(1) مفهوم و تعریف تولید هیدروژن زیست توده
تولید هیدروژن زیست توده عمدتاً به استفاده از گازسازی یا اکسیژن زدایی کاتالیزوری میکروبی برای تولید گاز سنتز حاوی هیدروژن پس از انجام پیش تصفیه های مختلف زیست توده اشاره دارد. منابع زیست توده قابل دسترس سالانه چین حدود 3.5 میلیارد تن است که منابع اصلی آن محصولات انرژی، پسماندهای کشاورزی، پسماندهای جنگلی و زباله های جامد صنعتی و شهری است. استفاده از مواد خام زیست توده برای تولید هیدروژن روشی است که با شرایط ملی چین تطبیق مییابد و مسیر فناوری تولید هیدروژن خوبی با چشمانداز توسعه امیدوارکننده دارد. از آنجایی که ماده خام در برخی سناریوها زیست توده کربن دار است، این مسیر به عنوان مسیر تولید هیدروژن «کربن منفی» نیز در نظر گرفته می شود و هیدروژن تولید شده از این مسیر را «هیدروژن زمرد» یا «هیدروژن فوق سبز» نیز می نامند.
(2) مسیر فنی برای تولید هیدروژن از زیست توده
فناوری تولید هیدروژن زیست توده را می توان به دو مسیر عمده تقسیم کرد: تولید هیدروژن ترموشیمیایی و تولید هیدروژن بیولوژیکی. تولید هیدروژن ترموشیمیایی را می توان به سه مسیر فنی تقسیم کرد: تبخیر بخار، تبخیر آب فوق بحرانی، و ترک و اصلاح حرارتی زیست توده. تولید هیدروژن بیولوژیکی را روش تخریب میکروبی و تولید هیدروژن تخمیر زیست توده نیز می نامند، از جمله فتولیز مستقیم/غیرمستقیم مسیرهای فرعی مختلفی مانند فتولیز، تخمیر نور، تخمیر تاریک، تخمیر همراه نور تاریک، تبدیل زیستی آنزیم بدون سلول و غیره وجود دارد.
مسیر فناوری 1: روش ترموشیمیایی
به روش تبدیل زیست توده به گاز قابل احتراق غنی از هیدروژن از طریق عملیات ترموشیمیایی و سپس به دست آوردن هیدروژن خالص از طریق جداسازی اشاره دارد. این روش می تواند هیدروژن را مستقیماً از مواد خام زیست توده، یا از محصولات واسطه پلیمریزاسیون زیست توده (مانند متانول، اتانول) تولید کند. با توجه به فرآیندهای خاص مختلف، می توان آن را به فناوری گازسازی با بخار، فناوری تبدیل به گاز آب فوق بحرانی و فناوری اصلاح کننده تجزیه در اثر حرارت زیست توده تقسیم کرد:
فناوری گازسازی با بخار: فناوری تولید هیدروژن تبدیل به گاز بخار، بخار را به عنوان عامل تبدیل به گاز انتخاب می کند. هدف از تصفیه گازی شدن مواد خام زیست توده حذف اجزای غیرقابل اشتعال مانند نیتروژن و آب برای افزایش ارزش حرارتی سوخت است. در عین حال، حذف گوگرد و نیتروژن می تواند از ورود محصولات آنها به جو جلوگیری کند و نسبت جرم عناصر هیدروکربنی را کاهش دهد. این روش به طور کلی می تواند حجم را به دست آورد. عیب استفاده از هیدروژن 40 تا 60 درصد و گاز سنتز با ارزش حرارتی بالا این است که قطران به عنوان یک محصول جانبی تولید می شود. بنابراین، کاوش کاتالیزورهای مقرون به صرفه برای افزایش تولید هیدروژن، کاهش دمای تبدیل به گاز، ترویج ترک خوردگی قطران و توسعه فناوری تصفیه تار سبز، تبدیل قطران به گاز سنتز ارزشمند و سیستمهای جداسازی هیدروژن در حال حاضر کاربرد بیشتر این فناوری است.
