(1) Khái niệm và định nghĩa về sản xuất hydro sinh khối
Sản xuất hydro sinh khối chủ yếu đề cập đến việc sử dụng khí hóa hoặc khử oxy xúc tác vi sinh để sản xuất khí tổng hợp chứa hydro sau khi sinh khối trải qua các quá trình xử lý trước khác nhau. Nguồn tài nguyên sinh khối khả dụng hàng năm của Trung Quốc là khoảng 3,5 tỷ tấn, trong đó các nguồn chính là cây trồng năng lượng, chất thải nông nghiệp, chất thải lâm nghiệp và chất thải rắn công nghiệp và đô thị. Việc sử dụng nguyên liệu sinh khối để sản xuất hydro là một phương pháp thích ứng với điều kiện quốc gia của Trung Quốc và có lộ trình công nghệ sản xuất hydro tốt với triển vọng phát triển đầy hứa hẹn. Vì nguyên liệu thô trong một số trường hợp là sinh khối chứa carbon, nên con đường này cũng được coi là con đường sản xuất hydro "carbon âm" và hydro được sản xuất theo con đường này cũng được gọi là "hydro ngọc lục bảo" hoặc "hydro siêu xanh".
(2) Con đường kỹ thuật sản xuất hydro từ sinh khối
Công nghệ sản xuất hydro sinh khối chủ yếu có thể chia thành hai con đường chính: sản xuất hydro nhiệt hóa học và sản xuất hydro sinh học. Sản xuất hydro nhiệt hóa học có thể chia thành ba con đường kỹ thuật được chia nhỏ: bốc hơi hơi nước, bốc hơi nước siêu tới hạn và nứt nhiệt và cải cách sinh khối; sản xuất hydro sinh học còn được gọi là phương pháp phân hủy vi sinh vật và sản xuất hydro lên men sinh khối, bao gồm quang phân trực tiếp/gián tiếp Có nhiều con đường được chia nhỏ khác nhau như quang phân, lên men sáng, lên men tối, lên men kết hợp sáng-tối, chuyển đổi sinh học enzyme không có tế bào, v.v.
Đường dẫn công nghệ 1: Phương pháp nhiệt hóa học
Là phương pháp chuyển đổi sinh khối thành khí dễ cháy giàu hydro thông qua xử lý nhiệt hóa học và sau đó thu được hydro tinh khiết thông qua quá trình tách. Phương pháp này có thể sản xuất hydro trực tiếp từ nguyên liệu sinh khối hoặc từ các sản phẩm trung gian của quá trình khử trùng sinh khối (như metanol, etanol). Theo các quy trình cụ thể khác nhau, có thể chia thành công nghệ khí hóa hơi nước, công nghệ khí hóa nước siêu tới hạn và công nghệ cải cách nhiệt phân sinh khối:
Công nghệ khí hóa hơi nước: Công nghệ sản xuất hydro khí hóa hơi nước chọn hơi nước làm tác nhân khí hóa. Mục đích của quá trình khí hóa nguyên liệu sinh khối là loại bỏ các thành phần không cháy như nitơ và nước để tăng giá trị nhiệt lượng của nhiên liệu. Đồng thời, loại bỏ lưu huỳnh và nitơ có thể ngăn các sản phẩm của chúng xâm nhập vào khí quyển và giảm tỷ lệ khối lượng của các nguyên tố hydrocarbon; phương pháp này thường có thể thu được thể tích Nhược điểm của việc sử dụng 40% đến 60% hydro và khí tổng hợp có giá trị nhiệt lượng cao là hắc ín được tạo ra như một sản phẩm phụ. Do đó, việc khám phá các chất xúc tác tiết kiệm chi phí để tăng sản lượng hydro, giảm nhiệt độ khí hóa, thúc đẩy quá trình nứt hắc ín và phát triển công nghệ xử lý hắc ín xanh, cải tạo hắc ín thành khí tổng hợp có giá trị và hệ thống tách hydro hiện đang là ứng dụng tiếp theo của công nghệ này.
