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生物质烘烤:挖掘农场废弃物的隐藏价值

本•米勒 · 2016年12月5日, · 麻省理工塔塔技术与设计中心

印度有数以百万计的小农场,许多面积在一英亩或更小,种植水稻、小麦、甘蔗和其他主要作物。一年两次,当收获结束时,这些农场就会被大火焚毁。

旁遮普等农业地区的卫星图像显示,农民燃烧生物废料的外壳、秸秆和其他植物残渣,为另一个作物周期清理土地,数千股烟尘升起。这些烟雾影响当地的空气质量,并传播到像德里这样的大城市。事实上,在露天燃烧生物质的做法是如此普遍,以致于它被发现约占全球二氧化碳排放量的18%2014年斯坦福大学研究

这种废料有未开发的价值——尤其是作为煤的生物燃料替代品。以前,农民会把它当作肥料翻耕,把养分还给土壤。但今天在印度,通常由政府补贴的合成和低成本肥料已经取代了这些传统方法。

如果有一种方法可以减少露天焚烧的环境负担,为经常生活在贫困线附近或贫困线以下的农民创造新的收入来源,那会怎么样?

艾哈迈德Ghoniem, Ronald C. Crane(1972)机械工程教授,以及生物工程博士研究生Kevin Kung,研究员麻省理工塔塔技术与设计中心美国正在开发一项技术,可能帮助实现这一目标。他们的项目是一个反应堆,它使用一种叫做烘烤的过程来强化生物质,使其可运输,并延长其保质期。烘焙技术已经在工业规模上使用了一个多世纪,但在世界偏远地区的农民仍然无法使用。Ghoniem和Kung的研究试图使其成为一种切实可行的解决方案,从而促进小农户有意义的收入增长。

烹饪生物量

如果生物燃料有价值,农民也有生物燃料,为什么他们要燃烧而不是出售呢?高尼姆和孔认为交通是缺失的环节。

Ghoniem说,现有的大型烘烤反应堆“与生物质的分布式特性不相容”。“生物质主要是在农村、分散的地方以小批量的方式获得的,”孔补充说。“它通常非常笨重、松散、潮湿。在偏远地区,垃圾被焚烧,因为把它们运到处理中心没有任何意义。”

如果农民们能够将他们的生物质废料浓缩,这个经济等式就会改变。突然之间,这可能成为生物燃料生产商的一个有吸引力的提议,把它拖走,添加到他们的能源原料。这个周期还有一个额外的好处,就是帮助满足印度和其他发展中国家对廉价烹饪和取暖燃料的巨大需求。

这就是烘烤反应堆的用途。

“烘烤有利于长途运输,”孔说,“因为同样的卡车装载量,你可以携带更多单位的能源,而人们要为这些能源付费。”万博体育平台网页

那么烘烤是如何工作的呢?孔说,这是一个热化学过程,很像烹饪,并解释说,他是一个“健忘”的厨师。

“我把一些食物放进烤箱,半小时后我才想起,我的食物烧焦了。发生的情况与烘烤类似,但我们以一种更可控的方式进行。”

在烘烤过程中,含有碳、氢和氧的植物基生物质在无氧环境中加热到200°C至300°C。这种处理方式使其快速分解,首先释放出低能分子。

“从生物质中提取出来的第一样东西是水,所以你在干燥生物质,”孔说。“下一个出来的是二氧化碳,然后你开始得到像乙醇和甲醇这样的有机酸。你最终得到的是固体部分的生物质碳含量很高。从本质上讲,你是在把它转化成类似于煤炭的东西,拥有更高的能量密度。”

烘烤的另一个优点是它发生在一个封闭的、节能的循环中。生物质释放可燃气体,用于产生所需的热量,使过程自动供电。

在这里,塔塔的同事凯文·孔展示了一罐碳化的生物质农业废弃物,这些废弃物已经在碳化反应堆中进行了热化学处理,以增加其能量密度。图片:Ben Miller,麻省理工学院

在这里,塔塔的同事凯文·孔展示了一罐碳化的生物质农业废弃物,这些废弃物已经在碳化反应堆中进行了热化学处理,以增加其能量密度。图片:Ben Miller,麻省理工学院

“没什么炸毁了”

Ghoniem和Kung正在完成他们的实验室规模的技术演示。

Ghoniem说:“我们正在努力建立一个基于物理和化学过程建模的高效中小型反应堆。”

其中一个主要的挑战是如何从间歇过程(一次将大量的生物质进行碳化)过渡到连续过程(生物质在反应器内保持稳定的条件下不断地注入)。

要想在印度农场获得成功和经济效益,反应堆必须是连续的、高效的和可移动的。

“农民们在收获后可能有一到两周的时间来燃烧生物质,为下一个作物周期做好准备,”孔说。“这种转变必须在很短的时间内发生。如果它要在一个分散的区域工作,该单元必须能够从一个农场转移到另一个农场,在现场进行转换。”

他说,他们正在朝着理想的稳定性方面取得进展,迄今为止避免了灾难性的故障:“我们从批处理过程转向连续处理过程,没有发生任何问题。在我们的第一次测试中,它连续运行了45分钟。我对此非常高兴。”龚对在该领域实施技术并不陌生:他之前在肯尼亚创办了一家生物炭公司。但他的博士研究也旨在对烘烤的基本科学理解做出贡献。

他说:“我希望证明这是一个连续过程反应堆,并确定在这个过程中最大化能源效率的最佳条件。”

最终,他们希望为在发展中国家的农村地区部署烘烤技术奠定科学基础。Ghoniem说:“我们从一个实验室规模的系统开始优化,然后我们将扩大规模。”



这项研究是由麻省理工塔塔技术与设计中心阅读更多关于该项目的内容


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记者调查:miteimedia@mit.edu