تکنولوژی اصلاح ترک حرارتی:اصل این فناوری حرارت دادن غیرمستقیم زیست توده در دمای 350 تا 600 درجه و جداسازی هوا و اکسیژن (یا اکسیژن محدود) است تا بتوان آن را پیرولیز کرد و به بیوتار، کک و گاز تبدیل کرد. هیدروکربن ها بیشتر به صورت کاتالیزوری ترک می شوند تا گاز غنی از هیدروژن به دست آید و گاز برای به دست آوردن هیدروژن جدا می شود. با فرض استفاده از کاتالیزور، کسر حجمی هیدروژن در گاز پیرولیز می تواند به 30٪ تا 50٪ برسد. با این حال، قطران تولید شده در طی فرآیند پیرولیز باعث خوردگی تجهیزات و خطوط لوله می شود و باعث کاهش راندمان تولید هیدروژن می شود. مراحل کلیدی بعدی در حال حاضر توسعه کاتالیزورهای اقتصادی جدید، تحقیق و توسعه فرآیندهای حذف قطران کم هزینه، فرآیندهای جداسازی هیدروژن و غیره است.
تبخیر آب فوق بحرانی: به تجزیه زیست توده در آب فوق بحرانی برای تولید H2، CO، CO2، CH4 و سایر گازها از طریق پیرولیز، هیدرولیز، تراکم و هیدروژن زدایی اشاره دارد. فناوری تولید هیدروژن تبخیر آب فوق بحرانی زیست توده مصرف انرژی نسبتا بالایی دارد. بزرگ، تولید محصولات جانبی قطران و مشکلات دیگر. اگرچه قیمت مواد اولیه این فناوری پایین است، اما هزینه عملیاتی و سرمایه گذاری اولیه سیستم آب فوق بحرانی بالا است و هیچ پروژه نمایشی در مقیاس بزرگ وجود ندارد، بنابراین نمی توان آن را برای استفاده تجاری در کوتاه مدت تبلیغ کرد.
مسیر فناوری 2: روش بیولوژیکی
روشهای بیولوژیکی را میتوان به فتولیز مستقیم، فتولیز غیرمستقیم، تخمیر نور، تخمیر تاریک، تخمیر همراه نور تاریک، تبدیل آنزیم بدون سلول و سایر مسیرهای تقسیمبندی شده تقسیم کرد. مسیرهای فنی مختلف مزایا و معایب خاص خود را دارند که از میان آنها تخمیر همراه روشن و تاریک نه تنها می تواند تقاضا برای انرژی نور را تا حدودی کاهش دهد، بلکه تولید هیدروژن را نیز به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. در حال حاضر این مسیر اصلی توسعه تولید هیدروژن بیولوژیکی است.
(3) پیشرفت تولید هیدروژن زیست توده در داخل و خارج از کشور
نماینده خارجی - انگلستان:
در آغاز سال 2023، وزارت تجارت، انرژی و استراتژی صنعتی بریتانیا (BEIS) اعلام کرد که 30 میلیون پوند برای حمایت از نوآوری در فناوری تولید هیدروژن زیست توده سرمایه گذاری خواهد کرد. جهت اختصاص بودجه:
پیش تصفیه مواد خام: توسعه فناوری پیش تصفیه مواد خام کم هزینه، صرفه جویی در انرژی و کارآمد برای بهینه سازی زیست توده و مواد خام ضایعاتی. از جمله فن آوری دانه بندی، فناوری مرتب سازی مکانیکی، عملیات حرارتی و فناوری تکلیس و غیره؛
تحقیق و توسعه فناوری پیشرفته تبدیل به گاز و اجزای آن: تمرکز بر بهبود کیفیت گاز سنتز و بهبود راندمان تولید هیدروژن. از جمله فناوری نظارت بر زمان واقعی، فناوری حذف فیزیکی، فناوری حذف مواد شیمیایی، فناوری حذف کاتالیزوری و حرارتی تار، فناوری جذب نوسان فشار گاز سنتز، فناوری ادغام گازساز و غیره؛
فناوری جدید تولید هیدروژن زیست توده: تمرکز بر توسعه فناوری جدید تولید هیدروژن زیست توده که می تواند با جذب کربن ترکیب شود. از جمله فناوری تولید هیدروژن تخمیر بی هوازی، فناوری تولید هیدروژن با تخمیر فتو، فناوری تصفیه فاضلاب، فناوری تولید هیدروژن اصلاح متان، فناوری تجزیه در اثر حرارت و غیره؛
چین:
تولید بیولوژیکی هیدروژن - قبلاً در مرحله آزمایشگاهی بوده است. در اوایل سال 2023، اولین پروژه یکپارچه تولید هیدروژن بیولوژیکی و تولید برق کشور در هاربین راه اندازی شد (با استفاده از فناوری تولید هیدروژن تخمیر زیست توده-پسماند، استفاده از کاه پسماند کشاورزی، زباله های محوطه سازی، زباله های مواد غذایی، پساب های آلی با غلظت بالا و غیره به عنوان استفاده می شود. بسترهای تخمیر و سویههای بیهوازی تولیدکننده هیدروژن به عنوان تولیدکنندههای هیدروژن برای پردازش ضایعات در حین بازیابی مقدار زیادی از انرژی پاک هیدروژن استفاده میشوند.
