(1) 바이오매스 수소 생산의 개념 및 정의
바이오매스 수소 생산은 주로 바이오매스가 다양한 전처리 과정을 거친 후 수소 함유 합성 가스를 생산하기 위해 가스화 또는 미생물 촉매 탈산소화를 사용하는 것을 말합니다. 중국의 연간 이용 가능한 바이오매스 자원은 약 35억 톤이며, 주요 공급원은 에너지 작물, 농업 폐기물 잔류물, 임업 폐기물 잔류물 및 산업 및 도시 고형 폐기물입니다. 바이오매스 원료를 사용하여 수소를 생산하는 것은 중국의 국가적 상황에 적응하는 방법이며 유망한 개발 전망이 있는 우수한 수소 생산 기술 경로를 가지고 있습니다. 일부 시나리오에서 원료가 탄소 함유 바이오매스이기 때문에 이 경로는 "탄소 음성" 수소 생산 경로로도 간주되며 이 경로에서 생산된 수소는 "에메랄드 수소" 또는 "슈퍼 그린 수소"라고도 합니다.
(2) 바이오매스로부터 수소 생산을 위한 기술적 경로
바이오매스 수소 생산 기술은 주로 열화학적 수소 생산과 생물학적 수소 생산의 두 가지 주요 경로로 나눌 수 있습니다. 열화학적 수소 생산은 증기 증발, 초임계 수 증발, 바이오매스 열 분해 및 개질의 세 가지 세분화된 기술 경로로 나눌 수 있습니다. 생물학적 수소 생산은 미생물 분해 방법 및 바이오매스 발효 수소 생산이라고도 하며, 직접 광분해/간접 광분해, 광 발효, 암흑 발효, 명암 결합 발효, 무세포 효소 생물 변형 등 다양한 세분화된 경로가 있습니다.
기술 경로 1: 열화학적 방법
열화학 처리를 통해 바이오매스를 수소가 풍부한 가연성 가스로 전환한 다음 분리를 통해 순수한 수소를 얻는 방법을 말합니다. 이 방법은 바이오매스 원료에서 직접 수소를 생산하거나 바이오매스 분해 중합의 중간 생성물(예: 메탄올, 에탄올)에서 수소를 생산할 수 있습니다. 다른 특정 공정에 따라 증기 가스화 기술, 초임계 수 가스화 기술 및 바이오매스 열분해 개질 기술로 더 나눌 수 있습니다.
증기가스화 기술: 증기 가스화 수소 생산 기술은 증기를 가스화제로 선택합니다. 바이오매스 원료의 가스화 처리 목적은 질소 및 물과 같은 불연성 성분을 제거하여 연료의 발열량을 높이는 것입니다. 동시에 유황과 질소를 제거하면 제품이 대기로 유입되는 것을 방지하고 탄화수소 원소의 질량 비율을 줄일 수 있습니다. 이 방법은 일반적으로 부피를 얻을 수 있습니다. 40%~60% 수소와 고발열량 합성 가스를 사용하는 단점은 타르가 부산물로 생성된다는 것입니다. 따라서 수소 생산을 늘리고, 가스화 온도를 낮추고, 타르 분해를 촉진하고, 친환경 타르 처리 기술을 개발하고, 타르를 귀중한 합성 가스로 개질하고, 수소 분리 시스템을 개발하는 것이 현재 이 기술의 추가 응용 분야입니다.
열분해 개질 기술:이 기술의 원리는 바이오매스를 350~600도에서 간접적으로 가열하고 공기와 산소(또는 제한된 산소)를 분리하여 열분해하여 바이오타르, 코크스 및 가스로 전환하는 것입니다. 탄화수소는 추가로 촉매 분해하여 수소가 풍부한 가스를 얻고 가스를 분리하여 수소를 얻습니다. 촉매를 사용한다는 전제 하에 열분해 가스의 수소 부피 분율은 30%~50%에 도달할 수 있습니다. 그러나 열분해 공정 중에 생성된 타르는 장비와 파이프라인을 부식시켜 수소 생산 효율을 감소시킵니다. 현재 다음 주요 단계는 새로운 경제적인 촉매의 개발, 저비용 타르 제거 공정의 연구 및 개발, 수소 분리 공정 등입니다.
초임계수증발: 초임계수에서 바이오매스를 분해하여 열분해, 가수분해, 응축 및 탈수소화를 통해 H2, CO, CO2, CH4 및 기타 가스를 생성하는 것을 말합니다. 바이오매스 초임계수 기화 수소 생산 기술은 비교적 높은 에너지 소비를 가지고 있습니다. 크고, 타르 부산물 및 기타 문제가 발생합니다. 이 기술의 원자재 가격은 낮지만 초임계수 시스템의 운영 비용과 초기 투자가 높고 대규모 시범 프로젝트가 없으므로 단기적으로 상업적 사용을 추진할 수 없습니다.
