一種不污染的化石燃料技術(shù)

俄亥俄州立大學(xué)的工程師們正在開(kāi)發(fā)能夠?qū)⒒剂虾蜕镔|(zhì)經(jīng)濟(jì)地轉(zhuǎn)化為有用產(chǎn)品(包括電力)而不向大氣排放二氧化碳的技術(shù)。

在能源與環(huán)境科學(xué)雜志上發(fā)表的兩篇論文的第一篇中，工程師們報(bào)告說(shuō)，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種將頁(yè)巖氣轉(zhuǎn)化為甲醇和汽油等產(chǎn)品的工藝，同時(shí)消耗二氧化碳。該方法也可以應(yīng)用于煤和生物質(zhì)以生產(chǎn)有用的產(chǎn)品。

在某些條件下，該技術(shù)消耗其產(chǎn)生的所有二氧化碳以及來(lái)自外部來(lái)源的額外二氧化碳。

在第二篇論文中，他們報(bào)告說(shuō)他們已經(jīng)找到了一種方法，可以大大延長(zhǎng)顆粒的壽命，使化學(xué)反應(yīng)能夠在一段時(shí)間內(nèi)將煤或其他燃料轉(zhuǎn)化為電能和有用的產(chǎn)品，這對(duì)商業(yè)運(yùn)作非常有用。

最后，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并獲得專(zhuān)利的方式，有可能降低生產(chǎn)稱(chēng)為合成氣或“合成氣”的燃?xì)獾馁Y本成本，比傳統(tǒng)技術(shù)低約50%。

這種被稱(chēng)為化學(xué)循環(huán)的技術(shù)在高壓反應(yīng)堆中使用金屬氧化物顆粒來(lái)“燃燒” 化石燃料和生物質(zhì)，而不會(huì)在空氣中存在氧氣。金屬氧化物為反應(yīng)提供氧氣。

工程師說(shuō)，化學(xué)循環(huán)能夠作為一種權(quán)宜之計(jì)，可以提供清潔電力，直到太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源變得廣泛可用且價(jià)格合理。

“可再生能源是未來(lái)，”負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作的杰出大學(xué)化學(xué)與生物分子工程教授范施施說(shuō)。“我們需要一座橋梁，讓我們能夠創(chuàng)造清潔能源，直到我們到達(dá)那里 - 我們可以在未來(lái)30年或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)使用這些能源，而風(fēng)能和太陽(yáng)能成為主流技術(shù)。”

五年前，F(xiàn)an和他的研究團(tuán)隊(duì)展示了一種稱(chēng)為煤 - 直接化學(xué)循環(huán)(CDCL)燃燒的技術(shù)，在這種技術(shù)中，他們能夠從煤中釋放能量，同時(shí)捕獲99%以上的二氧化碳，從而阻止其排放到煤中。環(huán)境。CDCL的關(guān)鍵進(jìn)步是氧化鐵顆粒的形式，其為移動(dòng)床反應(yīng)器中的化學(xué)燃燒提供氧氣。燃燒后，顆粒從空氣中回收氧氣，循環(huán)再次開(kāi)始。

俄亥俄州立大學(xué)化學(xué)和生物分子工程研究助理教授安德魯·湯說(shuō)，現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是如何防止顆粒磨損。

雖然五年前CDCL的顆粒持續(xù)了100個(gè)循環(huán)超過(guò)八天的連續(xù)操作，但工程師們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新的配方，可以持續(xù)超過(guò)3,000次循環(huán)，或者在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中連續(xù)使用超過(guò)8個(gè)月。在副駕駛員和試驗(yàn)工廠(chǎng)也測(cè)試了類(lèi)似的配方。

“顆粒本身就是一個(gè)容器，它在這個(gè)過(guò)程中來(lái)回?cái)y帶氧氣，它最終會(huì)分崩離析。就像在高速公路上運(yùn)輸貨物的卡車(chē)一樣，最終它會(huì)經(jīng)歷一些磨損。我們說(shuō)我們?cè)O(shè)計(jì)了一種顆粒，可以在實(shí)驗(yàn)室中完成3000次旅行并保持其完整性，“Tong說(shuō)。

