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氢气从哪来?从香蕉皮、炼厂副产物、固体废物中来

2022-02-23  119

相较煤炭、天然气、石油等传统燃料,氢气具备热 值高、能量密度大、反应零排放等天然优势,是我国碳中和目标下理想的“清洁能源”。我国氢气产量全球领先,2020年达到2500万吨, 2012-2020年CAGR约5.74%。但是从下游应用来看, 我国氢气仍主要应用于化工领域,以氨、甲醇等大 宗材料合成为主,在能源消费领域渗透较低。

国家和地方多重利好政策加持下,我国氢能源行业有望进入高速成长期,氢能将成为我国能源体 系的重要组成部分,在交通运输、工业等领域有望实现持续渗透,产生较为广阔的经济市场。预计2036-2050年氢能 源在我国能源消费中的占比将达到10%,年经济产值将超过10万亿元。在地方政策方面,已有超过20个省市发布氢能相关政策规划,明确2025&2030年氢能发展目标。

那么,氢气从哪来呢?氢气提取又有哪些黑科技呢?一起来盘点一下。

1.从香蕉皮中提取氢气,有助于减少温室气体排放

据外媒报道,洛桑联邦理工学院(EPFL)基础科学学院Hubert Girault教授领导的团队开发了一种新的生物质光热解方法,不仅产生有价值的合成气,还会产生可用于其他用途的固碳生物炭。这种方法利用氙气灯进行闪光灯热解,氙气灯通常用于固化印刷电子产品的金属油墨。过去几年,Girault的团队已将这种方法用于其他用途,如合成纳米颗粒。

这种灯的白色闪光可以提供高功率能量源,以及促进光热化学反应的短脉冲。其理念是通过强大的闪光照射,让生物质吸收光,并立即触发光热生物质转换,从而生成合成气和生物炭。

这种闪光技术可用于不同的生物质资源,如香蕉皮、玉米棒、桔子皮、咖啡豆和椰子壳。首先在105℃下,将这些生物质干燥24小时,接着磨碎并筛成细粉;然后,将这些粉末放入带标准玻璃窗的不锈钢反应器,置于惰性气氛和环境压力中;最后,使氙气灯闪烁,在几毫秒内完成整个转换过程。

研究人员表示,每公斤干生物质大约可产生100L氢气和330g生物炭,相当于原始干香蕉皮质量的33wt.%。该方法也具有积极的能量计算结果,每公斤干生物质可产生4.09MJ能量。这种方法的突出之处在于,其最终产物氢和固碳生物炭都很有价值。氢可以用作绿色燃料,而碳生物炭可以埋在地下用作肥料,也可以用来制造导电电极。

2.国内首次:炼厂将副产氢气提纯至99.999%

》记者获悉,拥有中国石化自主知识产权的首套高纯氢气生产示范装置近日在高桥石化成功投产。该装置以低成本的炼油装置副产氢气为原料,生产燃料电池车用高品质氢气,创造了国内首次将炼厂副产氢气提纯至99.999%的纪录,远高于99.97%的燃料电池车用氢气国家标准。

氢气成本是燃料电池车商业化的瓶颈之一。目前,国内主要有水电解制氢、化石能源制氢及工业副产氢气三种制氢方式。其中,副产氢气作为炼油、化工等行业产品生产过程中普遍存在的副产物,具有成本低、资源丰富等优势。以副产氢气为原料生产燃料电池车用氢气,可有效降低燃料电池车用氢成本,但副产氢气纯度较低、成分复杂,如何使其满足严格的燃料电池车用氢气标准是一项行业难题。

为进一步降低成本,促进氢能产业发展,中国石化组织所属大连(抚顺)石化研究院、广州(洛阳)工程公司、高桥石化组成联合攻关团队,以低成本的炼油系统副产氢气为原料,开发出整套氢燃料电池车用高品质氢气生产技术,并成功实现工业示范,将纯度约90%的炼油装置副产氢气一次提纯到99.999%。

3.新材料实现氢气提纯“一步到位”

近日,中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员江河清与德国汉诺威大学合作,开发出一种新型钛基双相混合导体透氧膜。相较于传统铁基双相膜的化学不稳定性,钛基双相膜材料在含有水蒸气和高浓度氢气气氛下处理100小时,仍然保持原有的相结构和微观形貌,抗还原稳定性十分优异。

