廢棄生物質的熱化學處理技術正在得到越來越廣泛的關注，氫氣這種高品位潔凈能源便是生物質熱化學處理的重要產物之一。正如寧波諾丁漢大學高級研究員吳韜所說：“利用工農業生產過程中產生的生物質殘余物，在較為溫和的條件下高效、經濟地制備氫氣，是實現生物質殘渣高值化利用的主要手段之一，具有極高的工程價值。”

    能效高于其他制氫路線

    氫是一種新型替代能源，利用廢棄生物質制氫不僅可以實現CO2零排放，解決化石燃料短缺及消耗過程中的溫室效應難題，還能夠避免廢棄物本身面臨的無害化處理問題。

    吳韜介紹：“在能源的轉化效率方面，50%的廢棄生物質熱量能夠轉化到氫氣產物中，高于其他的制氫技術路線。”美國的技術經濟評價結果也表明，以目前的技術水平而言，生物質制備燃料乙醇的一次性投資較小，而熱化和轉化制氫的投入相對較大，但在運行成本方面，制氫卻有著明顯優勢，眼下的問題是如何降低設備投資。目前美國生物質制氫成本為6美元/加侖左右，下一步的目標是降低50%。

    他告訴記者，制氫的方法有很多種。電解水是一種可以大規模制氫的途徑，然而水分子中的氫、氧原子結合緊密，電解過程中要耗用大量電能，比燃燒氫氣本身所產生的熱量還要多。其他礦物燃料制氫方法，如天然氣催化蒸汽重整等表現較好，但其原料為非可再生能源，且制氫過程會對環境造成污染。由此可見，廢棄生物質是可持續的制氫原料，雖然其能量密度較低、資源分布較為分散，但利用潛力很大。

    正在探索生物油氣化產氫

    科學家們一直在探索用可再生廢棄生物質制備氫氣的途徑，生物質熱解耦合催化重整技術就是一種有前途的方法。其大致過程為：將生物質快速裂解轉化為熱值為22MJ/kg左右，包括酚、醛、酸等組分的生物油，然后利用水蒸氣將生物油進行催化重整，制備以氫氣和一氧化碳為主要產物的合成氣。熱解過程產生的殘碳和可燃性氣體，可以進行燃燒為熱解過程提供能量。

    據初步測算，假如用木屑作原料，100克生物油可以得到超過17克的氫氣，而且相對于石腦油和天然氣原料900℃～1100℃的轉化溫度，生物油氣化產氫的裂解溫度僅為650℃～850℃，從而降低了催化重整過程的能耗。“可以說，通過熱解耦合催化重整技術將生物質轉化為易存儲、易運輸、能量密度高的生物油，是實現生物質高效、大規模利用的主要途徑之一。”吳韜表示。

    據了解，這一技術路線最早由美國可再生能源國家實驗室于1993年提出，此后世界范圍內相當多的學者開展了大量研究。前不久，美國科學家根據廢棄生物質資源的特點，專門開發了一種小型的移動式、分布式車載裝備，利用它可以實現廢棄生物質的小規模、分散處理。在國內，吳韜所在課題組也做了很多研究工作，并取得了一定進展。

    催化劑改進是研究重點

    吳韜認為，與現有的生物質制氫技術，如流化床氣化、固定床制氫等相比，生物質熱解耦合催化重整制氫的優點是不需要空氣分離裝置，從而降低了成本，大大提高了經濟性；所得氫氣和合成氣的熱值高于傳統方法，因而具有更高的經濟效益；對原料的依賴性較小，對所有廢棄生物質都可以加以利用。“眼下需要做的是，在技術可靠性和經濟性方面進一步驗證和完善，同時開發高效的催化技術。”他強調說。

    吳韜課題組主要以木屑、秸桿等為原料制氫。大量研究結果表明，不同生物質原料的反應差別不太明顯，都是先將生物質制成生物油再制氫的兩步過程。應該說，熱解技術總體上已經比較成熟，而生物油中氧的含量很高，導致其處理難度較大，對重整過程的催化劑是一大挑戰。國內外科學家對于該過程催化劑選擇性的研究證實，使用不同催化劑所得的產物也有差別。

    他指出，眼下業界對于生物油催化重整過程催化劑的研究重點在于催化劑的活性、選擇性，在工業化過程中還涉及催化劑的壽命和再生問題，盡管開展了很多研究工作，但重要的突破還不多。另一方面，對于制氫反應器的研究也很重要，當下主要集中在水相和氣相兩個方面，水相反應器的開發做得相對較多，然而氣相反應器的能量轉化效率更高，也值得花費精力去開發。