逆轉(zhuǎn)碳排放！生物質(zhì)氣化技術(shù)迎接可持續(xù)制氫挑戰(zhàn)
2024-09-06
如果要實現(xiàn)氫作為環(huán)保燃料的潛力，我們需要使其具有成本效益，并擺脫目前市場主導(dǎo)地位的“灰色氫”及其不可持續(xù)的二氧化碳排放。生物質(zhì)熱解作為一種潛在的碳中性制氫方式已經(jīng)得到了充分的研究，但它往往需要大量的原料加工和高能耗。但是現(xiàn)在，一家位于英國的初創(chuàng)公司——Wild Hydrogen——認(rèn)為他們已經(jīng)用一種新的氣化反應(yīng)堆技術(shù)克服了所有這些問題。他們討論了如何計劃使產(chǎn)氫變?yōu)樨?fù)碳過程，以及如何使用Shimadzu（島津） GCMS來了解他們的氣體，液體和固體產(chǎn)品的組成。
全球氫市場目前價值1000億英鎊，主要目標(biāo)應(yīng)用于難以轉(zhuǎn)化為電能的行業(yè)，如重工業(yè)，以及作為貨車和航運的燃料。
但是氫有一個大問題——那就是它的生成方式。目前主導(dǎo)市場的是灰氫，它是由化石燃料氣化制成的，但在這個過程中會排放大量的二氧化碳。藍(lán)色氫，以同樣的方式產(chǎn)生，但需要碳捕獲和儲存，是資源密集型的，因此非常昂貴。綠色氫是用可再生電力電解水制成的，它也有同樣的問題，而且也使用稀缺的材料，這使得它并不經(jīng)濟。
那么，我們怎樣才能既降低氫氣生產(chǎn)的資源密集程度，同時又消除——甚至逆轉(zhuǎn)——通常伴隨氫氣生產(chǎn)的二氧化碳排放呢？英國研發(fā)公司Wild Hydrogen認(rèn)為他們找到了答案，他們正在使用Shimadzu GCMS技術(shù)來幫助實現(xiàn)所謂的“清潔氫氣”。
將碳捕獲添加到生物質(zhì)氣化中
2021年10月，詹姆斯·米爾納(現(xiàn)任首席執(zhí)行官)和馬克·維克漢姆(現(xiàn)任首席技術(shù)官)在咖啡館的一次談話中構(gòu)想了Wild Hydrogen。幾個月后，這家公司成立了，并與克蘭菲爾德大學(xué)和螺旋能源公司合作，幫助他們實現(xiàn)自己的想法。
這個想法的核心是將生物質(zhì)氣化成氫氣和二氧化碳，使用一個基于反應(yīng)器的過程，通過從生產(chǎn)的氣流中捕獲二氧化碳，有效地去除大氣中的二氧化碳。因為原料不是來自化石碳，而且二氧化碳可以被捕獲，這種方法不僅可能是碳中和的，而且可能是負(fù)碳的。因此，它將能夠產(chǎn)生未來經(jīng)濟所需的氫氣，同時(實際上)利用光合作用來完成從大氣中吸收二氧化碳的艱巨工作。
由于他們的工作仍處于開發(fā)階段，其反應(yīng)堆的細(xì)節(jié)和他們使用的過程還沒有進(jìn)入公共領(lǐng)域。但他們已經(jīng)取得了三個主要進(jìn)展，能夠經(jīng)濟可行地生產(chǎn)氫：
•最小的預(yù)處理：他們的方法不需要在進(jìn)入反應(yīng)器之前對原料進(jìn)行大量處理。具體來說，生物質(zhì)的含水量可以高達(dá)50%，并且不需要磨成統(tǒng)一的尺寸，從而提高了整體成本效益。
•降低加熱成本：通過精心的反應(yīng)器設(shè)置和工作流程，他們已經(jīng)能夠減少時間和能量，將生物質(zhì)提高到氣化所需的溫度和壓力。
•資源使用最少：通過只使用現(xiàn)成的金屬和陶瓷材料，他們的方法消除了對稀缺或危險的稀土金屬的需求。不像其他一些方法，也不需要大量的水，進(jìn)一步提高了該方法的綠色環(huán)保性。
