逆转碳排放！生物质气化技术迎接可持续制氢挑战
2024-09-06
如果要实现氢作为环保燃料的潜力，我们需要使其具有成本效益，并摆脱目前市场主导地位的“灰色氢”及其不可持续的二氧化碳排放。生物质热解作为一种潜在的碳中性制氢方式已经得到了充分的研究，但它往往需要大量的原料加工和高能耗。但是现在，一家位于英国的初创公司——Wild Hydrogen——认为他们已经用一种新的气化反应堆技术克服了所有这些问题。他们讨论了如何计划使产氢变为负碳过程，以及如何使用Shimadzu（岛津） GCMS来了解他们的气体，液体和固体产品的组成。
全球氢市场目前价值1000亿英镑，主要目标应用于难以转化为电能的行业，如重工业，以及作为货车和航运的燃料。
但是氢有一个大问题——那就是它的生成方式。目前主导市场的是灰氢，它是由化石燃料气化制成的，但在这个过程中会排放大量的二氧化碳。蓝色氢，以同样的方式产生，但需要碳捕获和储存，是资源密集型的，因此非常昂贵。绿色氢是用可再生电力电解水制成的，它也有同样的问题，而且也使用稀缺的材料，这使得它并不经济。
那么，我们怎样才能既降低氢气生产的资源密集程度，同时又消除——甚至逆转——通常伴随氢气生产的二氧化碳排放呢？英国研发公司Wild Hydrogen认为他们找到了答案，他们正在使用Shimadzu GCMS技术来帮助实现所谓的“清洁氢气”。
将碳捕获添加到生物质气化中
2021年10月，詹姆斯·米尔纳(现任首席执行官)和马克·维克汉姆(现任首席技术官)在咖啡馆的一次谈话中构想了Wild Hydrogen。几个月后，这家公司成立了，并与克兰菲尔德大学和螺旋能源公司合作，帮助他们实现自己的想法。
这个想法的核心是将生物质气化成氢气和二氧化碳，使用一个基于反应器的过程，通过从生产的气流中捕获二氧化碳，有效地去除大气中的二氧化碳。因为原料不是来自化石碳，而且二氧化碳可以被捕获，这种方法不仅可能是碳中和的，而且可能是负碳的。因此，它将能够产生未来经济所需的氢气，同时(实际上)利用光合作用来完成从大气中吸收二氧化碳的艰巨工作。
由于他们的工作仍处于开发阶段，其反应堆的细节和他们使用的过程还没有进入公共领域。但他们已经取得了三个主要进展，能够经济可行地生产氢：
•最小的预处理：他们的方法不需要在进入反应器之前对原料进行大量处理。具体来说，生物质的含水量可以高达50%，并且不需要磨成统一的尺寸，从而提高了整体成本效益。
•降低加热成本：通过精心的反应器设置和工作流程，他们已经能够减少时间和能量，将生物质提高到气化所需的温度和压力。
•资源使用最少：通过只使用现成的金属和陶瓷材料，他们的方法消除了对稀缺或危险的稀土金属的需求。不像其他一些方法，也不需要大量的水，进一步提高了该方法的绿色环保性。
为了证明他们的概念在实践中是可行的，Wild Hydrogen的团队在过去两年中一直忙于开发一系列原型，这些原型在规模、效率和稳健性方面都在稳步增长。他们的反应器设计也被证明可以处理各种不同的生物质原料，包括生物能源作物、林业残留物、大型藻类以及诸如超大型堆肥之类的废物。反应器甚至对废塑料也有很好的处理效果！
Wild Hydrogen的生物质转化过程的结果是一种富含氢气的气体，但其中也含有二氧化碳、一氧化碳、甲烷和一系列其他低浓度的挥发性化合物。但要使他们的反应堆成为一个可行的商业提议，他们需要生产高纯度的气体，并有一个分析系统，可以提供纯度的证据。
尽管氢的纯度对公司来说很重要，但这并不是故事的结局。气化过程还会产生固体生物炭和少量液体生物油(或焦油)。了解这些产品中存在的化学物质对于弄清楚反应堆内部发生的过程，从而优化氢的产量至关重要。但是，该团队还着眼于通过重新利用这些副产品，使整个过程尽可能地“循环”——例如，生物炭可以用于二氧化碳捕获，而生物油可以添加回原料中，以产生更多的氢。
了解所有这些气体、液体和固体的组成需要一个多功能的分析装置——这就是Shimadzu（岛津）进入故事的地方。
开发定制的分析系统
与Shimadzu（岛津）的合作很早就开始了，是在一次实验室贸易展览活动的会议之后。Wild Hydrogen的团队对在一次运行中覆盖整个气体分析范围的可能性感到特别兴奋，并且在意识到Shimadzu咨询方法的价值并亲眼目睹了他们仪器的能力后，决定与其合作。
早期，很明显需要一个定制的系统，因为反应器内的条件不允许使用在线采样，而Wild Hydrogen希望能够适应液体和固体馏分中的非目标化合物以及气体样品的分析，这意味着需要MS检测(而不是FID、TCD或BID)。
用于这类工作的现成系统并不容易获得，但Shimadzu（岛津）专门为特殊应用修改标准的GCMS仪器，因此他们开始为Wild Hydrogen设计一套装置。结果是一个基于Shimadzu GCMS-QP2020NX的定制系统，其气体分析设置涉及从罐子或气囊中填充的两个样品循环。回路连接到PLOT柱，在它们之间为氢气、二氧化碳和其他预期的永久性气体提供优异的性能。同时，使用质谱检测器意味着该系统可以检测和识别生物炭和生物油中预期的挥发性有机化合物，只需将其中一根PLOT柱切换为毛细管柱即可实现混合物的分离。
该系统安装于2023年夏天，几乎与迈克尔·西姆斯博士作为研究化学家加入Wild Hydrogen公司的时间相同。迈克尔拥有有机地球化学的背景，熟悉使用热解技术来研究岩石中的有机残留物，因此使用新的GCMS来研究公司反应器中生物质的分解产物是一个自然的步骤。在他目前的职位上，他正在研究他们的第四个反应堆原型，绰号“迷你（Mini）”，重点是最大限度地提高能源效率和回收热量。
