生物質(zhì)制氫：廢物利用與綠氫生產(chǎn)兩不誤
2024-01-29
導(dǎo) 語(yǔ)
氫氣作為一種清潔燃料，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，已成為未來(lái)能源中最有前途的能源載體之一。尋找綠色、環(huán)保制氫技術(shù)成為發(fā)展綠色氫能的關(guān)鍵所在，目前，綠氫制取技術(shù)有電解水制氫、生物質(zhì)制氫、光催化制氫等，其中生物質(zhì)制氫使得廢棄生物質(zhì)得到資源化利用，減少了環(huán)境污染，被認(rèn)為是一種具有發(fā)展?jié)摿颓熬暗募夹g(shù)。
生物制氫
生物質(zhì)是指直接或間接利用光合作用形成各種有機(jī)物的總稱(chēng)，具有可再生性、儲(chǔ)量豐富、低污染性和可儲(chǔ)存性等優(yōu)點(diǎn)，是僅次于煤炭、石油、天然氣之后的第四大能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界每年的生物質(zhì)產(chǎn)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(zhì)制氫主要是指生物質(zhì)經(jīng)過(guò)不同預(yù)處理后，利用化學(xué)或生物的方法制取氫氣的技術(shù)。與其他制氫方式相比，生物質(zhì)制氫不僅可以為現(xiàn)代化發(fā)展提供大量的氫能支持，還能有效地處理多種農(nóng)業(yè)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(guó)每年可利用生物質(zhì)資源約為35億噸，其主要來(lái)源為能源作物、農(nóng)業(yè)廢棄殘留物、林業(yè)廢棄殘留物和工業(yè)城市廢棄殘留物。由于使用的生物質(zhì)原料多為廢棄殘留物，生物質(zhì)制氫技術(shù)也被稱(chēng)為垃圾制氫，產(chǎn)出的氫氣也被稱(chēng)為“翠氫”或“超級(jí)綠氫”。
技術(shù)路徑
目前，生物質(zhì)制氫技術(shù)主要包括熱化學(xué)法和生物法兩個(gè)技術(shù)路徑。
熱化學(xué)法
生物質(zhì)熱化學(xué)法制氫是指通過(guò)熱化學(xué)處理，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成富氫可燃?xì)夂笸ㄟ^(guò)分離提純得到氫氣的方法。該方法可由生物質(zhì)原料直接制氫，也可由生物質(zhì)解聚的中間產(chǎn)物（如甲醇、乙醇）制氫。根據(jù)具體制氫過(guò)程的不同可將該路徑進(jìn)一步劃分為蒸汽氣化制氫技術(shù)、超臨界水氣化制氫技術(shù)和生物質(zhì)熱解重整法制氫技術(shù)。
1、蒸汽氣化制氫技術(shù)
蒸汽氣化制氫技術(shù)是指利用蒸汽作為氣化劑對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行氣化，最終轉(zhuǎn)化為富氫燃料的過(guò)程。
氣化過(guò)程中，生物質(zhì)原料會(huì)經(jīng)過(guò)干燥、熱解、還原和燃燒階段，最終產(chǎn)生混合的氣態(tài)產(chǎn)物。該技術(shù)通常能夠獲得體積分?jǐn)?shù) 40%~60%的氫氣和高熱值合成氣，缺點(diǎn)是會(huì)有焦油作為副產(chǎn)物產(chǎn)生。
2、超臨界水氣化制氫技術(shù)
超臨界水氣化是指生物質(zhì)在超臨界水（介于氣態(tài)和液態(tài)下的水）中通過(guò)熱解、水解、冷凝和脫氫分解產(chǎn)生 H2、CO2和其他氣體。
由于在此過(guò)程中超臨界水同時(shí)作為反應(yīng)介質(zhì)和反應(yīng)物，因此無(wú)需干燥生物質(zhì)原料，可以降低能耗。雖然該技術(shù)原料價(jià)格較低，但超臨界水系統(tǒng)的初期投資與運(yùn)行成本較高，并且尚無(wú)大規(guī)模示范性項(xiàng)目，因此短期內(nèi)還無(wú)法推廣商業(yè)使用。
3、生物質(zhì)熱解重整法制氫技術(shù)
