更快、更便宜的乙醇制喷气燃料即将出现

在俄勒冈州立大学的合作伙伴和 LanzaTech 的碳回收专家的帮助下，美国能源部太平洋西北国家实验室正在扩大一项将源自可再生或工业废气的酒精转化为喷气燃料或柴油燃料的专利工艺。

两项关键技术为节能燃料生产装置提供动力。

单步化学转化简化了目前的多步过程。新的 PNNL 专利催化剂将生物燃料(乙醇)直接转化为称为正丁烯的多功能“平台”化学品。微通道反应器设计进一步降低成本，同时提供可扩展的模块化处理系统。

新工艺将为将可再生和废物衍生的乙醇转化为有用的化学品提供更有效的途径。目前，正丁烯是由化石原料通过大分子的能量密集型裂解或分解来生产的。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起点，现有工艺可以进一步提炼该化学品以用于多种商业用途，包括柴油和喷气燃料以及工业润滑油。

观看 PNNL 专利催化剂如何与独特的微通道反应器相结合，将乙醇转化为具有多种商业用途的有用化学品，包括喷气燃料。(Eric Francavilla 的视频;Mike Perkins 的动画 | 太平洋西北国家实验室)

“生物质是一种具有挑战性的可再生能源，因为它的成本很高。此外，生物质的规模推动了对小型分布式加工厂的需求，”最初研究的联合首席研究员 Vanessa Dagle 说，该研究发表在ACS催化杂志。“我们降低了流程的复杂性并提高了效率，同时降低了资本成本。一旦模块化、规模化处理得到证明，这种方法就为本地化、分布式能源生产提供了一个现实的选择。”

微观到宏观的喷气燃料

在实现商业化的飞跃中，PNNL 正与俄勒冈州立大学的长期合作者合作，将获得专利的化学转化工艺整合到使用新开发的 3D 打印技术建造的微通道反应器中。也称为增材制造，3D 打印使研究团队能够创建一个由微型反应器组成的褶皱蜂窝，从而大大提高了反应可用的有效表面积与体积比。

“在一个工艺步骤中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结合起来的能力，有可能显着降低这些反应器的成本，”俄勒冈州立大学首席研究员布赖恩保罗说.“我们很高兴能在这方面与 PNNL 和 LanzaTech 合作。”

“由于微通道制造方法的最新进展和相关成本的降低，我们认为现在是时候将这项技术应用于新的商业生物转化应用了，”该研究的联合首席研究员 Robert Dagle 说。

微通道技术将允许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。使用生物质作为燃料的最大障碍之一是需要将其长距离运输到大型集中生产工厂。

“模块化设计减少了部署反应堆所需的时间和风险，”Robert Dagle 说。“随着需求的增长，模块可能会随着时间的推移而增加。我们称之为扩大规模。”

四分之一的商业规模测试反应堆将使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 华盛顿州里奇兰校区运行。

一旦测试反应器完成，PNNL 商业合作伙伴 LanzaTech 将提供乙醇来供应该过程。LanzaTech 的专利工艺将钢铁制造、炼油和化工生产等行业产生的富含碳的废物和残渣，以及林业和农业残渣和城市垃圾气化产生的气体转化为乙醇。

测试反应器每天将消耗相当于高达二分之一干吨生物质的乙醇。LanzaTech 已经扩大了用于从乙醇生产喷气燃料的第一代 PNNL 技术，并成立了一家名为 LanzaJet 的新公司，将 LanzaJet™ 酒精转喷气机商业化。目前的项目代表了简化该过程的下一步，同时提供来自正丁烯的额外产品流。

LanzaTech 首席执行官 Jennifer Holmgren 表示：“PNNL 一直是开发乙醇制喷气技术的强大合作伙伴，LanzaTech 的衍生公司 LanzaJet 正在多个正在开发的工厂中采用这种技术。”“乙醇可以来自多种可持续来源，因此它是一种日益重要的可持续航空燃料原材料。该项目显示出替代反应堆技术的巨大前景，该技术可能对航空部门脱碳的这一关键途径带来好处。”

可调过程

自早期实验以来，该团队一直在不断完善这一过程。当乙醇通过负载在二氧化硅上的基于银-氧化锆的固体催化剂时，它会进行基本的化学反应，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，经过长时间的研究，催化剂保持稳定。在后续研究中，研究小组表明，如果催化剂失去活性，它可以通过简单的程序进行再生，以去除焦炭——一种随着时间的推移会形成的硬碳基涂层。一种更有效、更新的催化剂配方将用于扩大规模。

“我们发现了这种催化系统的概念，它具有高活性、选择性和稳定性，”Vanessa Dagle 说。“通过调整压力和其他变量，我们还可以调整系统以生成丁二烯(合成塑料或橡胶的组成部分)或正丁烯，适用于制造喷气燃料或合成润滑油等产品。因为我们的初步发现，其他研究机构也开始探索这一新工艺。”

除了 Vanessa Dagle 和 Robert Dagle，催化剂开发团队还包括 PNNL 研究人员 Austin Winkelman、Nicholas Jaegers、Johnny Saavedra-Lopez、Jianzhi Hu、Mark Engelhard、Sneha Akhade、Libor Kovarik、Vassilliki-Alexandra Glezakou、Roger Rousseau 和 Yong Wang。来自国家可再生能源实验室的高级科学家 Susan Habas 也做出了贡献。PNNL 工作人员科学家 Ward TeGrotenhuis、Richard Zheng 和 Johnny Saavedra-Lopez 为微通道技术的发展做出了贡献。

化学对话研究得到了美国能源部 (DOE)、能源效率和可再生能源办公室的支持，在生物能源技术办公室 (BETO) 赞助的生物能源化学催化 (ChemCatBio) 联盟内。ChemCatBio 是美国能源部国家实验室领导的研发联盟，致力于识别和克服将生物质和废物资源转化为燃料、化学品和材料的催化挑战。DOE-BETO 和俄勒冈州大学创新研究基金正在支持这种公私合作的扩大合作关系。