生物质及有机固废热解制氢技术：废物利用与绿氢生产两不误
生物质及有机固废热解制氢技术：废物利用与绿氢生产两不误
氢气，因其清洁无污染的特性，被视为未来能源领域中最具潜力的能源之一。为了实现绿色、环保的制氢目标，我们正在积极探索各种技术路径。目前，电解水制氢、生物质制氢以及光催化制氢等技术已经崭露头角。在这些技术中，生物质制氢具有特别的意义。通过利用废弃生物质进行制氢，不仅实现了资源的有效再利用，而且显著减少了环境污染。因此，生物质制氢被寄予厚望，认为其具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。
垃圾制氢的逻辑与煤制氢相似，相比煤炭，垃圾的发热量更低，制氢效率仅有40%，但由于垃圾来源广阔且免费，还有一定的垃圾处理补贴，因此垃圾制氢成本略低于电解水制氢，是目前比较理想的绿氢制取方式。
目前阶段，全球制氢业以灰氢为主，由于灰氢生产过程的碳排放问题，长期来看并不可取。所以各国的氢能战略均以蓝氢过渡，将绿氢作为远期发展的目标。根据德勤公司预测，从2040年起，全球灰氢、蓝氢的产量将逐渐让位于绿氢，到2050年，全球绿氢占氢能产量的比重将达到85%。
生物制氢
生物质是指通过直接或间接光合作用所生成的各类有机物的集合，它具备可再生、储量丰富、污染低和可储存等诸多优势，因此被誉为继煤炭、石油、天然气之后的第四大能源。据全球统计，每年生物质产量高达300亿吨，然而，仅有4%被用作能源，显示出生物质在制氢领域具有巨大的资源潜力。
生物质制氢主要指的是，经过一系列预处理后，生物质通过化学或生物方法转化为氢气的技术。相较于其他制氢方式，生物质制氢不仅能为现代社会发展提供稳定而大量的氢能支持，还能高效地将各类农业及生活废弃物转化为高附加值的资源，从而实现废弃物的资源化利用。这种技术不仅有助于推动绿色能源的发展，还对环境保护和可持续发展具有深远的意义。
中国每年可利用的生物质资源量约为35亿吨，这些资源主要来源于能源作物、农业废弃物、林业废弃物以及工业和城市废弃物。鉴于这些生物质原料多为废弃残留物，生物质制氢技术常被形象地称为“垃圾制氢”。通过这种技术生产的氢气，因其高度环保和清洁，被称为“翠氢”或“超级绿氢”，代表着未来能源转型的重要方向。
技术路径
目前，生物质制氢技术主要包括热化学法和生物法两个技术路径。
生物质制氢技术路线
热化学法
生物质热化学法制氢是指通过热化学处理，将生物质转化成富氢可燃气后通过分离提纯得到氢气的方法。该方法可由生物质原料直接制氢，也可由生物质解聚的中间产物（如甲醇、乙醇）制氢。根据具体制氢过程的不同可将该路径进一步划分为蒸汽气化制氢技术、超临界水气化制氢技术和生物质热解重整法制氢技术。
1、蒸汽气化制氢技术
蒸汽气化制氢技术是指利用蒸汽作为气化剂对生物质原料进行气化，最终转化为富氢燃料的过程，其原理如图所示。
生物质蒸汽气化制氢原理
气化过程中，生物质原料会经过干燥、热解、还原和燃烧阶段，最终产生混合的气态产物。该技术通常能够获得体积分数 40%~60%的氢气和高热值合成气，缺点是会有焦油作为副产物产生。
2、超临界水气化制氢技术
超临界水气化是指生物质在超临界水（介于气态和液态下的水）中通过热解、水解、冷凝和脱氢分解产生 H2、CO2和其他气体，其原理如图所示。
超临界水气化制氢原理
由于在此过程中超临界水同时作为反应介质和反应物，因此无需干燥生物质原料，可以降低能耗。虽然该技术原料价格较低，但超临界水系统的初期投资与运行成本较高，并且尚无大规模示范性项目，因此短期内还无法推广商业使用。
3、生物质热解重整法制氢技术
生物质热解制氢是指生物质在反应器中完全缺氧或有限氧的条件下，热分解制取氢气的技术。热解后的生物燃料含有酚、酸等含氧化合物，会降低所得燃料品质，因此利用重整法将衍生物转化为高附加价值产品，最终形成热解重整法，其原理如图所示。
生物质热解重整法制氢原理
该技术虽然可以在制氢同时获得高附加值产品，但是受到经济性、制氢效率、碳转化效率等多个因素的限制。
生物法
生物法制氢技术是指利用微生物代谢将生物质中水分子与有机底物降解转化为氢气。常见的技术有光解法、发酵法、光暗耦合发酵法、无细胞系统制氢等。
1、光解法制氢技术
光解法制氢技术，可分为直接光解和间接光解。
直接光解法制氢过程发生在藻类或植物细胞中，微生物通过光合作用直接将水分子分解为氢离子和氧气，产生的氢离子通过氢化酶转化为氢气，其原理如图所示。
直接光解法制氢原理
间接光解法制氢技术是利用蓝藻或微藻从淀粉或糖原产生氢气的过程，其制氢原理如图所示。
间接光解法制氢原理
2、发酵法制氢技术
发酵法制氢技术，分为光发酵和暗发酵。
光发酵制氢技术利用厌氧光合微生物将有机底物转化产生氢气，是一种安全有效的制氢方式，其机理如图所示。光发酵制氢技术的系统复杂，会受到预处理方法、原料特性、光生物反应器等多种因素影响。
光发酵制氢原理
暗发酵制氢技术通过专性厌氧菌与兼性生物进行，在特定工况下富含碳水化合物的藻类进行反应后产生氢气，具体原理如图所示。与光发酵相比，该技术经济性高且产氢速率快，但其显著缺点为产物存在有毒化合物。
暗发酵制氢原理
发展现状
从世界范围来看，当前各国主要通过石化原料加工制氢，而风能、光能、电解水制氢和生物质制氢等绿氢不到总产量的1%，其中生物氢产能不到绿氢的1%，生物质氢能发展还处于萌芽阶段。
生物质制氢专利技术来源国家分布
我国生物质制氢技术虽然起步较晚，但是近年来得到飞速发展，具有极大的发展潜力。据统计，美国、中国、日本三个国家占据着全球生物质制氢专利技术的68%，其中我国排名第二，占专利总数约23%，掌握着主流专利技术。自2015年后，我国的专利年申请量已超越美国，跃居于世界第一，并逐渐拉开与他国的差距。
总 结
生物质作为一种环境友好的可再生能源资源，若能实现其制氢技术产业化，必将对改善能源利用结构、环境污染控制及应对气候变化产生积极的影响。目前，生物质制氢仍处于早期萌发阶段，其中生物质热化学制氢技术较为成熟，尽管已经可以进行规模化生产，但是产氢率不高。随着国家大力发展氢能，生物质制氢将成为未来实现绿氢大规模生产的焦点，特别是在生物质丰富的地区，生物质制氢将具有巨大的发展潜力和前景。