国际天然气联盟低碳气体技术导论

Contents 概述Page 3 Part 1:DECARBONISATIONPage 6通过厌氧消化生产生物甲烷Page 6热解气第 8 页水热气化第 9 页 E - 甲烷Page 10太阳能光催化过程Page 11 Part 2:DIVERSIFICATIONPage 12甲烷重整Page 13- 用于纯 H2 生产的甲烷重整工艺第 13 页水电解Page 14甲烷热解热气化第 14 页Page 15太阳能光催化过程Page 15生物生产Page 16地质提取Page 17 第 3 部分 ： 创新第 18 页 确认第 19 页 封面图片 ： iStock. com / artisteer 到2023年底，已有超过140个国家作出了本世纪中叶实现碳中和的承诺。要兑现这些承诺，全球能源系统将需要经历一场剧烈而迅速的变革，而天然气行业的灵活性和创新能力正好能够胜任这一任务。 减少排放以符合2015年《巴黎气候协定》的要求，至少需要在三个关键领域加大努力： 脱碳:提高能源效率 ， 减少排放和甲烷泄漏。 多样化 ：使用天然气和低碳和可再生替代品 ， 如生物甲烷 ， 电子甲烷和氢气。 创新 ：从立法、监管和投资视角 ， 不断创新产品和服务呈现给市场、消费者和用户。 低碳气体技术简介03 02低碳气体技术简介 aligned 至 IGU 对巴黎协定国家自主贡献（Nationally Determined Contributions, NDCs）的支持，旨在减少温室气体（GHG）排放，并致力于显著去碳化全球能源系统。这本“低碳气体技术介绍”提供了关于当前可用于部署以加速天然气行业深度脱碳努力的关键低碳和可再生气体技术的简要指南。 天然气及其不断发展的技术通过克服间歇性和不稳定性来支持可再生能源供应。现有的天然气基础设施也将促进低碳和可再生气体的经济高效且更快部署——这对全球经济的深度脱碳至关重要。两者结合可以实现净零路径、能源安全和可及性问题。 未来的能源组合 ： 有一系列的选择在地平线上。图片 ： iStock. com / sharfsinn 报告的第一部分将审查旨在使甲烷分子供应链脱碳的主要五种低 CO2 气体技术。这些是： 1厌氧消化: 基于湿生物质的生物甲烷。 4E - 甲烷: 以二氧化碳为原料的合成甲烷。水热气化 ： 基于液体生物质的合成甲烷3高温处理。热解 ： 从热化学过程中获得的合成甲烷2富含碳的废物。5太阳能光催化过程。 2.报告的第二部分将提供关于氢气生产技术作为能源载体的概览。目前，这类技术在广泛应用中的数量非常有限，必须大幅增加这些技术的数量才能与当前全球气候目标保持一致。只有这样，我们才能确保能源安全和能源转型不会相互抵触。当前作为能源载体的氢气生产技术包括： 甲烷重整:从甲烷分子中提取氢气并去除 CO2 。 水电解:利用可再生电力从水中生产氢气。 热气化:用高热量从固体材料中提取氢气。 甲烷热解 ：使用不产生二氧化碳的方法从甲烷中提取氢气。 太阳能光催化 ：使用专用太阳能装置生产可再生氢气。 生物制氢 ：通过生物质的发酵和光解。 天然氢的地质提取。 02低碳气体技术简介 脱碳 通过厌氧消化生产生物甲烷 厌氧消化是细菌在没有氧气的情况下分解有机物的过程。 这个过程释放出能量丰富的沼气，其甲烷（CH4）含量相对较高，可以被捕获并用作燃料。可以通过向反应器中注入氢气（H2）或使用轻电流来提高CH4/CO2的比例进行增强。 存在广泛的潜在有机物输入可以用作原料的物质，如食品和饲料工业废弃物、粪便和厩肥、绿色废物、间作作物和污水处理污泥。 生物甲烷被认为是碳中性的 生物甲烷生产从生物质原料中捕获一种强大的温室气体——甲烷，并将其转化为有用的燃料。这一过程阻止了甲烷逸入大气，从而避免其对全球变暖的贡献。 生物甲烷是由生物气体制成的，可以像天然气一样使用。