تولید هیدروژن ترموشیمیایی - عمدتاً برای زیست توده یا ضایعات با محتوای آب کم، مانند زباله های شهری و زباله های جامد صنعتی حاوی مقوا، پلاستیک و مواد دیگر استفاده می شود. شرکتهای داخلی مانند بویلر دانگفانگ، گروه دیتانگ و سایر شرکتهای انرژی سنتی در حال استفاده از گازسازی در اثر حرارت برای تولید هیدروژن هستند. با این حال، به دلیل پیچیدگی فرآیند تصفیه گاز، در حال حاضر هیچ پروژه عملیات تجاری بالغ در چین تحت این مسیر وجود ندارد. فناوری جیمان که از آکادمی علوم چین متولد شد، در حال حاضر ساخت پروژههای نمایشی در مقیاس کوچک و آزمایشی را ترویج میکند.
(4) دیدگاه ها و نتیجه گیری های اصلی در مورد تولید هیدروژن زیست توده:
تولید هیدروژن زیست توده می تواند به طور موثر از زباله های صنعتی، کشاورزی و شهری استفاده کند، اما مکان ساخت و ساز توسط منطقه تامین مواد خام محدود شده است و یک مسیر تولید هیدروژن توزیع شده است. محصول مستقیم آن گاز سنتز هیدروژنی است که حاوی ناخالصی هایی مانند CO، H2S و قطران است. گاز قبل از اینکه بتوان از آن استفاده کرد باید بیشتر جدا شود تا هیدروژن بدست آید که بیشتر به عنوان سوخت یا ماده خام صنعتی مناسب است.
روش ترموشیمیایی: نرخ تبدیل سریع است، اما به تجهیزات بالا، کاتالیزورها و غیره نیاز دارد و جداسازی گاز دشوار است. ما میتوانیم روی جهات مهم کلیدی مانند کاتالیزورهای جدید، اصلاح قیر و استفاده، و فرآیندها و تجهیزات جداسازی گاز تمرکز کنیم.
روش بیولوژیکی: عملکرد بالا، کم هزینه، اما ناخالصی های زیاد. در میان آنها، تولید هیدروژن تخمیر همراه با تاریکی تاریکی سریعترین راندمان تولید هیدروژن و بالاترین نرخ استفاده از بستر را دارد و انتظار میرود در آینده به فناوری کاربردی اصلی تولید هیدروژن بیولوژیکی تبدیل شود.
به طور خلاصه، تولید هیدروژن زیست توده به طور کلی هنوز در مراحل اولیه است و برخی از تظاهرات تجاری هنوز در مراحل کوچک و آزمایشی متمرکز هستند. سناریوهای کاربرد آن عمدتاً به عنوان مواد اولیه سوخت صنعتی است. این زمینه می تواند بر روی: تولید هیدروژن تخمیر بیولوژیکی تمرکز کند. پیوندهای کلیدی شامل کشت، تبدیل و آمادهسازی باکتریهای تولیدکننده هیدروژن با کارایی بالا، روش تولید هیدروژن تخمیر همراه با نور تاریک، پیش تصفیه مواد اولیه تولید هیدروژن بیولوژیکی و تجهیزات فرآیند جداسازی هیدروژن است.
محصولات مرتبط در Ehisen