Công nghệ cải tạo nứt nhiệt:Nguyên lý của công nghệ này là làm nóng gián tiếp sinh khối ở nhiệt độ 350 đến 600 độ và cô lập không khí và oxy (hoặc oxy hạn chế), để có thể nhiệt phân và chuyển đổi thành biotar, cốc và khí. Các hydrocacbon tiếp tục được crack xúc tác để thu được khí giàu hydro và khí được tách ra để thu được hydro. Với tiền đề sử dụng chất xúc tác, tỷ lệ thể tích hydro trong khí nhiệt phân có thể đạt 30% đến 50%. Tuy nhiên, hắc ín được tạo ra trong quá trình nhiệt phân sẽ ăn mòn thiết bị và đường ống, làm giảm hiệu quả sản xuất hydro. Các bước quan trọng tiếp theo hiện nay là phát triển các chất xúc tác kinh tế mới, nghiên cứu và phát triển các quy trình loại bỏ hắc ín chi phí thấp, các quy trình tách hydro, v.v.
Sự bốc hơi nước siêu tới hạn: chỉ sự phân hủy sinh khối trong nước siêu tới hạn để tạo ra H2, CO, CO2, CH4 và các loại khí khác thông qua quá trình nhiệt phân, thủy phân, ngưng tụ và tách hydro. Công nghệ sản xuất hydro bốc hơi nước siêu tới hạn sinh khối có mức tiêu thụ năng lượng tương đối cao. Lớn, sản xuất các sản phẩm phụ hắc ín và các vấn đề khác. Mặc dù giá nguyên liệu thô của công nghệ này thấp, nhưng chi phí vận hành và đầu tư ban đầu của hệ thống nước siêu tới hạn lại cao và không có dự án trình diễn quy mô lớn, vì vậy không thể thúc đẩy sử dụng thương mại trong thời gian ngắn.
Con đường công nghệ 2: Phương pháp sinh học
Phương pháp sinh học có thể được chia thành quang phân trực tiếp, quang phân gián tiếp, lên men sáng, lên men tối, lên men kết hợp sáng-tối, chuyển đổi enzyme không tế bào và các con đường phân chia khác; các con đường kỹ thuật khác nhau có ưu điểm và nhược điểm riêng, trong đó lên men kết hợp sáng và tối không chỉ có thể giảm nhu cầu năng lượng ánh sáng ở một mức độ nhất định mà còn làm tăng đáng kể sản lượng hydro. Đây là hướng phát triển chính của sản xuất hydro sinh học hiện nay.
(3) Tiến độ sản xuất hydro sinh khối trong và ngoài nước
Đại diện nước ngoài - Vương quốc Anh:
Vào đầu năm 2023, Bộ Kinh doanh, Năng lượng và Chiến lược Công nghiệp Anh (BEIS) đã công bố sẽ đầu tư 30 triệu bảng Anh để hỗ trợ đổi mới công nghệ sản xuất hydro sinh khối. Hướng tài trợ cụ thể:
Tiền xử lý nguyên liệu thô: phát triển công nghệ tiền xử lý nguyên liệu thô hiệu quả, tiết kiệm năng lượng và chi phí thấp để tối ưu hóa sinh khối và nguyên liệu thô thải. Bao gồm công nghệ tạo hạt, công nghệ phân loại cơ học, công nghệ xử lý nhiệt và nung, v.v.;
Nghiên cứu và phát triển công nghệ khí hóa tiên tiến và các thành phần của nó: tập trung vào việc cải thiện chất lượng khí tổng hợp và nâng cao hiệu quả sản xuất hydro. Bao gồm công nghệ giám sát thời gian thực, công nghệ loại bỏ vật lý, công nghệ loại bỏ hóa học, công nghệ loại bỏ nhựa đường xúc tác và nhiệt, công nghệ hấp phụ dao động áp suất khí tổng hợp, công nghệ tích hợp khí hóa, v.v.;
Công nghệ sản xuất hydro sinh khối mới: Tập trung phát triển công nghệ sản xuất hydro sinh khối mới có thể kết hợp với thu giữ carbon. Bao gồm công nghệ sản xuất hydro lên men kỵ khí, công nghệ sản xuất hydro lên men quang, công nghệ xử lý nước thải, công nghệ sản xuất hydro cải cách mêtan, công nghệ nhiệt phân, v.v.;
Trung Quốc:
Sản xuất hydro sinh học - trước đây đã ở giai đoạn phòng thí nghiệm; vào đầu năm 2023, dự án sản xuất hydro sinh học và phát điện tích hợp đầu tiên của đất nước đã được triển khai tại Cáp Nhĩ Tân (sử dụng công nghệ sản xuất hydro lên men chất thải sinh khối, sử dụng rơm rạ nông nghiệp, chất thải cảnh quan, chất thải thực phẩm, nước thải hữu cơ có nồng độ cao, v.v. làm chất nền lên men và sử dụng các chủng sản xuất hydro kỵ khí hiệu quả làm nhà sản xuất hydro để xử lý chất thải đồng thời thu hồi một lượng lớn hydro năng lượng sạch. Công nghệ này đến từ nhóm của Viện sĩ Ren Nanqi thuộc Viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân).
