微藻不起眼 固碳立大功
世界著名的《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志曾撰文表示,盡管能源公司對(duì)“碳捕捉和封存”技術(shù)有著很高的期望,但有兩個(gè)問(wèn)題尚未解決:一是價(jià)格昂貴;二是沒(méi)有人知道這項(xiàng)技術(shù)是不是真的那么管用;蛘哒f(shuō),深埋的二氧化碳會(huì)不會(huì)泄漏。
中國(guó)華能集團(tuán)公司科技部長(zhǎng)蔣敏華也曾表示,按目前的技術(shù)計(jì)算,碳捕捉成本約在200元人民幣/噸,而實(shí)際處理加工至進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用的程度,每噸還需增加150元投入。
近日,山東科技大學(xué)針對(duì)工業(yè)的集中排放,研制了一種塔式立體養(yǎng)殖反應(yīng)器,實(shí)現(xiàn)微藻生物固碳,并且利用副產(chǎn)微藻連續(xù)濕式生產(chǎn)生物原油的技術(shù),為碳捕捉以及捕捉后的碳處置尋找出一個(gè)切實(shí)可行的辦法。這項(xiàng)技術(shù)利用電廠煙道氣作為二氧化碳供給來(lái)源,在塔式立體養(yǎng)殖反應(yīng)器中連續(xù)培養(yǎng)微藻,達(dá)到二氧化碳的固定和微藻的生產(chǎn),再把成熟微藻引入生物原油制取裝置,從而實(shí)現(xiàn)微藻制油的工業(yè)化生產(chǎn)。
為此,記者就這項(xiàng)技術(shù)的成本以及未來(lái)發(fā)展等相關(guān)問(wèn)題采訪了課題組導(dǎo)師山東科技大學(xué)教授田原宇。
微藻固碳產(chǎn)油緣何成為熱門(mén)領(lǐng)域?
田原宇表示,現(xiàn)在被認(rèn)為有效的二氧化碳捕集、封存方法,如海底封存、廢棄煤礦封存、油田封存等,都存在成本高、難操作和可能引起其他環(huán)境災(zāi)難的問(wèn)題。而生物法固定二氧化碳是地球上主要的、有效的固碳方式。
與此同時(shí),能源緊缺是全球性問(wèn)題,發(fā)展低碳排放的可再生能源和生物質(zhì)能源,是解決能源緊缺的重要出路。如果能用二氧化碳生產(chǎn)生物質(zhì)油,將二氧化碳化害為利、變廢為寶,一舉數(shù)得,何樂(lè)而不為?
“微藻種類繁多,適應(yīng)性強(qiáng)并且產(chǎn)油效率高。”田原宇一語(yǔ)道破天機(jī)。藻類的種類繁多,目前已知有3萬(wàn)種左右,而藻類的生活習(xí)性是多種多樣的,對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性也很強(qiáng),地球上幾乎到處都有藻類的存在;而在一年的生長(zhǎng)期內(nèi),一公頃玉米能產(chǎn)172升生物質(zhì)燃油,一公頃大豆能產(chǎn)446升,一公頃油菜籽能產(chǎn)1190升,一公頃棕櫚樹(shù)能產(chǎn)5950升,而一公頃微藻能產(chǎn)9.5萬(wàn)升。
需要注意的是,地球上的光合作用90%是由藻類進(jìn)行的。微藻能夠有效地利用太陽(yáng)能,通過(guò)光合作用固定二氧化碳,將無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為氫、高不飽和烷烴、油脂等能源物質(zhì);而且微藻生物能源可以再生,燃燒后不排放有毒有害物質(zhì),對(duì)大氣二氧化碳沒(méi)有凈增加。
微藻是如何產(chǎn)油的?
田原宇介紹說(shuō),塔器是石油化工常用的設(shè)備,是氣相和液相或液相和液相間物質(zhì)傳遞的設(shè)備。課題組研制的塔式立體養(yǎng)殖微藻固定二氧化碳技術(shù),主體設(shè)備是一種適合微藻生長(zhǎng)的塔式立體培養(yǎng)器,將含有二氧化碳的電廠煙氣從塔底分段進(jìn)氣、逐級(jí)溶碳脫氧、分段外排;而含有藻種的養(yǎng)殖液體從塔頂逐級(jí)流到塔底,通過(guò)光合作用完成微藻的一個(gè)生長(zhǎng)周期;塔底微藻與養(yǎng)殖液分離,大部分藻液外排分離微藻和養(yǎng)殖液,小部分藻液作為藻種,回收的養(yǎng)殖液在補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)后,用養(yǎng)殖液泵送回塔頂進(jìn)行再次循環(huán),通過(guò)微藻連續(xù)養(yǎng)殖和二氧化碳減排偶聯(lián),最終實(shí)現(xiàn)二氧化碳的固定和資源化利用。這個(gè)過(guò)程采用分級(jí)進(jìn)氣的塔式反應(yīng)器和液體高停留時(shí)間塔板,還包括分離裝置、泵系統(tǒng)、高壓裂解裝置、加熱爐等設(shè)備,整個(gè)生產(chǎn)設(shè)施立體布置,占地面積小,有助于溶碳脫氧,并且對(duì)藻體的剪切作用較小,動(dòng)力消耗也不大,解決了溶氧積累問(wèn)題,易于放大和大規(guī)模化生產(chǎn)。這項(xiàng)技術(shù)的配套設(shè)備比較簡(jiǎn)單、投資也不大,微藻高壓濕式法生產(chǎn)液體燃料所需的處理和加工成本低,微藻轉(zhuǎn)化所得生物質(zhì)燃油熱值高,平均高達(dá)33MJ/kg,是木材或農(nóng)作物秸稈的1.5倍。
微藻固碳產(chǎn)油經(jīng)濟(jì)效益如何?
