“氫言氫語”｜生物質(zhì)制氫介紹

“氫言氫語”第十九講將帶您了解生物質(zhì)制氫技術(shù)：生物質(zhì)制氫技術(shù)包括熱化學(xué)法（如催化氣化、熱解、生物油重整）和生物法（如暗厭氧發(fā)酵、光合生物制氫、復(fù)合生物制氫），面臨成本和純度挑戰(zhàn)。

生物質(zhì)是指通過光合作用直接或間接生成的有機(jī)物質(zhì)，包括植物、動物、微生物及其排泄物和代謝產(chǎn)物。生物質(zhì)能則是一種能量形式，通過生物體的光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并儲存在生物體中。由于其可再生特性且資源廣泛，生物質(zhì)能是一種重要的能源來源。僅我國農(nóng)作物秸稈每年可用于能源的資源量就可達(dá)2.8億至3.5億噸。盡管生物質(zhì)使用時會產(chǎn)生一氧化碳，但其二氧化碳排放源自大氣，因此不會增加額外的碳排放量。

生物質(zhì)制氫是生物質(zhì)能利用的重要途徑之一，主要有兩大類技術(shù)：熱化學(xué)法制氫和生物法制氫。

熱化學(xué)法制氫

熱化學(xué)法制氫包括生物質(zhì)催化氣化制氫、生物質(zhì)熱解制氫、生物油重整制氫等。生物質(zhì)首先被轉(zhuǎn)化為甲醇、乙醇，然后通過蒸汽重整生成氫氣是較為成熟的技術(shù)路線。

生物質(zhì)催化氣化制氫：將生物質(zhì)在空氣、氧氣或水蒸氣等介質(zhì)中加熱至800~900℃，使其分解生成氫氣、一氧化碳及其他氣體。其關(guān)鍵在于提高氫氣的產(chǎn)量，減少焦油等雜質(zhì)的生成。該過程中產(chǎn)生的微量雜質(zhì)（如H2S、HCl、堿金屬、重金屬等）需通過吸附劑加以處理。

（圖：生物質(zhì)催化氣化制氫流程）

生物質(zhì)熱解制氫：在缺氧或少量供氧的條件下，利用熱能將生物質(zhì)的大分子碳?xì)浠衔飻嗔眩山褂汀⒁谎趸肌錃獾犬a(chǎn)物。通過二次催化裂解焦油可進(jìn)一步生成氫氣。

生物油重整制氫：由美國國家可再生能源實驗室（NREL）提出，首先通過生物質(zhì)熱裂解獲得生物油，再通過水蒸氣重整制氫。

甲醇、乙醇制氫：生物質(zhì)制取甲醇、乙醇的技術(shù)已較為成熟，進(jìn)一步通過甲醇和乙醇的蒸汽重整制氫也是一種可行的路線。

盡管這些熱化學(xué)法在技術(shù)上已具備一定的可行性，并且已有商業(yè)化裝置運行，但仍面臨一些挑戰(zhàn)，如與傳統(tǒng)甲烷重整技術(shù)相比，生物質(zhì)制氫成本較高，經(jīng)濟(jì)性欠缺競爭力。此外，產(chǎn)物氫氣含量較低，含有較多雜質(zhì)，這些雜質(zhì)可能會對燃料電池造成損害，限制了其在高純氫需求場景中的應(yīng)用。

生物法制氫

生物法制氫主要有暗厭氧菌發(fā)酵制氫、光合生物制氫以及光合-發(fā)酵復(fù)合生物制氫三類技術(shù)路線。

暗厭氧菌發(fā)酵制氫：厭氧微生物通過氮化酶或氫化酶降解有機(jī)物生成氫氣，不依賴光能。適用于此過程的微生物包括專性厭氧菌、兼性厭氧菌和少數(shù)好氧菌。

光合生物制氫：包括光解水制氫和光發(fā)酵制氫兩類。光解水制氫是通過藍(lán)藻、綠藻等光合微生物分解水生成氫氣；而光發(fā)酵制氫則是在厭氧光照條件下，利用生物能和光能共同驅(qū)動氫氣的生成。

光合-發(fā)酵復(fù)合生物制氫：結(jié)合暗發(fā)酵和光發(fā)酵的優(yōu)勢，減少光能需求的同時提高氫氣產(chǎn)量。這種復(fù)合技術(shù)有望成為未來生物質(zhì)制氫的發(fā)展方向。

暗發(fā)酵制氫已進(jìn)入中試階段，但要實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)仍需進(jìn)一步提升效率和降低成本。光發(fā)酵和復(fù)合生物制氫技術(shù)則仍處于實驗室研究階段。