秸稈“煉油”，為航空減排添綠能 東大教授團隊探索全新生物質(zhì)航油提煉技術(shù)路線(xiàn)

這段時(shí)間，東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院首席教授馬隆龍有點(diǎn)忙。記者見(jiàn)到馬隆龍教授時(shí)，他和江蘇一家企業(yè)負責人的商談剛結束。“我們研發(fā)的可持續生物航油目前正進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化推廣階段，計劃在今年底前搭建一個(gè)年產(chǎn)萬(wàn)噸的生產(chǎn)線(xiàn)。從去年底到現在，已經(jīng)有近10家企業(yè)有明確意向與我們合作。”

做研究、看場(chǎng)地、談合作，馬隆龍忙得不可開(kāi)交，卻又甘之如飴。細細算來(lái)，從農業(yè)廢棄物秸稈中提煉可持續生物航油，這項領(lǐng)跑全球的新技術(shù)從實(shí)驗室到工業(yè)生產(chǎn)，團隊已整整努力了15年。

碳稅壓頂發(fā)展生物質(zhì)航油箭在弦上

隨著(zhù)環(huán)保和可持續發(fā)展觀(guān)念的深入人心，傳統化石燃料面臨替代壓力，生物航油作為可持續的替代能源受到各國關(guān)注。2016年，國際民航組織通過(guò)了國際航空碳抵消和減排計劃(CORSIA)。根據國家航空減排市場(chǎng)機制決議，2020年后各航空公司的國際航線(xiàn)碳排放增量，需通過(guò)購買(mǎi)碳配額等方式進(jìn)行抵消。有機構分析指出，遵照此決議，到2035年，中國國內航空公司碳交易總支出或將高達210億元人民幣。“生物質(zhì)航油的替代使用是目前能在民航業(yè)大幅度實(shí)現減排從而避免巨額航空碳稅的唯一措施。”馬隆龍說(shuō)。

什么是生物質(zhì)?“從學(xué)術(shù)角度來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)是指通過(guò)光合作用形成的各種有機體，其涵蓋的種類(lèi)非常多，例如農作物廢棄物、木材廢棄物和禽畜糞便等。而我們團隊所聚焦的主要是木質(zhì)纖維素，比如秸稈、草、樹(shù)枝等。”馬隆龍告訴記者，生物質(zhì)燃料作為一種供熱來(lái)源，與石油燃料一樣，主要用于電力、供熱和運輸三大領(lǐng)域。由于生物質(zhì)可以作為廢棄物被循環(huán)利用，因此生物質(zhì)制取能源、化學(xué)品、材料產(chǎn)品，具有零碳和負碳屬性。

“地面交通和航運的能源可以利用電和氫氣，但在航空領(lǐng)域，目前還沒(méi)有能和燃油系統相提并論的動(dòng)力系統。”馬隆龍解釋?zhuān)褂蒙镔|(zhì)航油的優(yōu)點(diǎn)在于不需要對飛機及發(fā)動(dòng)機進(jìn)行改裝，因此這也是航空領(lǐng)域碳減排的最佳選擇。然而，生物質(zhì)原料結構復雜、密度低，這些屬性導致生物質(zhì)利用難度較大。

從無(wú)到有“秸稈煉油”新路徑取得突破

“傳統的生物質(zhì)燃料發(fā)展基本都遇到兩個(gè)瓶頸，一是原料限制，二是終端產(chǎn)品使用性問(wèn)題。”在馬隆龍團隊之前，行業(yè)中已有人嘗試從動(dòng)物或植物油脂中提煉生物航油，但“油脂煉油”這一路徑發(fā)展得并不順利。“棕櫚油、地溝油、小桐子油等，因為產(chǎn)量有限，做生物燃料根本劃不來(lái)。”

能否改用我國年產(chǎn)量超7億噸的秸稈替代?這個(gè)念頭縈繞在馬隆龍腦中。然而，在此之前國際上也均是以油煉油，秸稈煉油領(lǐng)域還是空白。“最初我們做過(guò)燃燒、汽化以及對生物質(zhì)大分子的降解處理。但在這個(gè)過(guò)程中，從熱解角度來(lái)看，原料一部分變成氣，一部分變成黑乎乎的油，這都不是我們想要的結果。”