Sản xuất hydro nhiệt hóa - chủ yếu được sử dụng cho sinh khối hoặc chất thải có hàm lượng nước thấp, chẳng hạn như chất thải đô thị và chất thải rắn công nghiệp có chứa nhiều bìa cứng, nhựa và các chất khác. Các doanh nghiệp trong nước như Dongfang Boiler, Datang Group và các doanh nghiệp năng lượng truyền thống khác đang triển khai khí hóa nhiệt phân để sản xuất hydro. Tuy nhiên, do quá trình xử lý khí phức tạp, hiện tại không có dự án vận hành thương mại nào ở Trung Quốc theo lộ trình này. Jiman Technology, được thành lập từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, hiện đang thúc đẩy xây dựng các dự án trình diễn quy mô nhỏ và thí điểm.
(4) Quan điểm và kết luận chính về sản xuất hydro sinh khối:
Sản xuất hydro sinh khối có thể tận dụng hiệu quả chất thải công nghiệp, nông nghiệp và đô thị, nhưng địa điểm xây dựng bị giới hạn bởi khu vực cung cấp nguyên liệu thô và là đường sản xuất hydro phân tán; sản phẩm trực tiếp của nó là khí tổng hợp chứa hydro, sẽ chứa các tạp chất như CO, H2S và hắc ín. Khí cần được tách thêm để thu được hydro trước khi có thể sử dụng, phù hợp hơn làm nhiên liệu hoặc nguyên liệu thô công nghiệp.
Phương pháp nhiệt hóa học: Tốc độ chuyển đổi nhanh, nhưng đòi hỏi thiết bị, chất xúc tác, v.v. cao và việc tách khí khó khăn; chúng ta có thể tập trung vào các hướng đột phá chính như chất xúc tác mới, cải cách và sử dụng tar, quy trình và thiết bị tách khí.
Phương pháp sinh học: năng suất cao, chi phí thấp nhưng nhiều tạp chất; trong đó, sản xuất hydro bằng phương pháp lên men sáng-tối có hiệu suất sản xuất hydro nhanh nhất và tỷ lệ sử dụng chất nền cao nhất, dự kiến sẽ trở thành công nghệ ứng dụng chủ đạo trong sản xuất hydro sinh học trong tương lai.
Tóm lại, sản xuất hydro sinh khối nói chung vẫn đang trong giai đoạn đầu và một số cuộc trình diễn thương mại vẫn tập trung ở giai đoạn thí điểm và quy mô nhỏ. Các kịch bản ứng dụng của nó chủ yếu là nguyên liệu thô cho nhiên liệu công nghiệp. Lĩnh vực này có thể tập trung vào: sản xuất hydro lên men sinh học. Các liên kết chính bao gồm nuôi cấy, chuyển đổi và chuẩn bị vi khuẩn sản xuất hydro hiệu suất cao, phương pháp sản xuất hydro lên men kết hợp sáng-tối, xử lý sơ bộ nguyên liệu thô sản xuất hydro sinh học và thiết bị quy trình tách hydro.
sản phẩm liên quan trong ehisen