기술 경로 2: 생물학적 방법
생물학적 방법은 직접 광분해, 간접 광분해, 광 발효, 암 발효, 명암 결합 발효, 무세포 효소 전환 및 기타 세분화된 경로로 세분될 수 있습니다. 서로 다른 기술 경로에는 각자의 장단점이 있으며, 그 중 명암 결합 발효는 광 에너지 수요를 어느 정도 줄일 수 있을 뿐만 아니라 수소 생산을 크게 증가시킬 수 있습니다. 현재 생물학적 수소 생산의 주요 개발 방향입니다.
(3) 국내외 바이오매스 수소 생산 현황
외무부 대표 - 영국:
2023년 초, 영국 상무, 에너지 및 산업 전략부(BEIS)는 바이오매스 수소 생산 기술 혁신을 지원하기 위해 3,000만 파운드를 투자할 것이라고 발표했습니다. 구체적인 자금 조달 방향:
원료 전처리: 저비용, 에너지 절약 및 효율적인 원료 전처리 기술을 개발하여 바이오매스 및 폐기물 원료를 최적화합니다. 과립화 기술, 기계적 분류 기술, 열처리 및 소성 기술 등을 포함합니다.
첨단 가스화 기술 및 그 구성 요소의 연구 개발: 합성 가스의 품질을 개선하고 수소 생산 효율을 개선하는 데 중점을 둡니다. 실시간 모니터링 기술, 물리적 제거 기술, 화학적 제거 기술, 촉매 및 열 타르 제거 기술, 합성 가스 압력 변동 흡착 기술, 가스화기 통합 기술 등을 포함합니다.
새로운 바이오매스 수소 생산 기술: 탄소 포집과 결합할 수 있는 새로운 바이오매스 수소 생산 기술 개발에 집중합니다. 여기에는 혐기성 발효 수소 생산 기술, 광발효 수소 생산 기술, 폐수 처리 기술, 메탄 개질 수소 생산 기술, 열분해 기술 등이 포함됩니다.
중국:
생물학적 수소 생산 - 이전에 실험실 단계에 있었습니다. 2023년 초에 전국 최초의 생물학적 수소 생산 및 발전 통합 프로젝트가 하얼빈에서 시작되었습니다(바이오매스 폐기물 발효 수소 생산 기술 사용, 농업 폐기물 짚, 조경 폐기물, 식품 폐기물, 고농축 유기 폐수 등을 발효 기질로 사용하고 효율적인 혐기성 수소 생산 균주를 수소 생산자로 사용하여 폐기물을 처리하고 대량의 청정 에너지 수소를 회수합니다. 이 기술은 하얼빈 공업 대학 런난치 원사 팀에서 나왔습니다).
열화학적 수소 생산 - 주로 바이오매스 또는 수분 함량이 낮은 폐기물, 예를 들어 도시 폐기물 및 골판지, 플라스틱 및 기타 물질이 더 많이 포함된 산업 고형 폐기물에 사용됩니다. Dongfang Boiler, Datang Group 및 기타 전통적인 에너지 기업과 같은 국내 기업은 수소를 생산하기 위해 열분해 가스화를 배치하고 있습니다. 그러나 가스 처리 공정의 복잡성으로 인해 현재 중국에서는 이 경로에 따라 성숙한 상업적 운영 프로젝트가 없습니다. 중국 과학 아카데미에서 태어난 Jiman Technology는 현재 소규모 및 파일럿 규모의 시범 프로젝트 건설을 추진하고 있습니다.
(4) 바이오매스 수소 생산에 대한 주요 관점 및 결론:
바이오매스 수소 생산은 산업, 농업 및 도시 폐기물을 효과적으로 활용할 수 있지만, 건설 위치는 원료 공급 지역에 의해 제한되고 분산형 수소 생산 경로입니다. 직접 생산물은 수소 함유 합성 가스로, CO, H2S 및 타르와 같은 불순물을 포함합니다. 가스는 사용하기 전에 수소를 얻기 위해 추가로 분리해야 하며, 이는 연료 또는 산업 원료로 더 적합합니다.
열화학적 방법: 전환율은 빠르지만, 높은 장비, 촉매 등이 필요하고 가스 분리가 어렵습니다. 새로운 촉매, 타르 개질 및 활용, 가스 분리 공정 및 장비 등 핵심 혁신 방향에 집중할 수 있습니다.
생물학적 방법: 수율은 높고 비용은 낮지만 불순물이 많습니다. 그 중 명암 결합 발효 수소 생산은 수소 생산 효율이 가장 빠르고 기질 이용률이 가장 높으며 앞으로 생물학적 수소 생산의 주류 응용 기술이 될 것으로 예상됩니다.
요약하자면, 바이오매스 수소 생산은 일반적으로 아직 초기 단계에 있으며, 일부 상업적 시범은 여전히 소규모 및 파일럿 단계에 집중되어 있습니다. 그 응용 시나리오는 주로 산업용 연료 원료입니다. 이 분야는 다음에 집중할 수 있습니다. 생물학적 발효 수소 생산. 주요 링크에는 고성능 수소 생산 박테리아의 배양, 변형 및 제조, 명암 결합 발효 수소 생산 방법, 생물학적 수소 생산 원료의 전처리 및 수소 분리 공정 장비가 포함됩니다.
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