鐵粉作為可再生、無二氧化碳燃料首次通過工業試驗

2021-02-25 IEEE電氣電子工程師

Photo: Bart van OverbeekeA small-scale version of the iron combustion system, which has been scaled up and deployed at a brewery in the Netherlands

縱火燒鐵錠可能比較麻煩,但細鐵粉與空氣混合是非常易燃的。當你燃燒這種混合物時,這就是氧化鐵。碳燃料氧化成二氧化碳,鐵燃料氧化成氧化鐵,這只是一種生鏽的結果。生鏽的好處是它是一種固體,燃燒後可以被捕獲。這是整個行業唯一的副產品 -- 起初是鐵粉,而出來的是熱能和鐵鏽粉。鐵的能量密度約為11.3千瓦時/升,比汽油好。雖然它的比能量是相對較低的1.4kWh/kg,這意味著在一定的能量量下,鐵粉所佔的空間會比汽油少一點,但它幾乎比汽油重十倍。

換句話說,它可能不適合為你的汽車提供動力。或許也不能用來為你的房子供暖。但它可能是工業界的理想選擇,該研究目前正處於測試階段。

過去幾年,來自TU Eindhoven的研究人員一直在開發鐵粉作為一種實用燃料,上個月他們在荷蘭的一家啤酒廠安裝了一套鐵粉加熱系統,將儲存的能量全部轉化為啤酒。由於電不能有效地產生許多工業應用(包括釀酒)所需的熱量,因此鐵粉是一種可行的零碳選擇,燃燒後只剩下鐵鏽。

那麼這些鐵鏽會怎麼樣呢?這就是事情變得有意思的地方了。因為鐵不僅僅是一種可以消耗的燃料,而是可以再充電的能量儲存。為了給它充電,你需要把所有的Fe2O3,去掉氧氣,再把它變成鐵,準備再次燃燒。要做到這一點並不容易,但是當你下一次從Fes中抹去Os時,將這些作業系統從Fe上撬開所需的大部分能量和工作都會返回給你。這個想法是,你可以反覆使用同一個鐵,放電和充電,就像你對電池一樣。

為了保持鐵燃料的零碳特性,充電過程也必須是零碳的。用電將鐵鏽還原為鐵有多種不同的方法,由TU/e研究人員領導的一個團隊正在探索基於熱氫還原(將氧化鐵和氫氣轉化為鐵和水)的三種不同技術,正如他們在電子郵件中向我們描述的:

Photo: Bart van OverbeekeThe combustion of the iron powder is visible through the glass in the combustion tube. 

Mesh Belt Furnace: In the mesh belt furnace the iron oxide is transported by a conveyor belt through a furnace in which hydrogen is added at 800-1000°C. The iron oxide is reduced to iron, which sticks together because of the heat, resulting in a layer of iron. This can then be ground up to obtain iron powder.

Fluidized Bed Reactor: This is a conventional reactor type, but its use in hydrogen reduction of iron oxide is new. In the fluidized bed reactor the reaction is carried out at lower temperatures around 600°C, avoiding sticking, but taking longer.

Entrained Flow Reactor: The entrained flow reactor is an attempt to implement flash ironmaking technology. This method performs the reaction at high temperatures, 1100-1400°C, by blowing the iron oxide through a reaction chamber together with the hydrogen flow to avoid sticking. This might be a good solution, but it is a new technology and has yet to be proven.

當然,氫氣的生產和運行熔爐或反應堆所需的熱量都需要能源,但可再生能源是電網能源。

如果更新鐵燃料需要氫,那麼一個顯而易見的問題是為什麼不首先使用氫作為零碳燃料呢?氫的問題在於,作為一種儲能介質,處理起來非常麻煩,因為儲存大量的氫通常需要高壓和極冷的環境。在一個本地化的工業環境中(就像你在你的除鏽工廠一樣),這並不是什麼大問題,但是一旦你開始嘗試分銷它,它就變成了一個真正令人頭疼的問題。另一方面,鐵粉處理安全,儲存無限期,而且可以很容易地通過現有的散貨船或鐵路運輸。

這就是為什麼它會出現在其重量不是主要考慮因素的應用中。除了工業用熱(最終將包括改造燃煤發電廠,改用鐵粉),TU/e的研究人員正在探索鐵粉是否可以用作大型貨船的燃料,大型貨船是一種非常髒的碳排放物,其設計也可以承載很多重量。

TU/e燃燒技術教授Philip de Goey告訴我們,他希望能夠在未來4年內為工業部署10兆瓦鐵粉高溫供熱系統,用10年時間實現第一座燃煤電廠的改造。de Goey表示,仍然存在挑戰:「技術需要改進和發展,金屬粉末的市場需要擴大,金屬粉末必須成為未來能源系統的一部分,並被視為安全和清潔的替代品。」de Goey的觀點是,鐵粉在能源方面有著重要但很受限制的作用,儲存、運輸和生產是對氫等零碳源的補充。對於一個零碳能源的未來,de Goey說,「沒有贏家或輸家——我們都需要他們。」

