Преобразование метанола и этанола в углеводородное топливо — давно отработанная технология. Два ключевых направления этого процесса — это получение бензина из метанола (MTG) и авиационного топлива из этанола (ETJ), также известного как керосин из этанола (ETK).
Меньшая молекула метанола идеально подходит для производства легких бензиновых фракций для автомобилей. Более крупная молекула этанола, в свою очередь, дает тяжелую керосиновую фракцию, необходимую для производства устойчивого авиационного топлива (SAF).
Традиционно биоэтанол получают путем ферментации сахаросодержащих растворов в промышленных масштабах. Этот процесс по своей сути схож с производством пива из зерна, за которым следует дистилляция для получения виски. В Азии и Северной и Южной Америке наиболее распространенными культурами для производства биоэтанола являются кукуруза и сахарный тростник. В меньших объемах используются рис, сорго и маниока. В Европе же эти культуры обычно заменяют пшеницей и сахарной свеклой.
Такой подход вызывает вопросы, поскольку сельскохозяйственные угодья и продовольственные культуры отвлекаются на производство биотоплива как доступных энергоносителей. В глобальном масштабе это приводит к росту цен на продовольствие из-за конкурентного использования в качестве топлива. Если для состоятельных людей небольшое повышение цены на килограмм пшеницы или риса не приведет к голоду, то для бедных стран ситуация совершенно иная. Поэтому поиск альтернативных, непищевых источников устойчивого этанола является глобальным императивом. А если к тому же его можно производить из промышленных выбросов, это станет беспроигрышным сценарием.
Американская компания LanzaTech разработала процесс, использующий анаэробные ацетобактерии в ферментере для преобразования богатых монооксидом углерода (CO) газовых потоков, таких как синтез-газ, в этанол и ряд биохимикатов. Этот процесс известен как «Улавливание и преобразование углерода» (CCT). Идеальным сырьем для ферментеров LanzaTech являются газы, богатые CO. Синтез-газ, получаемый из газификации биомассы, как раз является таким сырьем.
Чугунолитейное и сталеплавильное производство также генерирует дымовые газы, богатые CO. Доменный газ (BFG) содержит до 20 процентов CO, а конвертерный газ (также известный как газ кислородного конвертера или BOFG) — до 60 процентов CO. В настоящее время энергоемкий BOFG (с низшей теплотой сгорания 3 кВт·ч/Нм³) часто используется на металлургических предприятиях для производства тепла или электроэнергии в газовых двигателях, либо просто сжигается на факеле. BFG имеет более низкую энергетическую ценность из-за меньшего содержания CO (0,9 кВт·ч/Нм³), но также может использоваться для производства тепла и электроэнергии или направляться на факел.
В качестве альтернативы производству энергии или сжиганию на факеле, использование BFG и BOFG в процессе LanzaTech позволяет получать этанол. Впоследствии дополнительный процесс LanzaJet может быть использован для преобразования этого этанола в SAF с помощью их фирменной технологии ETJ.
Анализ жизненного цикла (LCA) процесса LanzaTech показывает, что сокращение выбросов CO₂ в основном достигается за счет замещения ископаемого топлива или пластиков, полученных из сырой нефти, биоматериалами, произведенными из этанола или других побочных продуктов брожения. Важной частью LCA LanzaTech является оценка того, сжигаются ли исходные газы, такие как дымовые газы сталелитейного производства, на факеле или используются. Если их сжигают, то их утилизация и преобразование в этанол приносят значительную экологическую выгоду. Однако если эти газы уже используются для производства тепла и электроэнергии, они уже предотвращают использование ископаемого топлива, и общее сокращение выбросов CO₂ в рамках LCA будет меньшим. При этом биореактор LanzaTech использует CO из синтез-газа для роста бактериальной биомассы. Некоторые газы выделяются из ферментера. Эта биомасса впоследствии преобразуется в биометан в отдельном анаэробном иловом дигестере. Этот богатый энергией биометан используется для полного сжигания основных отходящих газов ферментера до CO₂, который затем может быть либо выброшен в воздух, либо уловлен.
Технология LanzaTech была продемонстрирована в пилотном масштабе еще в 2008 году с использованием дымовых газов сталелитейного завода BlueScope Steel в Гленбруке, Новая Зеландия. С тех пор LanzaTech успешно внедрила свою технологию на двух демонстрационных установках производительностью 300 тонн в год на заводах Baosteel Shanghai и Shougang Steel Caofeidian в Китае. Эти ферментеры LanzaTech работают на различных отходящих газах сталелитейного производства, включая BOFG, BFG и коксовый газ (COG). LanzaTech также управляет биоперерабатывающим заводом «Freedom Pines Biorefinery» в Сопертоне, штат Джорджия, который использует биоферментеры для производства этанола и других химикатов. На этом же объекте внедрен процесс производства SAF по технологии LanzaJet ETJ.
Этанол представляет собой спирт с двумя атомами углерода и содержит атом кислорода. Керосин же является длинным парафиновым углеводородом с 10-14 атомами углерода, не содержащим кислорода. Превращение этанола в керосин происходит в два этапа. Первый — это дегидратация этанола в этилен, или этен. Этот процесс эффективно удаляет атом кислорода и создает высокореактивную двойную связь между двумя атомами углерода. Реакция дегидратации осуществляется с использованием цеолитного катализатора, такого как H-ZSM-5, при температуре 250–300 °C. Предпочтительна работа при низком давлении для обеспечения производства газообразного этилена. Реакция требует очень большого подвода тепла, что является паразитной нагрузкой на процесс, потребляющей часть энергии исходного сырья для обеспечения преобразования в керосин.
Этилен, полученный путем дегидратации этанола, подобен мышеловке, готовой к срабатыванию. Когда двойная связь между двумя атомами углерода разрывается, она стремится присоединиться к другой молекуле этилена, образуя бутен — более длинный углеводород, содержащий четыре атома углерода. Превращение этилена в бутен происходит над никелевым катализатором и высвобождает значительное количество тепла, которое может поддерживать реакцию дегидратации.
Бутен также содержит высокореактивную двойную углеродную связь. При объединении нескольких молекул бутена в реакции полимеризации образуются очень длинные углеводороды. Если бы этой реакции дали протекать полностью, продуктом был бы полиэтилен — пластиковый полимер. Для производства керосина реакция должна быть инициирована, а затем ограничена. Эта частичная полимеризация известна как олигомеризация. Олигомеризация протекает с использованием другого цеолитного катализатора, такого как ZSM-5. Если ее проводить при высокой температуре, могут быть получены разветвленные изомеры керосина. Они желательны, поскольку позволяют использовать топливо при низких температурах (например, на высоте) без замерзания.
Синтетическая нефть (синтез-сырец), полученная в результате олигомеризации, может все еще содержать некоторое количество остаточных атомов кислорода из исходного этанола. Их необходимо удалить, чтобы предотвратить коррозию материалов, используемых для обработки и хранения керосина, а также предотвратить полимеризацию топлива. Водород реагирует с синтез-сырцом, удаляя кислород и превращая его в воду. Затем деоксигенированный синтез-сырец дистиллируется на фракции, такие как бензин, дизельное топливо и керосин для SAF. Экономическая эффективность может быть оптимизирована путем настройки условий процесса для производства наиболее ценного топлива — SAF.