他補(bǔ)充說(shuō)，這是氧氣載體有史以來(lái)最長(zhǎng)的壽命。下一步是在綜合燃煤化學(xué)循環(huán)過(guò)程中測(cè)試載體。

另一項(xiàng)進(jìn)步涉及工程師開(kāi)發(fā)用于生產(chǎn)合成氣的化學(xué)循環(huán)，這反過(guò)來(lái)又為許多其他有用的產(chǎn)品提供了構(gòu)件，包括氨，塑料甚至碳纖維。

這就是技術(shù)真正變得有趣的地方：它提供了二氧化碳作為生產(chǎn)有用的日常產(chǎn)品的原材料的潛在工業(yè)用途。

今天，當(dāng)從發(fā)電廠(chǎng)廢氣中洗去二氧化碳時(shí)，它將被埋藏以防止其作為溫室氣體進(jìn)入大氣。在這種新的情景中，一些洗過(guò)的二氧化碳不需要埋沒(méi); 它可以轉(zhuǎn)換成有用的產(chǎn)品。

范說(shuō)，這些進(jìn)步使俄亥俄州立大學(xué)的化學(xué)循環(huán)技術(shù)更接近商業(yè)化。

他稱(chēng)最近的進(jìn)展是“重大而令人興奮的”，他們已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間了。真正的科學(xué)創(chuàng)新并不常見(jiàn)，當(dāng)它們真的發(fā)生時(shí)，它們并不是突然的。它們通常是幾十年來(lái)共同努力的結(jié)果 - 或者在Fan的案例中，是俄亥俄州立大學(xué)40年研究的結(jié)果。在一段時(shí)間里，他的工作得到了美國(guó)能源部和俄亥俄州發(fā)展服務(wù)局的支持。

“這是我一生的工作，”范說(shuō)。

他的第一篇論文的共同作者包括博士后研究員Mandar Kathe; 本科研究人員Abbey Empfield，Peter Sandvik，Charles Fryer和Elena Blair; 和博士生張一濤。第二篇論文的共同作者包括博士生Cheng Chung，博士后研究員Lang Qin和碩士生Vedant Shah。壓力調(diào)節(jié)裝配工作的合作者包括Tong，Kathe和高級(jí)研究員王大偉。

該大學(xué)希望與業(yè)界合作，進(jìn)一步發(fā)展該技術(shù)。

林德集團(tuán)是氫氣和合成氣供應(yīng)和工廠(chǎng)的供應(yīng)商，已經(jīng)開(kāi)始與該團(tuán)隊(duì)合作。林德集團(tuán)技術(shù)與創(chuàng)新研發(fā)部門(mén)負(fù)責(zé)人Andreas Rupieper表示，能夠在氫生產(chǎn)工廠(chǎng)中捕獲二氧化碳并將其用于下游以便以具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本生產(chǎn)產(chǎn)品“能夠彌合向脫碳?xì)渖a(chǎn)未來(lái)的過(guò)渡。” 他補(bǔ)充說(shuō)，“林德認(rèn)為俄亥俄州的氫生產(chǎn)化學(xué)循環(huán)平臺(tái)技術(shù)是其新建工廠(chǎng)的潛在替代技術(shù)”。

為電力市場(chǎng)生產(chǎn)清潔能源技術(shù)的Babcock&Wilcox公司(B&W)過(guò)去十年來(lái)一直與俄亥俄州立大學(xué)合作開(kāi)發(fā)CDCL技術(shù) - 一種先進(jìn)的氧氣燃燒技術(shù)，用于煤炭發(fā)電零碳排放。B&W技術(shù)研究員David Kraft表示：“CDCL工藝是迄今為止我們審查過(guò)的最先進(jìn)，最具成本效益的碳捕獲方法，并致力于通過(guò)大規(guī)模的試驗(yàn)工廠(chǎng)設(shè)計(jì)和可行性研究來(lái)支持其商業(yè)可行性。與俄亥俄州立大學(xué)合作開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的持續(xù)成功，B&W認(rèn)為CDCL有可能改變電力和石化行業(yè)。“