它可以直接利用现有的燃气系统而无需任何改动，从而成为一种经济有效且简便的支持脱碳的方式。 大气中的二氧化碳被有机废物捕获并用于生产生物甲烷。燃烧过程产生生物源二氧化碳排放。 补偿效应 ： 对温室气体排放几乎没有影响。 有机废物经过厌氧发酵过程 ，产生消化物and沼气. 沼气 一种可再生燃料 ， 可在现场产生热量(热水和蒸汽) 和电力(CHP) 。 沼气净化后可注入气体网格 ， 用于工业和家庭用途 ， 如加热和烹饪。 4. 最终用途 这些原料被收集并运输到设施 (甲烷化场所), 在那里它们被转化为沼气。 生物气体可以直接用于产生电力和热能，或者提纯为生物甲烷，生物甲烷可作为天然气体的一对一替代品。 生物甲烷可以注入现有的天然气网络，用于工业和家庭用途，如加热或烹饪，以及移动目的。重要的是要记住，生物甲烷生产的效率高度依赖于原料来源。 低碳气体技术简介07 02低碳气体技术简介 热解气 热解气化是一种热化学过程 ， 由加热废物组成i n 没有氧气产生可再生的甲烷。它有两个主要来源 ： 干生物质 ： 木材废物 ， 废物管理中的残留物以及大多数有机废物。 固体回收燃料（ SRF) 是由家庭回收废物以及一般工业和商业废物产生的。 一旦收集 ， 废物被加热到非常高的温度在少量氧气的存在下（800至1500摄氏度），将废物转化为合成气（syngas）。合成气富含一氧化碳、氢气、二氧化碳和甲烷，必须进行净化。 从废物衍生燃料（SRF）生产的合成气含有更多的污染物，相比来自清洁生物质（如植物）的合成气。常规的无机气体去除过程还面临着进一步的挑战，这些过程在投入使用前必须进行适应性调整。 发展也是必要的，以根据其未来的用途净化合成气，包括用于生产氨、甲醇或其他工业化学品和燃料。 水热气化 水热气化需要水的存在将湿或液体有机废物转化为合成气（syngas），通过将废物置于高压和高温条件下进行处理。 产生的合成气是可再生气体 ， 由甲烷 ， 氢气和二氧化碳组成然而 ， 这种合成气的组成根据输入的特性而变化。 该过程使用液体有机废物产生绿色气体，否则难以处置，例如厌氧消化产生的消化残余物、工业或市政污水处理厂的污泥、大型和微藻、液体和固体农业废物、食品工业残余物和副产品。 水热气化包括以下内容 ： - 液态有机废物在高压（260-300巴）下被泵送。- 然后物质通过一个热交换器，该热交换器分离出磷、钾、钙和金属，这些物质随后被提取和回收。 CH4 含量在催化转化中达到 50 - 60%, 当 H2 共同注入气化器时达到 90% 。H2 浓度在合成气中可以达到 50 - 75% 。原料合成气可以直接用于热量和 / 或电力生产 ， 也可以纯化以清洁CH4or H2， 或转化为化学品。 资料来源 ： 2020 年。 Le Cadre E. Mertens J. 新兴可持续技术 该过程在较高和较低的温度下都是可能的(只要使用催化剂) 两者的积极和消极 ， 因为更高的温度需要更多的能量 ， 以及使用珍贵的金属催化剂在较低的温度是昂贵的 ， 有一个有限的寿命。 然后纯化所得合成气以提取不需要的二氧化碳 ， 留下甲烷和氢气这种原始合成气有可能直接用于热能和电力生产。或者，在通过甲烷化步骤将氢气转化为部分二氧化碳生成额外的甲烷之后，最终产生的气体可以经过处理以备注入天然气传输系统。 甲烷含量在催化转化中达到50-60%，而在额外注入氢气的情况下可高达90%。这个过程能有效地产生甲烷或氢气。 E - 甲烷 甲烷化也可用于将一氧化碳(CO) 或二氧化碳(CO2) 与氢气结合以产生电子甲烷,在一个过程中也会产生热量甲烷化是指将氢气转换为甲烷的过程，甲烷可以用于现有的天然气基础设施。 二氧化碳可以从许多来源获得，例如生物源二氧化碳（甲烷化植物）或从工业生产中捕获大气中的二氧化碳，支持发展广泛的新技术，这些技术可能具有减少温室气体排放的潜力。 