為了證明他們的概念在實踐中是可行的，Wild Hydrogen的團隊在過去兩年中一直忙于開發(fā)一系列原型，這些原型在規(guī)模、效率和穩(wěn)健性方面都在穩(wěn)步增長。他們的反應(yīng)器設(shè)計也被證明可以處理各種不同的生物質(zhì)原料，包括生物能源作物、林業(yè)殘留物、大型藻類以及諸如超大型堆肥之類的廢物。反應(yīng)器甚至對廢塑料也有很好的處理效果！
Wild Hydrogen的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的結(jié)果是一種富含氫氣的氣體，但其中也含有二氧化碳、一氧化碳、甲烷和一系列其他低濃度的揮發(fā)性化合物。但要使他們的反應(yīng)堆成為一個可行的商業(yè)提議，他們需要生產(chǎn)高純度的氣體，并有一個分析系統(tǒng)，可以提供純度的證據(jù)。
盡管氫的純度對公司來說很重要，但這并不是故事的結(jié)局。氣化過程還會產(chǎn)生固體生物炭和少量液體生物油(或焦油)。了解這些產(chǎn)品中存在的化學(xué)物質(zhì)對于弄清楚反應(yīng)堆內(nèi)部發(fā)生的過程，從而優(yōu)化氫的產(chǎn)量至關(guān)重要。但是，該團隊還著眼于通過重新利用這些副產(chǎn)品，使整個過程盡可能地“循環(huán)”——例如，生物炭可以用于二氧化碳捕獲，而生物油可以添加回原料中，以產(chǎn)生更多的氫。
了解所有這些氣體、液體和固體的組成需要一個多功能的分析裝置——這就是Shimadzu（島津）進(jìn)入故事的地方。
開發(fā)定制的分析系統(tǒng)
與Shimadzu（島津）的合作很早就開始了，是在一次實驗室貿(mào)易展覽活動的會議之后。Wild Hydrogen的團隊對在一次運行中覆蓋整個氣體分析范圍的可能性感到特別興奮，并且在意識到Shimadzu咨詢方法的價值并親眼目睹了他們儀器的能力后，決定與其合作。
早期，很明顯需要一個定制的系統(tǒng)，因為反應(yīng)器內(nèi)的條件不允許使用在線采樣，而Wild Hydrogen希望能夠適應(yīng)液體和固體餾分中的非目標(biāo)化合物以及氣體樣品的分析，這意味著需要MS檢測(而不是FID、TCD或BID)。
用于這類工作的現(xiàn)成系統(tǒng)并不容易獲得，但Shimadzu（島津）專門為特殊應(yīng)用修改標(biāo)準(zhǔn)的GCMS儀器，因此他們開始為Wild Hydrogen設(shè)計一套裝置。結(jié)果是一個基于Shimadzu GCMS-QP2020NX的定制系統(tǒng)，其氣體分析設(shè)置涉及從罐子或氣囊中填充的兩個樣品循環(huán)?；芈愤B接到PLOT柱，在它們之間為氫氣、二氧化碳和其他預(yù)期的永久性氣體提供優(yōu)異的性能。同時，使用質(zhì)譜檢測器意味著該系統(tǒng)可以檢測和識別生物炭和生物油中預(yù)期的揮發(fā)性有機化合物，只需將其中一根PLOT柱切換為毛細(xì)管柱即可實現(xiàn)混合物的分離。
該系統(tǒng)安裝于2023年夏天，幾乎與邁克爾·西姆斯博士作為研究化學(xué)家加入Wild Hydrogen公司的時間相同。邁克爾擁有有機地球化學(xué)的背景，熟悉使用熱解技術(shù)來研究巖石中的有機殘留物，因此使用新的GCMS來研究公司反應(yīng)器中生物質(zhì)的分解產(chǎn)物是一個自然的步驟。在他目前的職位上，他正在研究他們的第四個反應(yīng)堆原型，綽號“迷你（Mini）”，重點是最大限度地提高能源效率和回收熱量。
