廢棄生物質(zhì)的熱化學(xué)處理技術(shù)正在得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，氫氣這種高品位潔凈能源便是生物質(zhì)熱化學(xué)處理的重要產(chǎn)物之一。正如寧波諾丁漢大學(xué)高級(jí)研究員吳韜所說(shuō)：“利用工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的生物質(zhì)殘余物，在較為溫和的條件下高效、經(jīng)濟(jì)地制備氫氣，是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)殘?jiān)咧祷玫闹饕侄沃唬哂袠O高的工程價(jià)值。”
能效高于其他制氫路線
氫是一種新型替代能源，利用廢棄生物質(zhì)制氫不僅可以實(shí)現(xiàn)CO2零排放，解決化石燃料短缺及消耗過(guò)程中的溫室效應(yīng)難題，還能夠避免廢棄物本身面臨的無(wú)害化處理問(wèn)題。
吳韜介紹：“在能源的轉(zhuǎn)化效率方面，50%的廢棄生物質(zhì)熱量能夠轉(zhuǎn)化到氫氣產(chǎn)物中，高于其他的制氫技術(shù)路線。”美國(guó)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果也表明，以目前的技術(shù)水平而言，生物質(zhì)制備燃料乙醇的一次性投資較小，而熱化和轉(zhuǎn)化制氫的投入相對(duì)較大，但在運(yùn)行成本方面，制氫卻有著明顯優(yōu)勢(shì)，眼下的問(wèn)題是如何降低設(shè)備投資。目前美國(guó)生物質(zhì)制氫成本為6美元/加侖左右，下一步的目標(biāo)是降低50%。
他告訴記者，制氫的方法有很多種。電解水是一種可以大規(guī)模制氫的途徑，然而水分子中的氫、氧原子結(jié)合緊密，電解過(guò)程中要耗用大量電能，比燃燒氫氣本身所產(chǎn)生的熱量還要多。其他礦物燃料制氫方法，如天然氣催化蒸汽重整等表現(xiàn)較好，但其原料為非可再生能源，且制氫過(guò)程會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。由此可見(jiàn)，廢棄生物質(zhì)是可持續(xù)的制氫原料，雖然其能量密度較低、資源分布較為分散，但利用潛力很大。
正在探索生物油氣化產(chǎn)氫
科學(xué)家們一直在探索用可再生廢棄生物質(zhì)制備氫氣的途徑，生物質(zhì)熱解耦合催化重整技術(shù)就是一種有前途的方法。其大致過(guò)程為：將生物質(zhì)快速裂解轉(zhuǎn)化為熱值為22MJ/kg左右，包括酚、醛、酸等組分的生物油，然后利用水蒸氣將生物油進(jìn)行催化重整，制備以氫氣和一氧化碳為主要產(chǎn)物的合成氣。熱解過(guò)程產(chǎn)生的殘?zhí)己涂扇夹詺怏w，可以進(jìn)行燃燒為熱解過(guò)程提供能量。
據(jù)初步測(cè)算，假如用木屑作原料，100克生物油可以得到超過(guò)17克的氫氣，而且相對(duì)于石腦油和天然氣原料900℃～1100℃的轉(zhuǎn)化溫度，生物油氣化產(chǎn)氫的裂解溫度僅為650℃～850℃，從而降低了催化重整過(guò)程的能耗。“可以說(shuō)，通過(guò)熱解耦合催化重整技術(shù)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易存儲(chǔ)、易運(yùn)輸、能量密度高的生物油，是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)高效、大規(guī)模利用的主要途徑之一。”吳韜表示。
據(jù)了解，這一技術(shù)路線最早由美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于1993年提出，此后世界范圍內(nèi)相當(dāng)多的學(xué)者開(kāi)展了大量研究。前不久，美國(guó)科學(xué)家根據(jù)廢棄生物質(zhì)資源的特點(diǎn)，專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了一種小型的移動(dòng)式、分布式車(chē)載裝備，利用它可以實(shí)現(xiàn)廢棄生物質(zhì)的小規(guī)模、分散處理。在國(guó)內(nèi)，吳韜所在課題組也做了很多研究工作，并取得了一定進(jìn)展。
催化劑改進(jìn)是研究重點(diǎn)
吳韜認(rèn)為，與現(xiàn)有的生物質(zhì)制氫技術(shù)，如流化床氣化、固定床制氫等相比，生物質(zhì)熱解耦合催化重整制氫的優(yōu)點(diǎn)是不需要空氣分離裝置，從而降低了成本，大大提高了經(jīng)濟(jì)性；所得氫氣和合成氣的熱值高于傳統(tǒng)方法，因而具有更高的經(jīng)濟(jì)效益；對(duì)原料的依賴(lài)性較小，對(duì)所有廢棄生物質(zhì)都可以加以利用。“眼下需要做的是，在技術(shù)可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)一步驗(yàn)證和完善，同時(shí)開(kāi)發(fā)高效的催化技術(shù)。”他強(qiáng)調(diào)說(shuō)。
吳韜課題組主要以木屑、秸桿等為原料制氫。大量研究結(jié)果表明，不同生物質(zhì)原料的反應(yīng)差別不太明顯，都是先將生物質(zhì)制成生物油再制氫的兩步過(guò)程。應(yīng)該說(shuō)，熱解技術(shù)總體上已經(jīng)比較成熟，而生物油中氧的含量很高，導(dǎo)致其處理難度較大，對(duì)重整過(guò)程的催化劑是一大挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)外科學(xué)家對(duì)于該過(guò)程催化劑選擇性的研究證實(shí)，使用不同催化劑所得的產(chǎn)物也有差別。
他指出，眼下業(yè)界對(duì)于生物油催化重整過(guò)程催化劑的研究重點(diǎn)在于催化劑的活性、選擇性，在工業(yè)化過(guò)程中還涉及催化劑的壽命和再生問(wèn)題，盡管開(kāi)展了很多研究工作，但重要的突破還不多。另一方面，對(duì)于制氫反應(yīng)器的研究也很重要，當(dāng)下主要集中在水相和氣相兩個(gè)方面，水相反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)做得相對(duì)較多，然而氣相反應(yīng)器的能量轉(zhuǎn)化效率更高，也值得花費(fèi)精力去開(kāi)發(fā)。
