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生物质热解气燃烧碳排放大，为解决此问题，研究人员开展 “低温化学链燃烧（CLC）氧化生物质热解气可行性” 研究。结果表明 CuO/Al?O?是最有效氧载体，能完全氧化热解气且性能稳定。该研究为热解气碳捕集提供新思路。
在能源与环保领域，生物质热解技术近年来备受关注。它能将生物质转化为有价值的产品和能源，比如生物炭可用于土壤固碳、提升农业生产力，生物油能加工成高级生物燃料或化学品。然而，现有热解技术存在一个关键问题：热解气通常被直接燃烧，导致大量碳以 CO?形式排放到大气中，这与热解作为二氧化碳去除（CDR）技术的初衷相悖。据估算，在 500°C 的快速热解流化床条件下，约 17% 的生物质碳会进入热解气，而在相似温度的慢速热解中，这一比例约为 10%。因此，寻找一种能有效利用热解气中的碳、减少碳排放的方法迫在眉睫。
为了解决这些问题，研究人员开展了关于低温化学链燃烧（CLC）氧化生物质热解气可行性的研究。此次研究未提及具体研究机构，研究成果发表在《Biomass and Bioenergy》杂志上。该研究对于推动生物质热解技术的发展、实现碳捕集与利用具有重要意义，有望为能源可持续发展和环境保护开辟新途径。
研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。在材料准备方面，制备了商业级 CuO、carulite 以及 Al?O?负载的 CuO 作为氧载体（OC），并对其进行了多种表征分析，如采用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）确定金属负载量，N?吸附 - 脱附等温线测定织构性质等。实验中，使用商业混合气模拟热解气，在固定床反应器中进行热解气氧化实验，通过 Agilent 3000-A 微型气相色谱仪在线分析进出气体的成分，以此来研究氧载体的性能。
氧载体的表征
研究人员对三种氧载体的理论氧传输能力进行计算，CuO 为 20.0% ，carulite 为 6.7% ，CuO/Al?O?为 5.8%。XRD 分析显示，新鲜氧载体具有不同的晶体结构，反应后 CuO 和 carulite 分别被完全还原为 Cu?以及 Cu?和 MnO，而 CuO/Al?O?未完全还原。N?吸附分析表明，新鲜材料的比表面积大小顺序为 CuO/Al?O?＞carulite＞CuO，且使用后的氧载体比表面积也有相应变化。H? - TPR 结果显示，不同氧载体有不同的还原峰，这表明它们的还原特性存在差异。
空白实验
在 625°C 的空白实验（使用玻璃棉床）中，研究人员发现不使用氧载体床时，出口气体成分发生显著变化。CO 浓度下降，CO?浓度上升，这是由于 Boudouard 反应（2CO?C (s)+CO?，ΔH = -175.52kJ/mol）在该温度下有利于生成 CO?和碳，且不锈钢中的镍等金属成分会促进此反应。此外，总 C?浓度下降，可能是因为不稳定的 C?H?和 C?H?发生裂解导致碳沉积。实验后还观察到反应器壁有烟灰沉积，通过碳平衡计算得出碳沉积量占进入反应器碳量的 23.3%。后续气体成分变化分析以此空白实验结果为参考。
CuO 的性能
采用 22 实验设计研究温度和重量空速（WHSV）对 CuO 燃烧效率的影响，结果显示这两个因素及其相互作用对燃烧效率均无显著影响。从燃烧效率的时间演变来看，CuO 无法完全氧化热解气，但较高温度能提高热解气的燃烧效率。例如，在 WHSV 为 0.06h?1 时，温度升高氧化效果改善；在 WHSV 为 0.08h?1 时，650°C 下前 15 分钟的氧化效果略好于 600°C。氧载体转换方面，其在实验中转换率较低，在 625°C 和 0.08h?1 条件下，当 OC 转换率约为 14% 时，燃烧效率急剧下降，这表明 CuO 提供的氧可用性有限，可能是由于传质限制和材料比表面积低导致的。
Carulite 的性能
对于 carulite，气体燃烧温度、WHSV 及其相互作用对燃烧效率均有显著影响。高温和低 WHSV 值可获得最佳燃烧效率，如在 650°C 和 0.06h?1 条件下，热解气几乎完全燃烧。但在所有实验条件下，燃烧效率都会随时间下降，且温度降低对燃烧效率的负面影响比 WHSV 增加更大。Carulite 的氧载体转换率随时间线性增加，但仍远未达到高值。在 625°C 和 0.08h?1 条件下，其穿透时间（tB）为 210 分钟，此时床转换率理论上约为 54%，有限的 OC 转换可能归因于传质限制和低比表面积导致部分氧化物成分无法有效参与反应。
CuO/Al?O?的性能
以 CuO/Al?O?为氧载体的实验结果表明，只有 WHSV 对出口 CO?含量有显著影响。在大多数实验条件下，燃烧效率在大部分时间内保持 100%，在 WHSV 为 0.10h?1 时，约 30 分钟后燃烧效率迅速下降；在 WHSV 为 0.06h?1 时，45 分钟后才开始逐渐下降。OC 转换率与燃烧效率的变化一致，能达到理论值的 80% 以上，这表明该氧载体中金属氧化物的可用性较高，活性 CuO 相在 Al?O?载体上的分散性较好。在 625°C 和 0.08h?1 条件下，CuO/Al?O?能完全转化包括 CH?在内的所有热解气，CH?是最难氧化的气体，这证实了其在氧化热解气方面的优越性能。
CLC 循环
由于 CuO/Al?O?表现最佳，研究人员对其进行 CLC 循环实验。在 650°C 下进行 10 个循环，每个循环约 12 小时，实验中气体几乎完全氧化，且整个循环过程中性能稳定，未出现降解。但在每个空气氧化阶段检测到小的 CO?峰，表明存在碳沉积现象。
碳沉积
研究发现三种氧载体均存在碳沉积现象。通过 FESEM 图像可观察到，CuO/Al?O?表面有明显的碳沉积，其形状可能与碳纳米管形成有关；CuO 的碳沉积更为显著，而 carulite 的碳沉积相对不明显。对 CuO/Al?O?在循环实验中的碳沉积进行初步量化，结果显示每循环约 1% 的总碳沉积在氧载体上，且在 600 - 650°C 温度范围内，碳沉积量无显著差异，也未对氧载体性能产生明显影响。
综上所述，该研究表明不同氧载体在低温化学链燃烧氧化生物质热解气的过程中表现各异。CuO/Al?O?是最有前景的氧载体，能高效氧化热解气且具有稳定的长期性能。然而，碳沉积现象在所有氧载体中均有出现，尽管对 CuO/Al?O?性能影响不大，但仍需进一步研究解决。此研究为生物质热解气的碳捕集和高效利用提供了理论依据和实践参考，有助于推动相关技术的发展，在能源和环保领域具有重要意义。未来研究可进一步优化氧载体性能，探索减少碳沉积的方法，以实现生物质热解技术的可持续发展。
