(1) Концепция и определение производства водорода из биомассы
Производство водорода из биомассы в основном относится к использованию газификации или микробной каталитической дезоксигенации для получения содержащего водород синтез-газа после того, как биомасса проходит различные предварительные обработки. Ежегодные доступные ресурсы биомассы в Китае составляют около 3,5 млрд тонн, основными источниками которых являются энергетические культуры, отходы сельского хозяйства, отходы лесного хозяйства, а также промышленные и городские твердые отходы. Использование сырья из биомассы для производства водорода является методом, который адаптируется к национальным условиям Китая и имеет хороший технологический маршрут производства водорода с многообещающими перспективами развития. Поскольку сырьем в некоторых сценариях является биомасса, содержащая углерод, этот путь также рассматривается как «углеродно-отрицательный» путь производства водорода, а водород, полученный этим путем, также называется «изумрудным водородом» или «суперзеленым водородом».
(2) Технический путь производства водорода из биомассы
Технология производства водорода из биомассы может быть в основном разделена на два основных пути: термохимическое производство водорода и биологическое производство водорода. Термохимическое производство водорода может быть разделено на три подразделенных технических пути: паровое испарение, сверхкритическое испарение воды и термический крекинг и реформинг биомассы; биологическое производство водорода также называется методом микробной деградации и производством водорода путем ферментации биомассы, включая прямой фотолиз/косвенный. Существуют различные подразделенные пути, такие как фотолиз, световая ферментация, темная ферментация, сопряженная ферментация свет-темнота, бесклеточная ферментативная биотрансформация и т. д.
Технологический путь 1: Термохимический метод
Относится к методу преобразования биомассы в богатый водородом горючий газ посредством термохимической обработки и последующего получения чистого водорода путем разделения. Этот метод позволяет производить водород непосредственно из сырья биомассы или из промежуточных продуктов деполимеризации биомассы (таких как метанол, этанол). В соответствии с различными конкретными процессами его можно далее разделить на технологию паровой газификации, технологию сверхкритической газификации воды и технологию пиролизного риформинга биомассы:
Технология паровой газификации: Технология производства водорода с помощью паровой газификации выбирает пар в качестве газифицирующего агента. Целью газификационной обработки сырья биомассы является удаление негорючих компонентов, таких как азот и вода, для повышения теплотворной способности топлива. В то же время удаление серы и азота может предотвратить попадание их продуктов в атмосферу и снизить массовое соотношение углеводородных элементов; этот метод, как правило, может получить объем Недостатком использования 40–60% водорода и синтез-газа с высокой теплотворной способностью является то, что в качестве побочного продукта образуется смола. Поэтому в настоящее время дальнейшее применение этой технологии заключается в изучении экономически эффективных катализаторов для увеличения производства водорода, снижения температуры газификации, содействия крекингу смолы и разработки технологии обработки зеленой смолы, реформинга смолы в ценный синтез-газ и систем разделения водорода.
Технология термического крекинга-риформинга:Принцип этой технологии заключается в косвенном нагреве биомассы при температуре от 350 до 600 градусов и изоляции воздуха и кислорода (или ограниченного кислорода), чтобы ее можно было пиролизировать и преобразовать в биосмолу, кокс и газ. Углеводороды далее подвергаются каталитическому крекингу для получения богатого водородом газа, а газ разделяется для получения водорода. При условии использования катализатора объемная доля водорода в пиролизном газе может достигать 30% - 50%. Однако смола, образующаяся в процессе пиролиза, будет разъедать оборудование и трубопроводы, что приведет к снижению эффективности производства водорода. Следующими ключевыми шагами в настоящее время являются разработка новых экономичных катализаторов, исследование и разработка недорогих процессов удаления смолы, процессов разделения водорода и т. д.
Сверхкритическое испарение воды: относится к разложению биомассы в сверхкритической воде для получения H2, CO, CO2, CH4 и других газов посредством пиролиза, гидролиза, конденсации и дегидрирования. Технология производства водорода с использованием сверхкритического испарения воды из биомассы имеет относительно высокое энергопотребление. Большое, производство побочных продуктов смолы и другие проблемы. Хотя цена сырья этой технологии низкая, эксплуатационные расходы и первоначальные инвестиции в сверхкритическую водную систему высоки, и нет крупномасштабных демонстрационных проектов, поэтому ее нельзя продвигать для коммерческого использования в краткосрочной перспективе.
Технологический путь 2: Биологический метод
Биологические методы можно подразделить на прямой фотолиз, непрямой фотолиз, световую ферментацию, темную ферментацию, свето-темновую сопряженную ферментацию, бесклеточную ферментативную конверсию и другие подразделенные пути; различные технические пути имеют свои преимущества и недостатки, среди которых свето-темновая сопряженная ферментация может не только в определенной степени снизить потребность в световой энергии, но и значительно увеличить производство водорода. Это основное направление развития биологического производства водорода в настоящее время.
