碳中和：应对能源与环境挑战，实现可持续发展的必由之路

碳中和：应对能源与环境挑战，实现可持续发展的必由之路

一、碳中和的含义和意义

在工业社会中，煤炭、石油、天然气等化石燃料为全球生产活动提供了主要的一次能源。全球经济增长和人口增长导致全球能源需求不断增加，化石能源作为主要一次能源的问题日益突出。化石能源造成的温室气体排放，进而引发气候变暖和极端天气频发，开始日益威胁全人类的生存和生活质量。这已成为未来二三十年必须解决的问题。同时，化石能源的不可再生性带来的可持续发展问题，以及油气资源分布不均带来的严重地缘政治和持续军事风险，都是全人类特别是人类共同面临的重大问题。大国，不得不考虑。因此，世界主要大国无论是出于责任，还是出于自身战略利益的考虑，都根据自身情况宣布了碳达峰和碳中和计划，以尽可能实现“联合国气候目标”。可能的。例如，2020年，中国政府公开承诺“双碳目标”，即中国二氧化碳排放在2030年之前达到峰值，在2060年之前实现净零排放，即“碳中和”。与“碳达峰”相比，“碳中和”显然是一项更加艰巨的任务。

为了实现碳中和，同时维持或进一步提高现有的生活水平，能源消耗总量可能需要进一步增加。因此，新能源大规模替代化石能源是近十年来必须完成的任务。然而，当前新能源特别是风能、太阳能等可再生资源虽然具有较高的技术可行性，但能源波动性、随机性、能量密度低等缺点必须通过技术发展逐步克服。为此，以氢能为代表的能源储运技术越来越受到关注。目前，大多数讨论集中在风电和光伏发电产生的绿色氢的存储和运输上。很少有人关注如何利用储氢技术来充分利用生物质能源和废弃能源这个“能源宝库”。

2.生物质能源及生物质制氢概述

生物质在自然界以多种形式存在，包括陆地生物质、水生生物质、城市垃圾、农业固体废物、林业剩余物、工业废物等。生物质资源来源广泛，属于可再生资源。例如，我国每年废弃秸秆7亿吨。如果通过适当的技术转化为石油，可以满足我国所有汽油和柴油的需要。在工业生产、农业生产和日常生活中，会产生大量的边角料或废物，例如生活垃圾，其中大部分是有机成分，经过处理后可以分解产生氢气，也可以转化为其他燃料。干垃圾的能量密度远高于餐厨垃圾，且干垃圾难以降解，对填埋危害很大。如果用于能源，那就是“变废为宝”的生动例子。随着我国垃圾分类的推进，干垃圾制氢等资源化利用前景诱人。需要指出的是，垃圾中的有机物并不一定是生物质。但两者在制氢技术上却有着非常相似的技术特点。在一般讨论中，两者常常被合并为一个问题。

3、生物质（包括垃圾）制氢方法

生物质（包括垃圾，下文不再详细讨论）制氢技术主要通过化学和生物方法实现（图1）。化学法可细分为气化法、热解重整法、超临界水转化法和钢渣促进蒸汽重整法等方法。生物法可分为光发酵制氢法、暗发酵制氢法、光暗耦合发酵法等方法。

图1 生物质制氢技术路线分类示意图

3.1 热化学法[1]

化学法主要是热化学法，是在气化装置或热解装置中使生物质发生反应以获得氢气的技术。常见的有气化制氢、热解制氢、超临界水转化制氢等。

(1)生物质气化制氢技术

生物质气化涉及反应组分多，反应过程复杂。生物质气化在高温（800−900 °C）下将干燥生物质转化为可燃气体混合物，以增加氢气产量。在气化结束时，生物质主要转化为CO和H2以及一些水、CO2和CH4。根据是否使用气化剂，可分为不使用气化剂和使用气化剂两类。不使用气化剂的反应称为热解气化反应。根据所添加的气化剂可分为空气气化、水蒸气气化、氧气气化和复合气化。