研究人员表示,这种新材料可以一步制备不含一氧化碳(CO)的高纯度氢气,后者可作为燃料直接用于氢燃料电池。相关成果日前发表于《德国应用化学》。

陶瓷透氧膜是一类同时具有氧离子—电子混合导电性的陶瓷膜,对氧气具有100%的选择透过性,相比传统技术具有明显优越性。

新开发的Ti基透氧膜材料解决了传统Co、Fe基透氧膜材料在反应与分离耦合过程中稳定性差的问题,因此,将Ti基膜材料构筑膜反应器应用于工业副产氢燃烧驱动的水分解制氢过程中,可以高效低成本地制备不含CO的氢气。

4.纳米金刚石是高效氢气提纯的关键 还可以帮助实现零碳的未来

纳米金刚石可能很小,但它们可以帮助解决当今人类面临的最大问题之一。气候变化。氢气是一种清洁燃烧的燃料,在燃烧后只留下水。许多国家将氢气视为实现零碳未来的途径,但转向氢气经济需要其生产比现在更实惠。

在最近发表在《自然-能源》上的一项研究中,由京都大学综合细胞-材料科学研究所(iCeMS)领导的研究人员描述了纳米金刚石强化复合膜如何从其潮湿的混合物中净化氢气,使氢气生成过程的效率和成本效益大大增加。

领导iCeMS团队的Easan Sivaniah教授说:"有几种可扩展的方法来生产氢气,但氢气通常以潮湿混合物的形式出现,其净化是一个挑战。膜技术可以实现节能和经济的分离过程。但我们需要有合适的膜材料来使其发挥作用。"一种石墨的水溶性衍生物氧化石墨烯(GO)可以组装成一种可用于氢气净化的膜,氢气很容易通过这些过滤器,而较大的分子会被卡住。

在非常潮湿的条件下,氢气通常与二氧化碳或氧气分离。GO片是带负电的,这导致它们相互排斥。当暴露在潮湿的环境中时,带负电荷的片材会更加相互排斥,使水分子积聚在GO片材之间的空间,最终使膜溶解。共同监督这项研究的Behnam Ghalei博士解释说,在GO片上添加纳米二维码可以解决湿度引起的解体问题。"带正电的纳米金刚石可以抵消膜的负排斥力,使GO片更加紧凑和耐水"。

5.俄专家发明一种从固体废物中获取氢的技术

俄罗斯托木斯克理工大学新闻部门发文称,该校专家发明一名可以从固体废物(木屑、煤粉、煤泥、旧轮胎)中获取高含氢量(20%-40%)合成气体的技术。

托木斯克理工大学专家是在能源工程学院“生态能源4.0”科研中心开展的相关研究。这里已装好一系列设备,可以处理从几克到20公斤不同大小的原始产品。托木斯克“热电厂-3”打造了一个综合测试平台,每小时可以处理4吨原始产品。此项技术是以蒸汽热转换法为基础。原始产品在高温(500-1200℃)下受蒸汽影响,具体取决于材料种类。

“我们在此次研究及其他研究中追求的全球目标是找出真正有效的方法,用无人需要的、在能源方面无论如何都无法使用的废物制造出高边际利润产品,同时最大限度地做到环保。我们的目标不是废物的处理而是再加工。”托木斯克理工大学能源工程学院负责发展事务的副主任弗拉基米尔·古宾说,“我们在研究木屑、旧轮胎以及煤炭工业废物,即炉渣、煤泥和煤粉。实验表明,从煤炭工业废物中获得的合成气体含氢量最高。”

在托木斯克理工大学研发的装置中,压实形态的原始材料被水蒸气破坏,无论有氧或无氧,取决于材料本身。过程中只有材料的有机部分被破坏。

古宾解释称:“最终,我们在不同阶段获得了3种产品。在固态阶段获得碳屑,可用于路面或作为过滤物质用于进一步清洁。如果原始材料是松木屑,经加工可获得优质生物质炭,用于食品制造。在液态阶段,可以获得液态烃燃料,可作加热之用。在气态阶段可获得合成气体,由氢气以及最低比例的二氧化碳和氮化合物组成。合成气体可以很好地燃烧,因此也可用来供热、重返技术循环以及从中提取氢气。”

本文来源:盖世汽车,光明网,cnBeta,丝路五通研究

原文链接:https://www.xianjichina.com/special/detail_506038.html

来源:贤集网

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