相關焦點

  • 新型可回收無碳燃料「鐵粉」正助力荷蘭啤酒廠的生產
    ,以展示其作為無碳能源的潛在用途。微小的鐵顆粒在高溫下燃燒良好,在氧化時能釋放出能量,可用於工業過程或發電。2018年,埃因霍溫理工大學(Eindhoven University Of Technology)的研究者首次展示了鐵燃燒過程的實用性。
  • 太陽能輔助下二氧化碳的可再生燃料
    瑞典林雪平大學的研究人員正在嘗試將二氧化碳(一種溫室氣體)轉化為利用太陽光產生的能量的燃料。最近的結果表明,可以使用他們的技術從二氧化碳和水中選擇性地生產甲烷,一氧化碳或甲酸。該研究已經發表在ACS Nano上。 植物將二氧化碳和水轉化為氧氣和高能糖,它們用作「燃料」來生長。他們從陽光中獲取能量。
  • 通過電催化還原方法,二氧化碳「變身」高能量密度液體醇燃料
    通過電催化還原方法,二氧化碳「變身」高能量密度液體醇燃料 吳長鋒/科技日報 2018-06-20 08:00
  • 金屬粉末或可替代化石燃料
    你能想像未來發動機不再「喝」汽油而是「吃」鐵粉嗎?加拿大麥吉爾大學研究人員與一位歐洲航天局的科學家共同提出了一個新概念——利用與精白粉或糖粉差不多大的細微金屬粒子來驅動外燃機。相比氫、生物燃料或者電池等,金屬粉末更有望成為化石燃料的長期替代解決方案。外燃機是工業時代燃煤蒸汽機的現代版本,廣泛用於核電站、燃煤或生物質發電站。燃燒金屬粉末也很常見,例如煙花的奪目色彩就來自其中添加的各種金屬粉末,還有太空梭的火箭推進劑。
  • 來自燃料燃燒的二氧化碳排放2018(回顧)
    選定國家的發電量 按來源劃分 2016所有主要生產國的可再生能源電力超過了15%,尤其是在歐盟和中國。除去水電,可再生電力佔總發電量的8%左右,而且區域間存在很大的差異性。2016年,核能貢獻了主要生產國12%的發電量,貢獻了全球10%的發電量。在2010年到2016年間,全球發電量增長了16%,增量達3.5萬億千瓦時,而由於化石燃料發電效率的增長和可再生能源發電的增加,其排放量僅增長了7%。
  • 「催化可塑性」賦予金屬鉍新用途:將二氧化碳轉化為液體燃料
    (CO2)轉化為液體燃料和工業化學品。研究人員稱,這一新發現有助於減少CO2排放,並提供一種可持續的燃料生產手段。該研究由德拉瓦大學化學與生物化學系教授喬爾·羅森塔爾帶領同事完成。他們將鉍的這種新特性稱為「催化可塑性」。團隊此前發現,鉍薄膜可以與某些液態鹽結合使用,作為將CO2轉化為氣態燃料一氧化碳的廉價催化劑。
  • 新型廉價催化劑,可將陽光和二氧化碳轉化為燃料,效率達到13.4%
    不過,目前轉換效率還不足以與化石燃料(如汽油)競爭。但是,未來某天這種方法或許會實現陽光、水、二氧化碳到無窮的液體燃料的轉換。眾所周知,二氧化碳是全球變暖的主要因素,實現這一方法將使人類受益無窮。對此,科羅拉多州國家可再生能源實驗室的可再生燃料專家John Turner表示,「新的發現將會帶來非常大的改觀」。
  • 【石墨烯】瑞典利用太陽能將二氧化碳轉化為燃料 可用作汽車燃料
    (圖片來源:林雪平大學)  植物會將二氧化碳和水轉化為氧氣和高能量的糖,作為生長的「燃料」,而且是從陽光中獲取能量。林雪平大學的Jianwu Sun及其同事正試圖模擬此種稱作「光合作用」的反應,即利用此種反應從空氣中捕獲二氧化碳,並將其轉化為甲烷、乙醇和甲醇等化學燃料。目前,此種方法還處於研究階段,科學家們的長遠目標是將太陽能高效地轉化為燃料。
  • 千噸級「液態太陽燃料合成示範項目」通過科技成果鑑定
    央廣網蘭州10月15日消息(記者張磊)10月15日,千噸級「液態太陽燃料合成示範項目」在蘭州新區通過了中國石油和化學工業聯合會組織的科技成果鑑定,鑑定委員會專家一致認為:液態太陽燃料合成示範項目集成創新了液態太陽燃料合成全流程工藝裝置,具有完全自主智慧財產權,整體技術處於國際領先,同意通過鑑定。
  • 可再生能源能否成就中國?
    煤炭工業助力英國成為了第一次工業革命中的領頭羊。  1859年,美國賓夕法尼亞州的西部發現了石油。經過近一個世紀的更迭,世界能源格局在1960年代從煤炭時代轉向為石油時代。  石油工業助力美國成為了世界頭號經濟強國,並通過控制石油美元體系,在全球範圍內掌握了最大話語權。