生物質(zhì)熱解制氫是指生物質(zhì)在反應(yīng)器中完全缺氧或有限氧的條件下，熱分解制取氫氣的技術(shù)。熱解后的生物燃料含有酚、酸等含氧化合物，會(huì)降低所得燃料品質(zhì)，因此利用重整法將衍生物轉(zhuǎn)化為高附加價(jià)值產(chǎn)品，最終形成熱解重整法。
該技術(shù)雖然可以在制氫同時(shí)獲得高附加值產(chǎn)品，但是受到經(jīng)濟(jì)性、制氫效率、碳轉(zhuǎn)化效率等多個(gè)因素的限制。
生物法
生物法制氫技術(shù)是指利用微生物代謝將生物質(zhì)中水分子與有機(jī)底物降解轉(zhuǎn)化為氫氣。常見(jiàn)的技術(shù)有光解法、發(fā)酵法、光暗耦合發(fā)酵法、無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)制氫等。
1、光解法制氫技術(shù)
光解法制氫技術(shù)，可分為直接光解和間接光解。
直接光解法制氫過(guò)程發(fā)生在藻類(lèi)或植物細(xì)胞中，微生物通過(guò)光合作用直接將水分子分解為氫離子和氧氣，產(chǎn)生的氫離子通過(guò)氫化酶轉(zhuǎn)化為氫氣。
間接光解法制氫技術(shù)是利用藍(lán)藻或微藻從淀粉或糖原產(chǎn)生氫氣的過(guò)程。
2、發(fā)酵法制氫技術(shù)
發(fā)酵法制氫技術(shù)，分為光發(fā)酵和暗發(fā)酵。
光發(fā)酵制氫技術(shù)利用厭氧光合微生物將有機(jī)底物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生氫氣，是一種安全有效的制氫方式。光發(fā)酵制氫技術(shù)的系統(tǒng)復(fù)雜，會(huì)受到預(yù)處理方法、原料特性、光生物反應(yīng)器等多種因素影響。
暗發(fā)酵制氫技術(shù)通過(guò)專(zhuān)性厭氧菌與兼性生物進(jìn)行，在特定工況下富含碳水化合物的藻類(lèi)進(jìn)行反應(yīng)后產(chǎn)生氫氣。與光發(fā)酵相比，該技術(shù)經(jīng)濟(jì)性高且產(chǎn)氫速率快，但其顯著缺點(diǎn)為產(chǎn)物存在有毒化合物。
發(fā)展現(xiàn)狀
從世界范圍來(lái)看，當(dāng)前各國(guó)主要通過(guò)石化原料加工制氫，而風(fēng)能、光能、電解水制氫和生物質(zhì)制氫等綠氫不到總產(chǎn)量的1%，其中生物氫產(chǎn)能不到綠氫的1%，生物質(zhì)氫能發(fā)展還處于萌芽階段。
我國(guó)生物質(zhì)制氫技術(shù)雖然起步較晚，但是近年來(lái)得到飛速發(fā)展，具有極大的發(fā)展?jié)摿?。?jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)、中國(guó)、日本三個(gè)國(guó)家占據(jù)著全球生物質(zhì)制氫專(zhuān)利技術(shù)的68%，其中我國(guó)排名第二，占專(zhuān)利總數(shù)約23%，掌握著主流專(zhuān)利技術(shù)。自2015年后，我國(guó)的專(zhuān)利年申請(qǐng)量已超越美國(guó)，躍居于世界第一，并逐漸拉開(kāi)與他國(guó)的差距。
總 結(jié)
生物質(zhì)作為一種環(huán)境友好的可再生能源資源，若能實(shí)現(xiàn)其制氫技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，必將對(duì)改善能源利用結(jié)構(gòu)、環(huán)境污染控制及應(yīng)對(duì)氣候變化產(chǎn)生積極的影響。目前，生物質(zhì)制氫仍處于早期萌發(fā)階段，其中生物質(zhì)熱化學(xué)制氫技術(shù)較為成熟，盡管已經(jīng)可以進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)，但是產(chǎn)氫率不高。隨著國(guó)家大力發(fā)展氫能，生物質(zhì)制氫將成為未來(lái)實(shí)現(xiàn)綠氫大規(guī)模生產(chǎn)的焦點(diǎn)，特別是在生物質(zhì)豐富的地區(qū)，生物質(zhì)制氫將具有巨大的發(fā)展?jié)摿颓熬啊?/span>
