)去10年間建立的乙醇精煉廠(chǎng)已經(jīng)處于閑置狀態(tài)，它們是干旱導(dǎo)致的價(jià)格飛漲及市場(chǎng)飽和的受害者。
近9年來(lái)，油價(jià)一直居高不下——約保持在每桶100美元，使得大批研究轉(zhuǎn)向熱化學(xué)領(lǐng)域。熱化學(xué)工廠(chǎng)能將生物量直接轉(zhuǎn)化為燃料。
最常見(jiàn)的熱化學(xué)方法是氣化，即加熱富含碳的物質(zhì)（諸如煤、木屑、城市垃圾）以生產(chǎn)合成氣（指一氧化碳和氫的混合物，尤指由低級(jí)煤生產(chǎn)的可燃性氣體）。在倫敦綠色天空工廠(chǎng)，Solena燃料公司（華盛頓市的一家可再生能源公司）建造的氣化爐裝置將完成這一步驟——用噴射的離子化的等離子體蒸發(fā)垃圾，并加熱至3500攝氏度。這些裝置比其他氣化方法能源消耗量要大。倫敦綠色天空工廠(chǎng)這樣做的原因在于，城市垃圾是多種多樣的，通過(guò)調(diào)節(jié)裝置的溫度，進(jìn)而使合成氣的成分保持一致。
該過(guò)程的第二步是將合成氣送至一個(gè)化學(xué)反應(yīng)堆（由俄亥俄州平原市Velocys公司建造），一致性在其中非常重要。在這一步，合成氣將經(jīng)歷費(fèi)托合成反應(yīng)——?dú)浜鸵谎趸既酆铣砷L(zhǎng)鏈碳?xì)浠衔铩Ｍㄟ^(guò)控制含鈷催化劑粉末的數(shù)量并將其置于一系列微通道旁，Velocys得以設(shè)計(jì)出異常緊湊的系統(tǒng)并能控制合成氣的流動(dòng)。
費(fèi)托合成單元也被設(shè)計(jì)得盡可能模塊化，這樣工廠(chǎng)能更便利地處理材料。Velocys公司業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理Neville Hargreaves說(shuō)：“獲取利潤(rùn)并不是在規(guī)模上投機(jī)取巧，而是需要改進(jìn)你的生產(chǎn)方式�！�
另一系統(tǒng)
另一個(gè)緊湊型系統(tǒng)——BioMax氣化爐由科羅拉多州恩格爾伍德市社區(qū)電力公司開(kāi)發(fā)。該公司表示，該模塊化裝置具備體形小的優(yōu)勢(shì)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱可置入4個(gè)，且適用于任何一種切碎的生物材料，不論是食物殘?jiān)�、硬紙板還是木片。由此生成的合成氣可代替天然氣，發(fā)揮加熱、冷卻、發(fā)電的功能。一個(gè)典型單元能產(chǎn)生150千瓦的電能，可支持25~50個(gè)家庭或3家超市的電力需求，甚至維持主要醫(yī)院設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在不久的將來(lái)，BioMax裝置將能應(yīng)用于費(fèi)托合成反應(yīng)堆，并也能生產(chǎn)生物柴油。
2011年，社區(qū)電力公司被Afognak公司收購(gòu)。Afognak公司位于阿拉斯加州Afognak島。它們希望在阿拉斯加州和加拿大北部出售該裝置，因?yàn)樵谶@些地區(qū)，電力和運(yùn)輸燃料都非常昂貴。
清潔燃燒
兩步氣化方法最大的賣(mài)點(diǎn)在于，所有合成氣都轉(zhuǎn)化為沒(méi)有雙鍵或環(huán)狀結(jié)構(gòu)的碳?xì)浠衔�，使得生產(chǎn)出的燃料能清潔徹底地燃燒。但這一優(yōu)勢(shì)并未阻礙研究人員尋找單一步驟的可替代方法的腳步。在高溫分解過(guò)程中，生物材料在沒(méi)有氧氣的環(huán)境中被加熱到500攝氏度，之后被直接轉(zhuǎn)化為有機(jī)液體。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，這些液體可以被精煉成燃料�？屏_拉多州博爾德市美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家Mark Nimlos表示，與氣化相比，高溫分解是一個(gè)相對(duì)不成熟的技術(shù)。但這可以視為一個(gè)優(yōu)點(diǎn)�！霸摷夹g(shù)有很大的提升空間�！�
一些公司已經(jīng)開(kāi)始檢驗(yàn)該技術(shù)的商業(yè)可行性。例如，伊利諾伊州德斯普蘭斯市UOP公司——總部位于新澤西州的霍尼韋爾國(guó)際公司的子公司，正在和渥太華市Ensyn技術(shù)公司合作，推廣Ensyn公司的快速高溫處理（RTP）單元。這些公司預(yù)見(jiàn)到，RTP單元可以被安裝在木材廠(chǎng)旁邊，這樣每個(gè)人都可以將廢木材轉(zhuǎn)化為每年7600萬(wàn)公升的熱解油。這些能量足以“溫暖”3.1萬(wàn)個(gè)家庭——如果它們直接被作為民用燃料油使用；它們還可以被精煉成汽油，這樣能給美國(guó)3.5萬(wàn)輛汽車(chē)提供燃料。
綠色燃料北歐公司（芬蘭庫(kù)奧皮奧市一家生物煉制公司）正計(jì)劃在伊薩爾米鎮(zhèn)旁建造至少一個(gè)RTP單元。在這里，該公司處理來(lái)自全芬蘭林木產(chǎn)業(yè)的垃圾。該公司還正與歐洲委員會(huì)合作，研發(fā)一套針對(duì)高溫分解燃料的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。焦油是較難處理的一個(gè)成分，它是長(zhǎng)鏈分子的一種黏性殘?jiān)茈y被提煉。
另一個(gè)是氧氣，很多生物材料都富含氧氣，它易和熱解油發(fā)生反應(yīng)形成能?chē)?yán)重腐蝕煉油設(shè)備的有機(jī)酸。找到更好的方法處理這兩種污染物是研究的主要目標(biāo)。目前，移除氧氣最容易的方法是添加來(lái)自天然氣的氫分子，但這將對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響且提高成本。
對(duì)倫敦綠色天空公司而言，經(jīng)濟(jì)可行性仍是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。但其合作伙伴——Velocys、Solena、英國(guó)航空公司——卻充滿(mǎn)希望。它們沒(méi)有透露設(shè)施的成本，但3家都沒(méi)有將成本視為核心問(wèn)題。英國(guó)航空公司希望該方法能幫助其實(shí)現(xiàn)歐盟強(qiáng)制實(shí)行的碳排放目標(biāo)，與此同時(shí)確保噴氣燃料的穩(wěn)定供應(yīng)（不受價(jià)格波動(dòng)的影響）。Solena和Velocys則希望倫敦綠色天空公司成為全世界第一個(gè)將該設(shè)施應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)的公司。
Hargreaves表示，每一片曠野、森林、垃圾填埋場(chǎng)都是這些設(shè)施的潛在燃料來(lái)源。對(duì)液體燃料的需求永遠(yuǎn)不會(huì)消失。他說(shuō)：“50年以后，我們可能實(shí)現(xiàn)陸路運(yùn)輸完全電氣化。”但飛機(jī)所需的能力密度遠(yuǎn)非電池所能提供。“液體燃料是很難被取代的�！�
