南伊利諾伊大學(xué)煤炭研究中心的助理主任站在一個將少量煤分離成合成氣的模型氣化系統(tǒng)旁邊。查看更多 綠色科學(xué)圖片.

　　美聯(lián)社照片/史蒂夫·揚(yáng)克一些最有前途、最引人注目的能源替代品并不是革命性的想法。我們都知道風(fēng)車和水車，它們已經(jīng)存在了幾個世紀(jì)。今天，各種改進(jìn)，包括創(chuàng)新的渦輪機(jī)設(shè)計(jì)，正在將這些古老的機(jī)器轉(zhuǎn)變?yōu)榧舛思夹g(shù)，可以幫助各國滿足其能源需求。

　　還有另一個古老的過程 - 一個你可能不太了解的過程 - 越來越受歡迎，并可能加入風(fēng)能和水力發(fā)電的清潔，可再生能源的萬神殿。該過程稱為 氣化，一組化學(xué)反應(yīng)，利用有限的氧氣將含碳原料轉(zhuǎn)化為 合成氣或 合成氣.

　　這聽起來像燃燒，但事實(shí)并非如此。燃燒使用大量的氧氣通過燃燒產(chǎn)生熱量和光。氣化僅使用少量的氧氣，與蒸汽結(jié)合并在高壓下烹飪。這引發(fā)了一系列反應(yīng)，產(chǎn)生主要由一氧化碳和氫氣組成的氣態(tài)混合物。這種合成氣可以直接燃燒，也可以用作制造肥料、純氫、甲烷或液體運(yùn)輸燃料的起點(diǎn)。

　　信不信由你，氣化已經(jīng)存在了幾十年。蘇格蘭工程師威廉·默多克(William Murdoch)因開發(fā)基本流程而受到贊譽(yù)。在1790年代后期，他使用煤炭作為原料，生產(chǎn)了足夠數(shù)量的合成氣來照亮他的家。最終，歐洲和美國的城市開始使用合成氣 - 或當(dāng)時稱為“城市煤氣” - 來照亮城市街道和家庭。最終，燃煤發(fā)電廠產(chǎn)生的天然氣和電力取代了城鎮(zhèn)燃?xì)?，成為首選的熱源和光源。

　　今天，隨著全球氣候危機(jī)迫在眉睫，渴望電力的國家正在尋找替代能源，氣化正在卷土重來。氣化技術(shù)委員會預(yù)計(jì)，到2015年，世界氣化能力將增長70%以上。在中國和印度的快速發(fā)展推動下，大部分增長將發(fā)生在亞洲。但美國也在擁抱氣化。

　　讓我們仔細(xì)看看這個過程是如何工作的。我們將從煤氣化開始，這是該過程最常見的形式。

　　煤氣

　　2005年，羅德島州蒂弗頓的一名居民在一個標(biāo)有“天然氣廠廢物”的容器旁邊擺姿勢。該州認(rèn)為，該地區(qū)的污染是由福爾河天然氣公司傾倒煤氣化廢物數(shù)十年造成的。

　　美聯(lián)社照片/燉米爾恩燃煤發(fā)電廠的核心是鍋爐，其中煤炭通過燃燒燃燒將水轉(zhuǎn)化為蒸汽。以下等式顯示了燃燒煤的化學(xué)性質(zhì)：C + O2 --> 一氧化碳2.煤不是由純碳制成的，而是由與許多其他元素結(jié)合的碳制成的。盡管如此，煤炭的碳含量仍然很高，正是這種碳在燃燒中與氧氣結(jié)合產(chǎn)生二氧化碳，這是全球變暖的罪魁禍?zhǔn)?。煤燃燒的其他副產(chǎn)品包括硫氧化物、氮氧化物、汞和天然存在的放射性物質(zhì)。

　　包含氣化的發(fā)電廠的核心不是鍋爐，而是 氣化 爐，一個高約 40 英尺(12 米)、寬約 13 英尺(4 米)的圓柱形壓力容器。原料從頂部進(jìn)入氣化爐，而蒸汽和氧氣從下方進(jìn)入。任何一種含碳材料都可以作為原料，但煤氣化當(dāng)然需要煤。一個典型的氣化廠每天可以使用16，000噸(14，515公噸)褐煤，一種褐色煤。

　　氣化爐在比燃煤鍋爐更高的溫度和壓力下運(yùn)行 - 分別約為2，600華氏度(1，427攝氏度)和每平方英寸1，000磅(6，895千帕)。這導(dǎo)致煤發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)。首先，煤碳的部分氧化釋放熱量，有助于氣化反應(yīng)。其中第一個是 高溫分解，當(dāng)煤的揮發(fā)性物質(zhì)降解成幾種氣體時，就會發(fā)生這種情況，留下 煳，一種類似木炭的物質(zhì)。然后，還原反應(yīng)將炭中剩余的碳轉(zhuǎn)化為稱為 合成氣.

　　一氧化碳和氫氣是合成氣的兩個主要成分。在稱為 氣體凈化，原始合成氣通過可用于分離各種組分的冷卻室。清潔可以去除有害雜質(zhì)，包括硫、汞和未轉(zhuǎn)化的碳。甚至二氧化碳也可以從氣體中抽出并儲存在地下或用于氨或甲醇生產(chǎn)。

　　剩下純氫和一氧化碳，它們可以在燃?xì)廨啓C(jī)中清潔燃燒以發(fā)電?；蛘撸恍┌l(fā)電廠通過將清潔的氣體通過鎳催化劑將合成氣轉(zhuǎn)化為天然氣，導(dǎo)致一氧化碳和二氧化碳與游離氫反應(yīng)形成甲烷。這種“替代天然氣”的行為類似于普通天然氣，可用于發(fā)電或?yàn)榧彝ズ推髽I(yè)供暖。

　　但是，如果沒有煤炭，氣化仍然是可能的。你所需要的只是一些木頭。

　　合成氣秒

　　盡管電力行業(yè)最近對氣化產(chǎn)生了興趣，但化學(xué)、煉油和化肥行業(yè)已經(jīng)使用了幾十年的工藝。這是因?yàn)楹铣蓺獾闹饕煞?- 氫氣和一氧化碳 - 是其他幾種產(chǎn)品的基本組成部分。從合成氣中提取的一些最重要的產(chǎn)品包括甲醇、氮基肥料和用于煉油和運(yùn)輸燃料的氫氣。甚至 爐渣，氣化過程的玻璃狀副產(chǎn)品，可用于屋頂材料或作為路基材料。

　　木材氣化

　　煤氣化有時被稱為“清潔煤”，因?yàn)樗梢杂脕戆l(fā)電，而不會將毒素和二氧化碳排放到大氣中。但它仍然基于不可再生的化石燃料。它仍然需要采礦作業(yè)，使地球傷痕累累，并留下自己的有毒廢物。木材氣化 -- 或 生物質(zhì)氣化，從技術(shù)上講更正確 - 可能提供一個可行的替代方案。生物質(zhì)被認(rèn)為是一種可再生能源，因?yàn)樗怯捎袡C(jī)材料制成的，如樹木、農(nóng)作物甚至垃圾。

　　生物質(zhì)氣化就像煤氣化一樣：原料進(jìn)入氣化爐，氣化爐在低氧環(huán)境中烹飪含碳材料以生產(chǎn)合成氣。原料通常分為四類：

　　農(nóng)業(yè)殘留物是農(nóng)民收獲商品作物后留下的。它們包括小麥、苜蓿、豆類或大麥秸稈和玉米秸稈。小麥秸稈和玉米殘余物構(gòu)成了這種生物質(zhì)的大部分。

　　能源作物的種植僅用作原料。它們包括雜交楊樹和柳樹，以及柳枝稷，一種原生的、快速生長的草原草。

　　林業(yè)殘留物包括木材采伐后留下的任何生物質(zhì)?？菽疽埠芎糜茫瑒兤ず桶沃中g(shù)產(chǎn)生的廢料也很好用。

　　城市木材垃圾是指建筑垃圾和拆除垃圾，否則最終會進(jìn)入垃圾填埋場。托盤 - 扁平運(yùn)輸結(jié)構(gòu) - 也屬于這一類。

　　原料的選擇決定了氣化爐的設(shè)計(jì)。生物質(zhì)氣化中常見的三種設(shè)計(jì)：上升氣流、下降氣流和交叉氣流。在一個 上升氣流氣化爐，木材從上方進(jìn)入氣化室，落到爐排上并形成燃料堆。空氣從爐排下方進(jìn)入并通過燃料堆向上流動。合成氣，也稱為 發(fā)生爐煤氣 在生物質(zhì)圈中，退出腔室頂部。在 下沉氣流 或 交叉氣流氣化爐，空氣和合成氣可能在不同的位置進(jìn)出。

　　燃料和氣化爐設(shè)計(jì)的選擇會影響合成氣中化合物的相對比例。例如，放置在下吸式氣化爐中的小麥秸稈會產(chǎn)生以下結(jié)果：

　　17% 至 19% 氫氣

　　14% 至 17% 的一氧化碳

　　11% 至 14% 的二氧化碳

　　幾乎沒有甲烷

　　但放置在下吸式氣化爐中的木炭會產(chǎn)生以下結(jié)果：

　　28%至31%的一氧化碳

　　5% 至 10% 氫氣

　　1%至2%的二氧化碳

　　1%至2%的甲烷

　　[資料來源：拉杰萬希]。

　　現(xiàn)在，您可以制作自己的木材氣化爐了。繼續(xù)點(diǎn)擊看看如何。

　　更好的加油里程

　　信不信由你，木材氣化的主要用途之一是為內(nèi)燃機(jī)提供動力。在1940年之前，偶爾會看到氣化動力汽車，尤其是在歐洲。然后，在第二次世界大戰(zhàn)期間，石油短缺迫使人們考慮替代方案。西歐的運(yùn)輸業(yè)依靠木材氣化來為車輛提供動力，并確保食品和其他重要材料到達(dá)消費(fèi)者手中。戰(zhàn)后，隨著天然氣和石油的廣泛普及，氣化在很大程度上被遺忘了。然而，未來的石油短缺可能會重振我們對這項(xiàng)舊技術(shù)的興趣。未來的汽車司機(jī)可能會要求用幾根木頭而不是幾加侖的汽油來“加滿”。

　　自制氣化

　　未來是否從像這樣的氣化爐中獲得更多的能量?

　　菲利普·斯皮爾斯/蓋蒂圖片社氣化的一個有吸引力的品質(zhì)是它的可擴(kuò)展性。坦帕東南部的波爾克發(fā)電站是一個占地4，300英畝(1，740公頃)的氣化廠。它每小時將100噸(90.7公噸)的煤炭轉(zhuǎn)化為2.5億瓦的電力，供約60，000個家庭和企業(yè)使用[來源： 福爾杰].

　　但你不必成為一個巨大的公用事業(yè)公司來試驗(yàn)氣化。你可以用房子周圍的材料建造一個簡單的小型氣化爐。YouTube上有這些自制單位的幾個視頻。例如，一段視頻顯示，油漆可以扮演發(fā)生氣化反應(yīng)的壓力容器的角色。當(dāng)合成氣在密封罐內(nèi)產(chǎn)生時，它通過一些簡單的管道配件移動到燃燒罐，在那里可以點(diǎn)燃?xì)怏w。

　　另一個 有趣的視頻 展示了一個小團(tuán)隊(duì)根據(jù)美國聯(lián)邦緊急事務(wù)管理局 (FEMA) 和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室制定的計(jì)劃組裝和操作木材氣化爐。FEMA 于 1989 年制定了這些計(jì)劃，專門用于在發(fā)生石油緊急情況時進(jìn)行小規(guī)模氣化。該機(jī)構(gòu)的報告包括有關(guān)下吸式生物質(zhì)氣化爐的制造，安裝和操作的詳細(xì)插圖說明。(該報告的鏈接包含在下一頁“Lafontaine”下的源列表中。該裝置需要一個鍍鋅金屬垃圾桶、一個小金屬桶、普通管道配件和一個不銹鋼攪拌碗，可以安裝在車輛上，為內(nèi)燃提供合成氣。氣化爐就位后，車輛可以使用木屑或其他生物質(zhì)作為燃料可靠地運(yùn)行。

　　如果您對氣化感興趣，但不是自己動手的類型，那么您可能需要考慮從制造商那里購買氣化裝置。例如，新視野公司分銷可安裝在家庭環(huán)境中的氣化系統(tǒng)。這些生物質(zhì)氣化鍋爐可以為房屋、車庫和其他建筑物供暖，并可以使用各種燃料，包括調(diào)味木材、玉米棒、鋸末、木屑和任何類型的顆粒。

　　無論哪種方式，氣化都可能成為未來幾十年最重要的能源替代品之一。這是使用煤炭最清潔的方式，但也可以有效地使用可再生能源，例如生物質(zhì)。而且，由于氣化的主要產(chǎn)物之一是氫氣，該過程為生產(chǎn)大量用于燃料電池和清潔燃料的氫氣提供了墊腳石。