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秸秆“炼油”,为航空减排添绿能 东大教授团队探索全新生物质航油提炼技术路线

发布时间: 2024-04-17
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  这段时间,东南大学能源与环境学院首席教授马隆龙有点忙。记者见到马隆龙教授时,他和江苏一家企业负责人的商谈刚结束。“我们研发的可持续生物航油目前正进入产业化推广阶段,计划在今年底前搭建一个年产万吨的生产线。从去年底到现在,已经有近10家企业有明确意向与我们合作。”

  做研究、看场地、谈合作,马隆龙忙得不可开交,却又甘之如饴。细细算来,从农业废弃物秸秆中提炼可持续生物航油,这项领跑全球的新技术从实验室到工业生产,团队已整整努力了15年。

  碳税压顶

  发展生物质航油箭在弦上

  随着环保和可持续发展观念的深入人心,传统化石燃料面临替代压力,生物航油作为可持续的替代能源受到各国关注。2016年,国际民航组织通过了国际航空碳抵消和减排计划(CORSIA)。根据国家航空减排市场机制决议,2020年后各航空公司的国际航线碳排放增量,需通过购买碳配额等方式进行抵消。有机构分析指出,遵照此决议,到2035年,中国国内航空公司碳交易总支出或将高达210亿元人民币。“生物质航油的替代使用是目前能在民航业大幅度实现减排从而避免巨额航空碳税的唯一措施。”马隆龙说。

  什么是生物质?“从学术角度来说,生物质是指通过光合作用形成的各种有机体,其涵盖的种类非常多,例如农作物废弃物、木材废弃物和禽畜粪便等。而我们团队所聚焦的主要是木质纤维素,比如秸秆、草、树枝等。”马隆龙告诉记者,生物质燃料作为一种供热来源,与石油燃料一样,主要用于电力、供热和运输三大领域。由于生物质可以作为废弃物被循环利用,因此生物质制取能源、化学品、材料产品,具有零碳和负碳属性。

  “地面交通和航运的能源可以利用电和氢气,但在航空领域,目前还没有能和燃油系统相提并论的动力系统。”马隆龙解释,使用生物质航油的优点在于不需要对飞机及发动机进行改装,因此这也是航空领域碳减排的最佳选择。然而,生物质原料结构复杂、密度低,这些属性导致生物质利用难度较大。

  从无到有

  “秸秆炼油”新路径取得突破

  “传统的生物质燃料发展基本都遇到两个瓶颈,一是原料限制,二是终端产品使用性问题。”在马隆龙团队之前,行业中已有人尝试从动物或植物油脂中提炼生物航油,但“油脂炼油”这一路径发展得并不顺利。“棕榈油、地沟油、小桐子油等,因为产量有限,做生物燃料根本划不来。”

  能否改用我国年产量超7亿吨的秸秆替代?这个念头萦绕在马隆龙脑中。然而,在此之前国际上也均是以油炼油,秸秆炼油领域还是空白。“最初我们做过燃烧、汽化以及对生物质大分子的降解处理。但在这个过程中,从热解角度来看,原料一部分变成气,一部分变成黑乎乎的油,这都不是我们想要的结果。”

  经过不断实验分析,团队利用溶剂法开发出了逐级分离半纤维素、纤维素和木质素的三素分离技术,进而利用这三个组分的不同结构差异,探索出一条全新的航油提炼技术路线。在这一路线中,纤维素水解后的产物乙酰丙酸和半纤维素汽提后得到的糠醛,可以缩合并炼制成可持续生物航油,而糠醛与木质素一样,又分别可以作为不同特种燃料的原料。

  “这是反应釜,这是固定床……”在研发实验室中,马隆龙向记者展示了一套试验用的小型装置。由于实验室空间有限,所以团队将每个反应步骤拆分开来。“等到工厂建成,炼油过程将会是一体化操作,一气呵成。”马隆龙表示,使用三素分离技术提炼生物航油碳利用率很高,一套流程下来浪费的原料很少。“这条技术路线所产出的油品组分更接近于石油基航油,具有与石化航油近乎相同的理化性质。此外,这项技术的直接成本仅有目前流行的动植物油脂生物燃油的40%。”秸秆炼油新路径具有完全自主知识产权,其提炼出的航油已通过中国民航局测试检测。此外,航油各项关键指标均符合美国ASTM-D7566标准。国际航空运输协会称此项航空燃料技术具有很强的可持续性,有助于减少温室气体排放,对可持续航空燃料的商业化起到很大的促进作用。

  步履不停

  绿色航油新时代曙光在前

  2017年,百吨级生物航油中试项目在辽宁营口顺利开车运行。马隆龙坦言,中试是推动科研成果从实验室走向生产线的关键,而在这期间,建百吨级装置是最难的部分,“从开建到真正出油差不多耗费了一年时间”。实验室小规模试验很容易掌控,但真正放大到工业装置上,工艺、参数、温度条件等全都变了,几乎所有的工艺都需要微调,需要不断去尝试。“那时我们原本采用贵金属铂作为催化剂,但考虑到成本问题,我们又重新回到实验室测试,最终改用更便宜的镍。”

  马隆龙说,百吨级中试装置目前仍在使用中,但想要最终市场化还得继续扩大产量,团队的目标是获得适航认证。“只有拿到适航认证的航油才能在国际上进行销售,而这一认证过程非常严格,它对油品的生产工艺、安全性、年产量等都有严格的要求。”马隆龙表示,如果今年年产量万吨级的生产线可以顺利产油,那么适航认证评测指标中的年产量这一项应该可以达标。

  业内人士预测,我国2030年航空煤油消费量将达6000万吨,若按10%比例掺混可持续生物航油,则可持续生物航油需求量为600万吨,产值可达1200亿元,市场前景广阔。“可持续生物航油的新纪元即将到来,我们期待它能够成为推动全球航空业可持续发展的重要力量。”马隆龙透露,团队眼下仍在进行工艺和技术改进。过去使用10吨秸秆可以制作约1吨油,更换了更合适的中间体后,目前不到8吨秸秆就可以提炼约1吨油,并可联产高纯木质素。

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