經(jīng)過(guò)不斷實(shí)驗分析，團隊利用溶劑法開(kāi)發(fā)出了逐級分離半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的三素分離技術(shù)，進(jìn)而利用這三個(gè)組分的不同結構差異，探索出一條全新的航油提煉技術(shù)路線(xiàn)。在這一路線(xiàn)中，纖維素水解后的產(chǎn)物乙酰丙酸和半纖維素汽提后得到的糠醛，可以縮合并煉制成可持續生物航油，而糠醛與木質(zhì)素一樣，又分別可以作為不同特種燃料的原料。

“這是反應釜，這是固定床……”在研發(fā)實(shí)驗室中，馬隆龍向記者展示了一套試驗用的小型裝置。由于實(shí)驗室空間有限，所以團隊將每個(gè)反應步驟拆分開(kāi)來(lái)。“等到工廠(chǎng)建成，煉油過(guò)程將會(huì )是一體化操作，一氣呵成。”馬隆龍表示，使用三素分離技術(shù)提煉生物航油碳利用率很高，一套流程下來(lái)浪費的原料很少。“這條技術(shù)路線(xiàn)所產(chǎn)出的油品組分更接近于石油基航油，具有與石化航油近乎相同的理化性質(zhì)。此外，這項技術(shù)的直接成本僅有目前流行的動(dòng)植物油脂生物燃油的40%。”秸稈煉油新路徑具有完全自主知識產(chǎn)權，其提煉出的航油已通過(guò)中國民航局測試檢測。此外，航油各項關(guān)鍵指標均符合美國ASTM-D7566標準。國際航空運輸協(xié)會(huì )稱(chēng)此項航空燃料技術(shù)具有很強的可持續性，有助于減少溫室氣體排放，對可持續航空燃料的商業(yè)化起到很大的促進(jìn)作用。

步履不停綠色航油新時(shí)代曙光在前

2017年，百?lài)嵓壣锖接椭性図椖吭谶|寧營(yíng)口順利開(kāi)車(chē)運行。馬隆龍坦言，中試是推動(dòng)科研成果從實(shí)驗室走向生產(chǎn)線(xiàn)的關(guān)鍵，而在這期間，建百?lài)嵓壯b置是最難的部分，“從開(kāi)建到真正出油差不多耗費了一年時(shí)間”。實(shí)驗室小規模試驗很容易掌控，但真正放大到工業(yè)裝置上，工藝、參數、溫度條件等全都變了，幾乎所有的工藝都需要微調，需要不斷去嘗試。“那時(shí)我們原本采用貴金屬鉑作為催化劑，但考慮到成本問(wèn)題，我們又重新回到實(shí)驗室測試，最終改用更便宜的鎳。”

馬隆龍說(shuō)，百?lài)嵓壷性囇b置目前仍在使用中，但想要最終市場(chǎng)化還得繼續擴大產(chǎn)量，團隊的目標是獲得適航認證。“只有拿到適航認證的航油才能在國際上進(jìn)行銷(xiāo)售，而這一認證過(guò)程非常嚴格，它對油品的生產(chǎn)工藝、安全性、年產(chǎn)量等都有嚴格的要求。”馬隆龍表示，如果今年年產(chǎn)量萬(wàn)噸級的生產(chǎn)線(xiàn)可以順利產(chǎn)油，那么適航認證評測指標中的年產(chǎn)量這一項應該可以達標。

業(yè)內人士預測，我國2030年航空煤油消費量將達6000萬(wàn)噸，若按10%比例摻混可持續生物航油，則可持續生物航油需求量為600萬(wàn)噸，產(chǎn)值可達1200億元，市場(chǎng)前景廣闊。“可持續生物航油的新紀元即將到來(lái)，我們期待它能夠成為推動(dòng)全球航空業(yè)可持續發(fā)展的重要力量。”馬隆龍透露，團隊眼下仍在進(jìn)行工藝和技術(shù)改進(jìn)。過(guò)去使用10噸秸稈可以制作約1噸油，更換了更合適的中間體后，目前不到8噸秸稈就可以提煉約1噸油，并可聯(lián)產(chǎn)高純木質(zhì)素。