逆轉(zhuǎn)碳排放！生物質(zhì)氣化技術(shù)迎接可持續(xù)制氫挑戰(zhàn)
2024-09-06
如果要實(shí)現(xiàn)氫作為環(huán)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(dǎo)地位的“灰色氫”及其不可持續(xù)的二氧化碳排放。生物質(zhì)熱解作為一種潛在的碳中性制氫方式已經(jīng)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(xiàn)在，一家位于英國的初創(chuàng)公司——Wild Hydrogen——認(rèn)為他們已經(jīng)用一種新的氣化反應(yīng)堆技術(shù)克服了所有這些問題。他們討論了如何計(jì)劃使產(chǎn)氫變?yōu)樨?fù)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(chǎn)品的組成。
全球氫市場目前價(jià)值1000億英鎊，主要目標(biāo)應(yīng)用于難以轉(zhuǎn)化為電能的行業(yè)，如重工業(yè)，以及作為貨車和航運(yùn)的燃料。
但是氫有一個(gè)大問題——那就是它的生成方式。目前主導(dǎo)市場的是灰氫，它是由化石燃料氣化制成的，但在這個(gè)過程中會(huì)排放大量的二氧化碳。藍(lán)色氫，以同樣的方式產(chǎn)生，但需要碳捕獲和儲(chǔ)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(jīng)濟(jì)。
那么，我們怎樣才能既降低氫氣生產(chǎn)的資源密集程度，同時(shí)又消除——甚至逆轉(zhuǎn)——通常伴隨氫氣生產(chǎn)的二氧化碳排放呢？英國研發(fā)公司Wild Hydrogen認(rèn)為他們找到了答案，他們正在使用Shimadzu GCMS技術(shù)來幫助實(shí)現(xiàn)所謂的“清潔氫氣”。
將碳捕獲添加到生物質(zhì)氣化中
2021年10月，詹姆斯·米爾納(現(xiàn)任首席執(zhí)行官)和馬克·維克漢姆(現(xiàn)任首席技術(shù)官)在咖啡館的一次談話中構(gòu)想了Wild Hydrogen。幾個(gè)月后，這家公司成立了，并與克蘭菲爾德大學(xué)和螺旋能源公司合作，幫助他們實(shí)現(xiàn)自己的想法。
這個(gè)想法的核心是將生物質(zhì)氣化成氫氣和二氧化碳，使用一個(gè)基于反應(yīng)器的過程，通過從生產(chǎn)的氣流中捕獲二氧化碳，有效地去除大氣中的二氧化碳。因?yàn)樵喜皇莵碜曰?，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(fù)碳的。因此，它將能夠產(chǎn)生未來經(jīng)濟(jì)所需的氫氣，同時(shí)(實(shí)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(fā)階段，其反應(yīng)堆的細(xì)節(jié)和他們使用的過程還沒有進(jìn)入公共領(lǐng)域。但他們已經(jīng)取得了三個(gè)主要進(jìn)展，能夠經(jīng)濟(jì)可行地生產(chǎn)氫：
•最小的預(yù)處理：他們的方法不需要在進(jìn)入反應(yīng)器之前對原料進(jìn)行大量處理。具體來說，生物質(zhì)的含水量可以高達(dá)50%，并且不需要磨成統(tǒng)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(yīng)器設(shè)置和工作流程，他們已經(jīng)能夠減少時(shí)間和能量，將生物質(zhì)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(xiàn)成的金屬和陶瓷材料，他們的方法消除了對稀缺或危險(xiǎn)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(jìn)一步提高了該方法的綠色環(huán)保性。
為了證明他們的概念在實(shí)踐中是可行的，Wild Hydrogen的團(tuán)隊(duì)在過去兩年中一直忙于開發(fā)一系列原型，這些原型在規(guī)模、效率和穩(wěn)健性方面都在穩(wěn)步增長。他們的反應(yīng)器設(shè)計(jì)也被證明可以處理各種不同的生物質(zhì)原料，包括生物能源作物、林業(yè)殘留物、大型藻類以及諸如超大型堆肥之類的廢物。反應(yīng)器甚至對廢塑料也有很好的處理效果！
Wild Hydrogen的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的結(jié)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(fā)性化合物。但要使他們的反應(yīng)堆成為一個(gè)可行的商業(yè)提議，他們需要生產(chǎn)高純度的氣體，并有一個(gè)分析系統(tǒng)，可以提供純度的證據(jù)。
盡管氫的純度對公司來說很重要，但這并不是故事的結(jié)局。氣化過程還會(huì)產(chǎn)生固體生物炭和少量液體生物油(或焦油)。了解這些產(chǎn)品中存在的化學(xué)物質(zhì)對于弄清楚反應(yīng)堆內(nèi)部發(fā)生的過程，從而優(yōu)化氫的產(chǎn)量至關(guān)重要。但是，該團(tuán)隊(duì)還著眼于通過重新利用這些副產(chǎn)品，使整個(gè)過程盡可能地“循環(huán)”——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(chǎn)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(gè)多功能的分析裝置——這就是Shimadzu（島津）進(jìn)入故事的地方。
開發(fā)定制的分析系統(tǒng)
與Shimadzu（島津）的合作很早就開始了，是在一次實(shí)驗(yàn)室貿(mào)易展覽活動(dòng)的會(huì)議之后。Wild Hydrogen的團(tuán)隊(duì)對在一次運(yùn)行中覆蓋整個(gè)氣體分析范圍的可能性感到特別興奮，并且在意識(shí)到Shimadzu咨詢方法的價(jià)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(gè)定制的系統(tǒng)，因?yàn)榉磻?yīng)器內(nèi)的條件不允許使用在線采樣，而Wild Hydrogen希望能夠適應(yīng)液體和固體餾分中的非目標(biāo)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(xiàn)成系統(tǒng)并不容易獲得，但Shimadzu（島津）專門為特殊應(yīng)用修改標(biāo)準(zhǔn)的GCMS儀器，因此他們開始為Wild Hydrogen設(shè)計(jì)一套裝置。結(jié)果是一個(gè)基于Shimadzu GCMS-QP2020NX的定制系統(tǒng)，其氣體分析設(shè)置涉及從罐子或氣囊中填充的兩個(gè)樣品循環(huán)?；芈愤B接到PLOT柱，在它們之間為氫氣、二氧化碳和其他預(yù)期的永久性氣體提供優(yōu)異的性能。同時(shí)，使用質(zhì)譜檢測器意味著該系統(tǒng)可以檢測和識(shí)別生物炭和生物油中預(yù)期的揮發(fā)性有機(jī)化合物，只需將其中一根PLOT柱切換為毛細(xì)管柱即可實(shí)現(xiàn)混合物的分離。
該系統(tǒng)安裝于2023年夏天，幾乎與邁克爾·西姆斯博士作為研究化學(xué)家加入Wild Hydrogen公司的時(shí)間相同。邁克爾擁有有機(jī)地球化學(xué)的背景，熟悉使用熱解技術(shù)來研究巖石中的有機(jī)殘留物，因此使用新的GCMS來研究公司反應(yīng)器中生物質(zhì)的分解產(chǎn)物是一個(gè)自然的步驟。在他目前的職位上，他正在研究他們的第四個(gè)反應(yīng)堆原型，綽號“迷你（Mini）”，重點(diǎn)是最大限度地提高能源效率和回收熱量。
