微藻固碳制油让碳捕捉成本以及利用难题迎刃而解
世界著名的《经济学人》杂志曾撰文表示，尽管能源公司对“碳捕捉和封存”技术有着很高的期望，但有两个问题尚未解决:一是价格昂贵；二是没有人知道这项技术是不是真的那么管用。或者说，深埋的二氧化碳会不会泄漏。
中国华能集团公司科技部长蒋敏华也曾表示，按目前的技术计算，碳捕捉成本约在200元人民币/吨，而实际处理加工至进行商业应用的程度，每吨还需增加150元投入。
近日，山东科技大学针对工业的集中排放，研制了一种塔式立体养殖反应器，实现微藻生物固碳，并且利用副产微藻连续湿式生产生物原油的技术，为碳捕捉以及捕捉后的碳处置寻找出一个切实可行的办法。这项技术利用电厂烟道气作为二氧化碳供给来源，在塔式立体养殖反应器中连续培养微藻，达到二氧化碳的固定和微藻的生产，再把成熟微藻引入生物原油制取装置，从而实现微藻制油的工业化生产。
为此，记者就这项技术的成本以及未来发展等相关问题采访了课题组导师山东科技大学教授田原宇。
微藻固碳产油缘何成为热门领域？
田原宇表示，现在被认为有效的二氧化碳捕集、封存方法，如海底封存、废弃煤矿封存、油田封存等，都存在成本高、难操作和可能引起其他环境灾难的问题。而生物法固定二氧化碳是地球上主要的、有效的固碳方式。
与此同时，能源紧缺是全球性问题，发展低碳排放的可再生能源和生物质能源，是解决能源紧缺的重要出路。如果能用二氧化碳生产生物质油，将二氧化碳化害为利、变废为宝，一举数得，何乐而不为？
“微藻种类繁多，适应性强并且产油效率高。”田原宇一语道破天机。藻类的种类繁多，目前已知有3万种左右，而藻类的生活习性是多种多样的，对环境的适应性也很强，地球上几乎到处都有藻类的存在；而在一年的生长期内，一公顷玉米能产172升生物质燃油，一公顷大豆能产446升，一公顷油菜籽能产1190 升，一公顷棕榈树能产5950升，而一公顷微藻能产9.5万升。
需要注意的是，地球上的光合作用90％是由藻类进行的。微藻能够有效地利用太阳能，通过光合作用固定二氧化碳，将无机物转化为氢、高不饱和烷烃、油脂等能源物质；而且微藻生物能源可以再生，燃烧后不排放有毒有害物质，对大气二氧化碳没有净增加。
微藻是如何产油的？
田原宇介绍说，塔器是石油化工常用的设备，是气相和液相或液相和液相间物质传递的设备。课题组研制的塔式立体养殖微藻固定二氧化碳技术，主体设备是一种适合微藻生长的塔式立体培养器，将含有二氧化碳的电厂烟气从塔底分段进气、逐级溶碳脱氧、分段外排；而含有藻种的养殖液体从塔顶逐级流到塔底，通过光合作用完成微藻的一个生长周期；塔底微藻与养殖液分离，大部分藻液外排分离微藻和养殖液，小部分藻液作为藻种，回收的养殖液在补充营养后，用养殖液泵送回塔顶进行再次循环，通过微藻连续养殖和二氧化碳减排偶联，最终实现二氧化碳的固定和资源化利用。这个过程采用分级进气的塔式反应器和液体高停留时间塔板，还包括分离装置、泵系统、高压裂解装置、加热炉等设备，整个生产设施立体布置，占地面积小，有助于溶碳脱氧，并且对藻体的剪切作用较小，动力消耗也不大，解决了溶氧积累问题，易于放大和大规模化生产。这项技术的配套设备比较简单、投资也不大，微藻高压湿式法生产液体燃料所需的处理和加工成本低，微藻转化所得生物质燃油热值高，平均高达33MJ/kg，是木材或农作物秸秆的1.5倍。
微藻固碳产油经济效益如何？
以60万千瓦燃煤发电厂为例，年排放二氧化碳260万吨，利用这项技术，二氧化碳的捕集封存率为75％，微藻转化率是30％，微藻液化油的收率也是 30％，估算二氧化碳处理综合成本小于200元/吨。捕集二氧化碳:260×75％=195万吨；转化微藻:195×30％=58.5万吨；生产微藻液化油:58.5×30％=17.55万吨；产值:17.55×0.25=4.39亿元(油价:2500元/吨)；成本:195×0.02=3.9亿元；毛利:4.39－3.9=0.49亿元。
“就这个项目而言，在封存和利用二氧化碳的同时，还能产生97.5万吨的氧气；另外，如果能把这个项目减排的二氧化碳纳入清洁发展机制(CDM)，还能获得额外收益。”田原宇对这项技术的经济效益非常看好。
然而，这项技术在工业化后，不可能利用太阳光。因此，电就成了这项技术最重要的消耗品。面对这个问题，田原宇解释道，户外养殖可以利用自然光，但是，很难找到足够大空间实现工业化户外养殖微藻。因此，工业化的生物固碳技术必须使用人工光源，解决的途径，除了选用高效率的LED光源系统，只能是提高微藻培养密度和生长速度，相对降低能耗和相应提高减排效果。
塔式生物固碳技术有什么难点？
“一项技术总是会有些局限性。”田原宇说，目前，这项技术最大的难点是选择高固碳的减排藻种，如果不能很好地解决藻种问题，就不能保证二氧化碳的转化和利用。课题组原来使用36小时繁殖一代的微藻，现在与中国海洋大学茅云翔教授合作，筛选到10多个小时繁殖一代的减排藻种。未来，通过筛选和基因工程还有进一步缩短的可能。
微藻大致分两种。一种是发展生物柴油产业为目的的产油微藻。筛选的3＋1标准是:快速生长；适应多种极端或胁迫生理条件(耐盐碱、光温胁迫、光氧化胁迫、营养基质胁迫)；含油量≥60％；具有高值化综合利用的潜力。
作为以二氧化碳减排为目的微藻，追求的是最大量地将二氧化碳生物固定，副产生物质能，应该适应大规模工业二氧化碳排放的连续化生物固碳。适应大规模工业排放的二氧化碳减排。因此，减排“藻种”筛选的4＋1标准:快速生长；适应高浓度二氧化碳与烟气处理极端条件(高温、酸性、二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫)；抗高碱性(最适pH8－13)；高密度培养；抗聚结。
目前，课题组已经和合作伙伴找到了能够快速生长的固碳藻种。这种藻的长径比比较小，容易培养，经过20层塔板就能成熟；生长快，得到的生物量大，利用后的温室气体减排量大。
另外，这项技术还有一个缺点，微藻对环境有一个相对应的适应能力，在高浓度二氧化碳的环境中，反而不能正常生长。如果把高浓度的二氧化碳稀释到可以利用的程度，经济上又会不合算。田原宇希望未来能和其他科研院所、高校和企业联合，共同推进工业化微藻生物固碳技术的进步和应用。
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