以60萬(wàn)千瓦燃煤發(fā)電廠為例,年排放二氧化碳260萬(wàn)噸,利用這項(xiàng)技術(shù),二氧化碳的捕集封存率為75%,微藻轉(zhuǎn)化率是30%,微藻液化油的收率也是30%,估算二氧化碳處理綜合成本小于200元/噸。捕集二氧化碳:260×75%=195萬(wàn)噸;轉(zhuǎn)化微藻:195×30%=58.5萬(wàn)噸;生產(chǎn)微藻液化油:58.5×30%=17.55萬(wàn)噸;產(chǎn)值:17.55×0.25=4.39億元(油價(jià):2500元/噸);成本:195×0.02=3.9億元;毛利:4.39-3.9=0.49億元。
“就這個(gè)項(xiàng)目而言,在封存和利用二氧化碳的同時(shí),還能產(chǎn)生97.5萬(wàn)噸的氧氣;另外,如果能把這個(gè)項(xiàng)目減排的二氧化碳納入清潔發(fā)展機(jī)制(CDM),還能獲得額外收益。”田原宇對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益非?春谩
然而,這項(xiàng)技術(shù)在工業(yè)化后,不可能利用太陽(yáng)光。因此,電就成了這項(xiàng)技術(shù)最重要的消耗品。面對(duì)這個(gè)問(wèn)題,田原宇解釋道,戶外養(yǎng)殖可以利用自然光,但是,很難找到足夠大空間實(shí)現(xiàn)工業(yè)化戶外養(yǎng)殖微藻。因此,工業(yè)化的生物固碳技術(shù)必須使用人工光源,解決的途徑,除了選用高效率的LED光源系統(tǒng),只能是提高微藻培養(yǎng)密度和生長(zhǎng)速度,相對(duì)降低能耗和相應(yīng)提高減排效果。
塔式生物固碳技術(shù)有什么難點(diǎn)?
“一項(xiàng)技術(shù)總是會(huì)有些局限性。”田原宇說(shuō),目前,這項(xiàng)技術(shù)最大的難點(diǎn)是選擇高固碳的減排藻種,如果不能很好地解決藻種問(wèn)題,就不能保證二氧化碳的轉(zhuǎn)化和利用。課題組原來(lái)使用36小時(shí)繁殖一代的微藻,現(xiàn)在與中國(guó)海洋大學(xué)茅云翔教授合作,篩選到10多個(gè)小時(shí)繁殖一代的減排藻種。未來(lái),通過(guò)篩選和基因工程還有進(jìn)一步縮短的可能。
微藻大致分兩種。一種是發(fā)展生物柴油產(chǎn)業(yè)為目的的產(chǎn)油微藻。篩選的3+1標(biāo)準(zhǔn)是:快速生長(zhǎng);適應(yīng)多種極端或脅迫生理?xiàng)l件(耐鹽堿、光溫脅迫、光氧化脅迫、營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)脅迫);含油量≥60%;具有高值化綜合利用的潛力。
作為以二氧化碳減排為目的微藻,追求的是最大量地將二氧化碳生物固定,副產(chǎn)生物質(zhì)能,應(yīng)該適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)二氧化碳排放的連續(xù)化生物固碳。適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)排放的二氧化碳減排。因此,減排“藻種”篩選的4+1標(biāo)準(zhǔn):快速生長(zhǎng);適應(yīng)高濃度二氧化碳與煙氣處理極端條件(高溫、酸性、二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫);抗高堿性(最適pH8-13);高密度培養(yǎng);抗聚結(jié)。
目前,課題組已經(jīng)和合作伙伴找到了能夠快速生長(zhǎng)的固碳藻種。這種藻的長(zhǎng)徑比比較小,容易培養(yǎng),經(jīng)過(guò)20層塔板就能成熟;生長(zhǎng)快,得到的生物量大,利用后的溫室氣體減排量大。
另外,這項(xiàng)技術(shù)還有一個(gè)缺點(diǎn),微藻對(duì)環(huán)境有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的適應(yīng)能力,在高濃度二氧化碳的環(huán)境中,反而不能正常生長(zhǎng)。如果把高濃度的二氧化碳稀釋到可以利用的程度,經(jīng)濟(jì)上又會(huì)不合算。田原宇希望未來(lái)能和其他科研院所、高校和企業(yè)聯(lián)合,共同推進(jìn)工業(yè)化微藻生物固碳技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用。
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