(2)生物质热解重整法

生物质热解重整制氢分为两步。首先，在厌氧条件下或通入少量空气，将生物质热分解，得到气、固、液三相混合产物；其次，去除产品中的生物质残碳，处理产品中的大分子烷烃和生物油。重整增加氢气产量。

(3)超临界水转化法

生物质超临界水转化法是将水和有机生物质混合材料加入到温度为22MPa及以上、温度为380℃及以上的超临界反应器中。该方法可以获得较高的生物质转化率，且不产生焦油等副产物。

(4)钢渣促进蒸汽重整

钢渣促进蒸汽重整以钢渣为原料，制备性能优异的CO2吸附剂，与生物质气体重整耦合，提高制氢效率。同时实现了生物质和钢渣的高效利用。

生物法则

3.2 生物规律[2]

微生物的代谢主要用于产生氢气，过程比较简单。常见的有光发酵、暗发酵、光暗耦合发酵等。

(1)光发酵

光发酵是由非硫菌（固氮酶）在缺乏氮气和有机酸作为还原剂的条件下，通过光能的作用完成的。光反应过程中的反应式如下：

在此过程中，光合细菌在阳光的作用下可以产生大量的氢气。光异养细菌能够在有机废物存在的情况下将光能转化为氢气。

(2) 黑暗发酵

黑暗发酵过程不需要任何光能源，这是相对于光发酵过程的主要优点。研究发现富含碳水化合物和糖的生物质产品是更适合暗发酵技术制氢的原料。在此过程中，利用多种厌氧菌和兼性菌，如大肠杆菌、艰难梭菌、阴沟肠杆菌等，对各种有机物质进行高效转化。黑暗发酵产生气体混合物（更少的二氧化碳、甲烷和硫化氢）和更高产量的氢气。

(3)明暗耦合

在系统厌氧发酵过程中，1摩尔葡萄糖完全重整产生12摩尔H2（+6H2O→12H2+6CO2）。然而，由于热力学限制，在正常条件下葡萄糖的完全转化是不可能的。在光发酵过程中提供外部能量，理论上1摩尔完全转化的葡萄糖可产生12摩尔H2。在没有外部能源（如光源）的情况下，发酵菌通过暗发酵过程从1摩尔葡萄糖中获得4摩尔H2和一些其他副产物（+2H2O→4H2+2CO2+2AcOH） 。暗发酵阶段合成的醋酸盐还可被光合细菌氧化生成H2（AcOH+2H2O+光→4H2+2CO2）。因此，通过整合光发酵和DF工艺，可以实现更高产率的连续生产H2。

4、生物质制氢存在的问题

尽管生物质制氢技术取得了一定的发展并部分实现了规模化生产，但氢气产量较低。生物质制氢面临一些挑战。例如，在生物质化学制氢技术中，制氢受制于催化剂的性能，重点仍然是制备高活性、高稳定性、价格低廉的催化剂。微生物制氢技术也存在一些缺点：反应效果受多种因素影响，如反应底物浓度、底物pH值、底物浓度、反应温度、菌株类型、反应时间等。例如，当反应底物浓度过高，会抑制微生物发酵，减少产氢量；过高的氢气分压也会降低氢气的产率。

从整个产业链来看，生物质制氢属于氢能产业链的“制氢”环节。生物质制氢技术要想获得进一步的发展动力，还需要从整个产业链的角度寻找短板，提升整体竞争力。氢能产业链的三大环节：“制氢”、“储运供应”、“氢消费”，目前“储运供应”环节是制约氢能发展的关键。氢能源产业。解决下游技术有利于促进上游技术的应用。

5、载体储氢技术的意义和方法概述

随着减碳的紧迫性和使用可再生能源的重要性不断被认识到，世界主要大国都将氢能产业视为未来二十年力争发展壮大的产业。预计2050年氢能产业将产生巨大影响，市场规模达万亿甚至十万亿。显然，氢能的产业前景取决于氢气生产、储存、运输、供应、使用三大环节技术短板的解决。如上所述，目前中间环节是主要瓶颈，而解决这一瓶颈的核心技术是找到好的“氢载体”——单位质量氢含量高时安全友好的载体/体积。 、易于储存和运输，并且在储存和供应的两个往复过程中，充放氢速度快，能耗低（操作温度尽可能接近室温，无需过度冷却或加热），和良好的循环可逆性。

