PNNL：更快、更便宜的乙醇燃料即将问世

美国能源部太平洋西北国家实验室（以下缩写为PNNL）正在俄勒冈州立大学的合作伙伴以及兰泽科技（LanzaTech）的碳回收专家的帮助下，推广一项能将来自可再生或工业废气中的酒精转化为喷气或柴油燃料的专利技术。

这两项关键技术可以为节能燃料生产装置提供动力。

一项单步化学转化技术简化了目前的多步过程。这款新型的PNNL专利催化剂可以直接将生物燃料（乙醇）转化为一种通用的“平台”化学物质，即正丁烯。一个微通道反应器设计，可以进一步降低成本，同时提供可扩展的模块化处理系统。

这项新工艺将提供一条更有效的途径，将可再生和废物衍生的乙醇转化为有用的化学品。目前，正丁烯是利用能源密集型的裂解或分解大分子的方式从化石原料中生产而成的。这项新技术通过使用可再生或回收的碳原料来减少二氧化碳的排放。以可持续衍生的正丁烯为研发起点，利用现有工艺进一步提炼这种化学物质，可用于多种商业用途，包括柴油和航空燃料以及工业润滑油。

“生物质能成本高，是一种具有挑战性的可再生能源。此外，生物质的规模推动了对小型、分布式加工厂的需求。我们降低了流程的复杂性，提高了效率，同时降低了资本成本。一旦模块化、规模化的处理被证明，这种方法将为本地化、分布式能源生产提供一个现实的选择。”从项目起始就参入研发的共同主要研究员Vanessa Dagle说。该研发结果已于ACS催化杂志上发表。

微型到大型喷气燃料

为了实现商业化飞跃，PNNL正在与俄勒冈州立大学的长期合作伙伴合作，将专利化学转换过程集成到应用新开发的3D打印技术建造的微通道反应器中。3D打印也被称为增材制造，能够帮助研究团队创建一个褶皱蜂窝状的微型反应器，大大提高反应的有效表面积与体积比。

俄勒冈州立大学首席研究员Brian Paul说：“使用新的多材料增材制造技术，将微通道的制造与高表面积催化剂载体整合到一个工艺步骤中，就有可能显著降低这些反应器的成本。我们很高兴能与PNNL和LanzaTech公司在这方面合作。”

该研究的联合首席研究员Robert Dagle说：“鉴于微通道制造方法的出现以及相关成本的降低，我们认为，现在已经到了将该技术用于新的商业生物转化应用的时候了。”

微通道技术使得在生产大部分生物质的农业中心附近建造商业规模的生物反应器成为可能。将生物质能应用为燃料的一个最大障碍，就是长距离运输，需要将其长途运送到大型、集中的生产厂中。

“模块化设计减少了部署一个反应堆所需的时间和风险，”Robert Dagle说。“可以随需求增长而逐渐增加模块。我们将这称为逐级增加。”

四分之一的商业级试验反应堆都将应用与俄勒冈州立大学合作开发的方法，通过3D打印生产，并将在PNNL位于华盛顿州里奇兰的校区内运行。

一旦测试反应堆完成，PNNL的商业合作伙伴LanzaTech公司将提供乙醇，作为该流程的原料。LanzaTech的专利技术能够将钢铁制造、炼油和化工生产等行业产生的富含碳的废物和残留物，以及林业和农业残留物和城市垃圾气化产生的气体，转化为乙醇。

试验反应堆每天将消耗相当于半吨干生物质能的乙醇。LanzaTech已经扩大了第一代乙醇喷气燃料生产技术的规模，并成立了一家新公司LanzaJet，以实现LanzaJet™酒精喷气燃料的商业化。目前的项目代表了精简该工艺的下一步，同时从正丁烯中获得额外的产品流。

LanzaTech首席执行官Jennifer Holmgren表示:“PNNL一直是我们开发乙醇喷射技术的强有力的合作伙伴。LanzaTech的分公司LanzaJet正在多个正在开发的工厂中使用该技术。乙醇可以来自多种可持续的来源，因此成为越来越重要的可持续航空燃料的原材料。该项目显示了替代反应堆技术的巨大前景，可为航空业脱碳的这一关键途径带来好处。”

一个可调流程

自早期试验以来，该团队一直在不断完善这一流程。当乙醇通过二氧化硅上的固体氧化锆银基催化剂时，会进行必要的化学反应，将乙醇转化为正丁烯，或者在对反应条件进行一些修改后转化为丁二烯。

但更重要的是，该催化剂经过长时间的研究后仍能保持稳定。在后续研究中，研究小组发现：如果催化剂失去活性，可以通过一个简单程序去除焦炭——一种随着时间推移会堆积起来的硬碳基涂层，将该催化剂再生。一种更高效、更新的催化剂配方将用于扩大生产规模。

Vanessa Dagle说:“我们发现了这种催化系统概念具有高度活性、选择性和稳定性。通过调整压力和其他变量，我们还可以调整系统来生成丁二烯，它是合成塑料或橡胶的基石；也可以生成正丁烯，它适用于制造喷气燃料或合成润滑剂等产品。自我们取得最初的研发成果以来，也有其他研究机构介入探索这个新流程了。”