  • Neste和殼牌合作生產可再生航空燃料
    中國航空新聞網訊:據飛行國際9月23日報導,芬蘭可持續航空燃料供應商Neste正與石油巨頭荷蘭皇家殼牌集團合作,從10月開始大幅增加用於商業航空低排放燃料的供應。殼牌航空旨在降低所售燃料的碳排放量,進而出售更多的低碳燃料,例如可再生航空燃料。」Neste表示,與化石燃料相比,可再生航空燃料可減少高達80%的溫室氣體排放,從而幫助航空公司實現其低碳排放的發展目標。Neste航空業務執行副總裁託爾斯滕•蘭格表示:「可再生航空燃料為商用飛機提供了唯一可行的化石燃料的替代品,而且有著減少航空業溫室氣體排放的潛力。」
  • 二氧化碳被轉化為燃料,且無汙染
    最近美國科學家就公布了最新的研究,該研究團隊公布了他們最新研究的一項研究成果,這種光活性材料可以將大氣之中的二氧化碳轉化成為一氧化碳,而且還不會產生任何的多餘對地球或者是大氣有害的別的氣體,這一結果公布之後在科學界可是引起了巨大的關注,那麼這一新的研究究竟是一個怎樣的化學反應過程,到底靠不靠譜,難道困擾我們已久的溫室氣體二氧化碳真的能夠通過這種方式得到有效的解決嗎?
  • 英國用咖啡渣作巴士燃料 降低二氧化碳排放
    這家新興技術企業從咖啡廠、辦公室以及遍布倫敦大街小巷的咖啡店收集剩餘的咖啡殘渣,在位於劍橋郡的工廠加工,提取出「咖啡油」後再送往英國最大的生物燃料生產商阿金特能源公司進行再優化,使其變為可以直接在交通工具上使用的再生能源。公交車使用的燃料最終由80%的傳統柴油和20%的咖啡油混合製成。
  • 二氧化碳水下膨脹破巖試驗研究首次在廣西貴港市取得成功
    2021年1月9—11日,廣西新港灣集團有限公司與力凱工程裝備(深圳)有限公司聯合在廣西貴港市某水域進行了國內首次二氧化碳水下膨脹破巖試驗研究並取得圓滿成功。本次試驗研究是根據中國爆破行業中長期科學技術發展規劃(2016-2025)的有關要求進行的。
  • 可再生能源制氫勢在必行
    氫被譽為未來世界能源架構的核心,也被認為是最潔淨的燃料。不過,如果氫氣來自於化石燃料,則其製備過程並不「潔淨」。目前,商用氫氣96%以上是從化石燃料中製取,制氫過程中會排放大量二氧化碳,這類氫氣也被稱為「灰氫」。  發展氫能不可以偏離初衷。
  • 靠消耗二氧化碳生長
    儘管人們對可再生能源存儲和更可持續的食品生產具有廣泛興趣,但是過去設計工業相關異養模式生物將二氧化碳作為唯一碳源的努力一直失敗,先前在異養模式生物中建立自催化二氧化碳固定循環的嘗試總是要求添加多碳有機化合物才能實現穩定的生長。
  • 新型催化劑將二氧化碳轉化為實用燃料和化學品
    圖片來源,Pixabay隨著大氣中二氧化碳含量的不斷攀升,科學家們正在尋找分解CO2分子的新方法,以製造有用的碳基燃料,化學藥品及其他產品。如今,布朗大學的一個研究人員小組找到了一種方法,通過對銅催化劑進行微調,高效利用CO2生產出複雜的碳氫化合物(稱為C2-plus產品)。
  • 中國科學家「模仿植物」成功製備清潔燃料!或可大規模生產
    但是,化石燃料在釋放內能、轉化為熱能的同時,也會造成水資源汙染、溫室效應等諸多環境問題,而且作為不可再生資源,化石燃料面臨著資源短缺、過度開採等問題。根據目前已探明儲量和開採流量預測,化石燃料的可開採年限預計在 150 年內。
  • 可再生能源的利弊
    這是一個巨大的數量,但是什麼使可再生能源成為如此受歡迎的選擇?在本文中,我們將著眼於可再生能源的整體利弊來解決這個問題。可再生能源的優點讓我們從可再生能源的許多不同優勢開始。1.可再生能源對環境更有利與使用化石燃料相比,使用可再生能源為環境發電要好得多。當我們燃燒化石燃料時,它們會將有害的溫室氣體釋放到大氣中。
  • 德事隆航空向客戶提供首次加油使用環保航空燃料的選擇
    中國航空新聞網訊:9月1日,德事隆航空開始向客戶提供首次加油使用環保航空燃料(SAF)的選擇,適用於新的比奇飛機、賽斯納渦槳飛機和公務機。SAF為渦扇飛機提供更清潔的燃料。「環保航空燃料降低了出行對地球的環境影響,我們非常自豪能在新機中提供這樣一個選項,」客戶體驗高級副總裁Christi Tannahill說道,「與化石燃料相比,SAF可以在燃料使用周期中減少高達80%的二氧化碳排放,並為航空業降低碳排放量提供了一種積極的方式