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            生物質制氫:廢物利用與綠氫生產兩不誤

            2024-01-29


            氫氣作為一種清潔燃料,對環境無污染,已成為未來能源中最有前途的能源載體之一。尋找綠色、環保制氫技術成為發展綠色氫能的關鍵所在,目前,綠氫制取技術有電解水制氫、生物質制氫、光催化制氫等,其中生物質制氫使得廢棄生物質得到資源化利用,減少了環境污染,被認為是一種具有發展潛力和前景的技術。

            生物制氫

            生物質是指直接或間接利用光合作用形成各種有機物的總稱,具有可再生性、儲量豐富、低污染性和可儲存性等優點,是僅次于煤炭、石油、天然氣之后的第四大能源。據統計全世界每年的生物質產量約為300億噸,其中被用作能源的僅占4%,可用于制氫的資源潛力很大。

            生物質制氫主要是指生物質經過不同預處理后,利用化學或生物的方法制取氫氣的技術。與其他制氫方式相比,生物質制氫不僅可以為現代化發展提供大量的氫能支持,還能有效地處理多種農業及生活廢棄物,使這些廢棄物成為具有高附加值的寶貴資源。

            中國每年可利用生物質資源約為35億噸,其主要來源為能源作物、農業廢棄殘留物、林業廢棄殘留物和工業城市廢棄殘留物。由于使用的生物質原料多為廢棄殘留物,生物質制氫技術也被稱為垃圾制氫,產出的氫氣也被稱為翠氫超級綠氫。

            技術路徑

            目前,生物質制氫技術主要包括熱化學法和生物法兩個技術路徑。

            熱化學法

            生物質熱化學法制氫是指通過熱化學處理,將生物質轉化成富氫可燃氣后通過分離提純得到氫氣的方法。該方法可由生物質原料直接制氫,也可由生物質解聚的中間產物(如甲醇、乙醇)制氫。根據具體制氫過程的不同可將該路徑進一步劃分為蒸汽氣化制氫技術、超臨界水氣化制氫技術和生物質熱解重整法制氫技術。

            1、蒸汽氣化制氫技術

            蒸汽氣化制氫技術是指利用蒸汽作為氣化劑對生物質原料進行氣化,最終轉化為富氫燃料的過程。

            氣化過程中,生物質原料會經過干燥、熱解、還原和燃燒階段,最終產生混合的氣態產物。該技術通常能夠獲得體積分數 40%~60%的氫氣和高熱值合成氣,缺點是會有焦油作為副產物產生。

            2、超臨界水氣化制氫技術

             

            超臨界水氣化是指生物質在超臨界水(介于氣態和液態下的水)中通過熱解、水解、冷凝和脫氫分解產生 H2、CO2和其他氣體。

            由于在此過程中超臨界水同時作為反應介質和反應物,因此無需干燥生物質原料,可以降低能耗。雖然該技術原料價格較低,但超臨界水系統的初期投資與運行成本較高,并且尚無大規模示范性項目,因此短期內還無法推廣商業使用。

            3、生物質熱解重整法制氫技術

            生物質熱解制氫是指生物質在反應器中完全缺氧或有限氧的條件下,熱分解制取氫氣的技術。熱解后的生物燃料含有酚、酸等含氧化合物,會降低所得燃料品質,因此利用重整法將衍生物轉化為高附加價值產品,最終形成熱解重整法。

            該技術雖然可以在制氫同時獲得高附加值產品,但是受到經濟性、制氫效率、碳轉化效率等多個因素的限制。

            生物法

            生物法制氫技術是指利用微生物代謝將生物質中水分子與有機底物降解轉化為氫氣。常見的技術有光解法、發酵法、光暗耦合發酵法、無細胞系統制氫等。

            1、光解法制氫技術

            光解法制氫技術,可分為直接光解和間接光解。

            直接光解法制氫過程發生在藻類或植物細胞中,微生物通過光合作用直接將水分子分解為氫離子和氧氣,產生的氫離子通過氫化酶轉化為氫氣。

            間接光解法制氫技術是利用藍藻或微藻從淀粉或糖原產生氫氣的過程。

            2、發酵法制氫技術

            發酵法制氫技術,分為光發酵和暗發酵。

            光發酵制氫技術利用厭氧光合微生物將有機底物轉化產生氫氣,是一種安全有效的制氫方式。光發酵制氫技術的系統復雜,會受到預處理方法、原料特性、光生物反應器等多種因素影響。

            暗發酵制氫技術通過專性厭氧菌與兼性生物進行,在特定工況下富含碳水化合物的藻類進行反應后產生氫氣。與光發酵相比,該技術經濟性高且產氫速率快,但其顯著缺點為產物存在有毒化合物。

            發展現狀

            從世界范圍來看,當前各國主要通過石化原料加工制氫,而風能、光能、電解水制氫和生物質制氫等綠氫不到總產量的1%,其中生物氫產能不到綠氫的1%,生物質氫能發展還處于萌芽階段。

            我國生物質制氫技術雖然起步較晚,但是近年來得到飛速發展,具有極大的發展潛力。據統計,美國、中國、日本三個國家占據著全球生物質制氫專利技術的68%,其中我國排名第二,占專利總數約23%,掌握著主流專利技術。自2015年后,我國的專利年申請量已超越美國,躍居于世界第一,并逐漸拉開與他國的差距。

                    生物質作為一種環境友好的可再生能源資源,若能實現其制氫技術產業化,必將對改善能源利用結構、環境污染控制及應對氣候變化產生積極的影響。目前,生物質制氫仍處于早期萌發階段,其中生物質熱化學制氫技術較為成熟,盡管已經可以進行規?;a,但是產氫率不高。隨著國家大力發展氫能,生物質制氫將成為未來實現綠氫大規模生產的焦點,特別是在生物質豐富的地區,生物質制氫將具有巨大的發展潛力和前景。

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