氢载体储氢及供氢技术路线可分为物理型（如通过高压、冷却、吸附等过程储存氢气，并通过逆过程释放）和化学型（基于储存）两大类。含氢化合物的生成和分解反应）。 、运输、供应）。业内常将基于物理氢载体的技术路线称为物理储氢技术，基于化学氢载体的技术路线常称为化学储氢技术。物理储氢，如高压气态储氢，其原理和结构相对简单，且具有快速释放氢气的优点。但其运输过程的体积和质量密度较低，导致运输过程的效率较低。同时，高压氢气存在安全隐患，存在安全事故。后果很严重。低温液化储氢技术中，冷却和压缩对储氢容器材料要求较高，且消耗大量能源，导致综合成本较高。物理吸附吸附能力受使用条件影响，只能在特定条件下发挥作用。化学储氢技术包括金属或金属合金储氢、氨储氢、有机液储氢等不同材料路线。总体原理类似，重点考虑的是材料的物理和化学性质、材料成本以及储存和供应氢气的难度。不同的材质载体有各自的优缺点，适合不同的细分场景。目前的氢载体存在一定的技术缺陷。但在科技工作者的努力下，它们正在不断完善并逐步满足应用需求，特别是不同细分场景的需求。

在众多储氢方式中，考虑到安全性和运营成本，液态有机物无疑是最有利于大规模储存、运输和供应场景的。其中，有机液氢载体（LOHC）是一种在常温常压下可以长期储存的液体，典型的质量氢含量为5-7wt%。通过催化加氢和催化供氢反应形成储存和供应。氢气闭环。加氢或供氢后的载体性质与汽油、柴油相似，非常适合利用现有石油设施（如油罐车、输油管道）进行储存和运输。与现有设施的兼容性是有机液体技术路线的突出优势。对于大规模、长距离、长期的氢能储存、传输和供应场景，LOHC技术路线相对来说是最有优势的路线。

6、生物质（含废弃）制氢与液氢储存技术相结合的优势及前景

基于以下技术特点，可以想象，如果将生物质制氢技术和有机液氢承载技术作为上下游共同使用，两者的技术特点可以互补，大大增强整个技术路线的竞争力：

（1）生物质制氢和LOHC储氢技术与炼油化工技术具有相似的特点，因此可以集成、工艺强化、能源互补。这两种技术可以组合成一体化技术，直接连接生产、净化、储存和运输。 ，供应链，可以灵活地向下游氢气用户供应氢气。

(2)生物质制氢产生的氢气产品杂质较多，提纯相对困难。单纯依靠PSA技术会导致设备投资成本较高。如果利用LOHC储氢的净化存储功能，对生物质产气的质量要求将大大降低。如果以垃圾为原料，有望达到“垃圾进——优质氢出”的效果。

（3）生物质制氢的单套生产规模与有机液氢储存加氢的单套生产规模相匹配，两者之间易于形成技术对接。

(4)如果使用干垃圾代替一般生物质，则可以抑制以前技术中常见的二恶英污染问题，因为催化制氢过程需要高温。

图2 干废制氢-储氢及供氢技术路线图。

从政策角度看，生物质制氢属于可再生能源开发利用技术，是国家鼓励的新能源利用领域。有机液态储氢技术也是氢能产业链中的一环，两者都有望获得政策红利。干垃圾制氢利用（技术路线如图2所示）不仅可以贡献碳中和的需求，还可以为解决垃圾围城问题、减少环境污染做出巨大贡献。

参考

[1] 等人，在：A，Chem。工程师。 。 2021年，44，第00期，1–17

[2] 张辉等，生物质制氢技术及其研究进展，中国造纸卷，2015， 38，2019 年第 7 期。