太阳能光催化过程 人工光合成（AP），也被称为太阳能光催化过程，有潜力生产合成甲烷。这一过程可以减少或消除在低二氧化碳甲烷生产中对电力和温室气体排放以及生物质的需求。 人工光合作用旨在模仿自然光合作过程。它广泛使用半导体作为光催化剂，并常将过程分为两个步骤。 通过光催化方法分解水生产氢气。III通过不同方法利用二氧化碳生产，并随后与氢气反应形成轻质 hydrocarbons。 2.多样化 氢将在能源领域发挥越来越大的作用, Several新兴技术旨在将各种输入转化为氢气，这些氢气随后可在电力和供热行业中使用，并作为化工行业的原料。 下图说明了制氢技术及其潜在能源 ： 除了这些技术 ， 地质 H2 正在成为潜在的来源。 大多数现有的氢市场非常专门化，主要应用于工业领域，并为氨和甲醇生产提供原料，同时作为石油化工、化学、钢铁和食品行业还原剂的作用。 目前氢作为能量载体的用途仍然有限，并且通常是实验性和试点项目；然而，全球计划扩大这些项目的规模非常重要。为了使这些计划得以实现，有必要解决以下几个技术进步优先事项： - 降低成本并扩大其商业记录。- 氢能存储和运输技术、基础设施及标准。- 认证体系开发。- 终端用户设备转换以支持氢气作为燃料。 甲烷重整 甲烷(CH4) 可用于使用以下蒸汽甲烷重整过程产生纯氢 ： III通过使用热量、蒸汽和甲烷在催化剂的作用下反应生成一氧化碳和氢气；这是一个能量密集型的过程。在水煤气变换反应中，一氧化碳与更多蒸汽相结合，生成氢气和二氧化碳。随后可以通过碳捕获技术捕获二氧化碳，因为此时处于受控环境之中。 如果在这一过程中不利用碳捕获和封存技术，将会产生碳排放。然而，当将碳捕获和封存技术加入该过程时，所生产的氢气被视为低碳氢气，也称为“蓝色氢气”。 用于纯 H2 生产的甲烷重整工艺 这个过程包括四个阶段 ： 预处理装置 ， 以预先形成原料并消除硫化合物。I II改革步骤以生产合成气，可以采用蒸汽甲烷重整、部分氧化或自热重整其中的一种方法。这些技术也可以进行组合使用。 转化合成气和 (增加 H2 含量和减少 CO) 的变换反应器。 纯化单元从产物流中分离氢气。 CO2 可以是IV 催化剂: - 金属在 SMR 反应中的相对催化活性 ： Ru > Rh > Ir >Ni> Pt > Pd - 用于高温 WGS 的常规铁铬和用于低温 WGS 的铜合金 部分氧化 自热重整 2>>1/22>>CH4 + H2O CO + 3HCH4 +O2 CO + 2H 1/22>>CH4 +O2 CO + 2HH = 36kJ / mol 水电解 水电解是一种制氢方式利用电能将水分解为氢气和氧气。当过程中使用的电能是可再生或核能时，过程中不会产生温室气体排放，分别可以称为可再生、“绿色”和“粉色”氢气。 一个电气电路是由结合电解质和两个电极形成的电解细胞。这些带电的电极会分解水，其中带有负电荷的电极吸引正电荷的氢离子，相反，带有正电荷的电极吸引负电荷的氧离子，形成分别含有氧气或氢气的气泡，这些气泡可以被收集。 有五个主要技术用于进行水电解 ， 在用于电极和极板的材料方面有所不同 ： PCEC(光电化学) PEM(质子交换膜) 电解 AEM(阴离子交换膜) SOEC(固体氧化物电解) 每项技术都各有优缺点，涉及成本、效率和耐用性等方面。因此，目前正在进行关于改进水电解性能和可行性的进 热气化 热气化是一种使用固体有机物的过程（如煤炭、生物质原料、衍生燃料油[SRFs]以及不可回收塑料的组分）并在高温条件下（700-1500°C）将其转化为合成气。该反应在化学计量条件下进行（意味着所有反应物都被精确控制并完全利用），将固体残余物转化为合成气。 合成气然后进行净化以去除有机污染物（如轻重油焦）和无机污染物（如硫化氢、氨气和盐酸）。随后进行气水转换反应，这意味着生成的一氧化碳可以转化为额外的氢气和二氧化碳。 产生的气体被收集，从中提取氢气（主要为二氧化碳、一氧