逆轉碳排放!生物質氣化技術迎接可持續制氫挑戰
2024-09-06
如果要實現氫作為環保燃料的潛力,我們需要使其具有成本效益,并擺脫目前市場主導地位的“灰色氫”及其不可持續的二氧化碳排放。生物質熱解作為一種潛在的碳中性制氫方式已經得到了充分的研究,但它往往需要大量的原料加工和高能耗。但是現在,一家位于英國的初創公司——Wild Hydrogen——認為他們已經用一種新的氣化反應堆技術克服了所有這些問題。他們討論了如何計劃使產氫變為負碳過程,以及如何使用Shimadzu(島津) GCMS來了解他們的氣體,液體和固體產品的組成。
全球氫市場目前價值1000億英鎊,主要目標應用于難以轉化為電能的行業,如重工業,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。藍色氫,以同樣的方式產生,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,這使得它并不經濟。
那么,我們怎樣才能既降低氫氣生產的資源密集程度,同時又消除——甚至逆轉——通常伴隨氫氣生產的二氧化碳排放呢?英國研發公司Wild Hydrogen認為他們找到了答案,他們正在使用Shimadzu GCMS技術來幫助實現所謂的“清潔氫氣”。
將碳捕獲添加到生物質氣化中
2021年10月,詹姆斯·米爾納(現任首席執行官)和馬克·維克漢姆(現任首席技術官)在咖啡館的一次談話中構想了Wild Hydrogen。幾個月后,這家公司成立了,并與克蘭菲爾德大學和螺旋能源公司合作,幫助他們實現自己的想法。
這個想法的核心是將生物質氣化成氫氣和二氧化碳,使用一個基于反應器的過程,通過從生產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,而且可能是負碳的。因此,它將能夠產生未來經濟所需的氫氣,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階段,其反應堆的細節和他們使用的過程還沒有進入公共領域。但他們已經取得了三個主要進展,能夠經濟可行地生產氫:
•最小的預處理:他們的方法不需要在進入反應器之前對原料進行大量處理。具體來說,生物質的含水量可以高達50%,并且不需要磨成統一的尺寸,從而提高了整體成本效益。
•降低加熱成本:通過精心的反應器設置和工作流程,他們已經能夠減少時間和能量,將生物質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,進一步提高了該方法的綠色環保性。
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一系列原型,這些原型在規模、效率和穩健性方面都在穩步增長。他們的反應器設計也被證明可以處理各種不同的生物質原料,包括生物能源作物、林業殘留物、大型藻類以及諸如超大型堆肥之類的廢物。反應器甚至對廢塑料也有很好的處理效果!
Wild Hydrogen的生物質轉化過程的結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性化合物。但要使他們的反應堆成為一個可行的商業提議,他們需要生產高純度的氣體,并有一個分析系統,可以提供純度的證據。
盡管氫的純度對公司來說很重要,但這并不是故事的結局。氣化過程還會產生固體生物炭和少量液體生物油(或焦油)。了解這些產品中存在的化學物質對于弄清楚反應堆內部發生的過程,從而優化氫的產量至關重要。但是,該團隊還著眼于通過重新利用這些副產品,使整個過程盡可能地“循環”——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)進入故事的地方。
開發定制的分析系統
與Shimadzu(島津)的合作很早就開始了,是在一次實驗室貿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,因為反應器內的條件不允許使用在線采樣,而Wild Hydrogen希望能夠適應液體和固體餾分中的非目標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)。
用于這類工作的現成系統并不容易獲得,但Shimadzu(島津)專門為特殊應用修改標準的GCMS儀器,因此他們開始為Wild Hydrogen設計一套裝置。結果是一個基于Shimadzu GCMS-QP2020NX的定制系統,其氣體分析設置涉及從罐子或氣囊中填充的兩個樣品循環?;芈愤B接到PLOT柱,在它們之間為氫氣、二氧化碳和其他預期的永久性氣體提供優異的性能。同時,使用質譜檢測器意味著該系統可以檢測和識別生物炭和生物油中預期的揮發性有機化合物,只需將其中一根PLOT柱切換為毛細管柱即可實現混合物的分離。
該系統安裝于2023年夏天,幾乎與邁克爾·西姆斯博士作為研究化學家加入Wild Hydrogen公司的時間相同。邁克爾擁有有機地球化學的背景,熟悉使用熱解技術來研究巖石中的有機殘留物,因此使用新的GCMS來研究公司反應器中生物質的分解產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。