(3) Развитие производства водорода из биомассы в стране и за рубежом
Иностранный представитель - Соединенное Королевство:
В начале 2023 года британский Департамент бизнеса, энергетики и промышленной стратегии (BEIS) объявил, что инвестирует 30 миллионов фунтов стерлингов в поддержку инноваций в технологии производства водорода из биомассы. Конкретные направления финансирования:
Предварительная обработка сырья: разработка недорогой, энергосберегающей и эффективной технологии предварительной обработки сырья для оптимизации биомассы и отходов сырья. Включая технологию грануляции, технологию механической сортировки, технологию термической обработки и прокалки и т. д.;
Исследования и разработки передовой технологии газификации и ее компонентов: фокус на улучшении качества синтез-газа и повышении эффективности производства водорода. Включая технологию мониторинга в реальном времени, технологию физического удаления, технологию химического удаления, технологию каталитического и термического удаления смолы, технологию адсорбции синтез-газа при переменном давлении, технологию интеграции газификатора и т. д.;
Новая технология производства водорода из биомассы: фокус на разработке новой технологии производства водорода из биомассы, которая может быть объединена с улавливанием углерода. Включая технологию производства водорода анаэробной ферментацией, технологию производства водорода фотоферментацией, технологию очистки сточных вод, технологию производства водорода риформингом метана, технологию пиролиза и т. д.;
Китай:
Биологическое производство водорода — ранее оно находилось на лабораторной стадии; в начале 2023 года в Харбине был запущен первый в стране интегрированный проект по биологическому производству водорода и генерации электроэнергии (с использованием технологии производства водорода путем ферментации отходов биомассы, в качестве субстратов ферментации используются сельскохозяйственные отходы, солома, отходы ландшафтного дизайна, пищевые отходы, высококонцентрированные органические сточные воды и т. д., а эффективные анаэробные штаммы, продуцирующие водород, используются в качестве производителей водорода для переработки отходов с получением большого количества чистого энергетического водорода. Технология разработана группой академика Жэнь Наньци из Харбинского технологического института).
Термохимическое производство водорода — в основном используется для биомассы или отходов с низким содержанием воды, таких как бытовые отходы и промышленные твердые отходы, содержащие больше картона, пластика и других веществ. Отечественные предприятия, такие как Dongfang Boiler, Datang Group и другие традиционные энергетические предприятия, внедряют пиролизную газификацию для производства водорода. Однако из-за сложности процесса обработки газа в настоящее время в Китае нет зрелого коммерческого проекта по этому маршруту. Jiman Technology, которая родилась из Китайской академии наук, в настоящее время содействует строительству мелкомасштабных и пилотных демонстрационных проектов.
(4) Основные точки зрения и выводы по производству водорода из биомассы:
Производство водорода из биомассы может эффективно использовать промышленные, сельскохозяйственные и городские отходы, но место строительства ограничено зоной поставки сырья и представляет собой распределенный путь производства водорода; его непосредственным продуктом является водородсодержащий синтез-газ, который будет содержать такие примеси, как CO, H2S и смола. Газ необходимо дополнительно разделить, чтобы получить водород, прежде чем его можно будет использовать, что больше подходит в качестве топлива или промышленного сырья.
Термохимический метод: Скорость конверсии высокая, но она требует сложного оборудования, катализаторов и т. д., а разделение газа затруднено; мы можем сосредоточиться на ключевых прорывных направлениях, таких как новые катализаторы, риформинг и утилизация смолы, а также процессы и оборудование для разделения газа.
Биологический метод: высокий выход, низкая стоимость, но много примесей; среди них производство водорода путем ферментации в условиях света и темноты имеет самую высокую эффективность производства водорода и самую высокую скорость использования субстрата и, как ожидается, станет основной технологией применения биологического производства водорода в будущем.
Подводя итог, можно сказать, что производство водорода из биомассы, как правило, все еще находится на ранних стадиях, а некоторые коммерческие демонстрации все еще сосредоточены на мелкомасштабных и пилотных стадиях. Сценарии его применения в основном в качестве промышленного топливного сырья. Эта область может быть сосредоточена на: биологическом ферментационном производстве водорода. Ключевые связи включают выращивание, трансформацию и подготовку высокопроизводительных бактерий, производящих водород, метод сопряженного ферментационного производства водорода в условиях света и темноты, предварительную обработку биологического сырья для производства водорода и технологическое оборудование для разделения водорода.
сопутствующие товары в ehisen
