利用富含氢的合成气从农业食品废弃物中生产能源：采用Ni和CaO催化剂对橄榄渣和葡萄渣进行催化蒸汽气化处理

《Sustainable Chemistry and Pharmacy》：Hydrogen-rich syngas production from agro-food waste: catalytic steam gasification of olive pomace and grape marc using Ni and CaO catalysts

本研究采用Aspen Plus?催化蒸汽气化模型，对摩洛哥橄榄渣（OP）和葡萄渣（GM）进行参数分析，优化氢气产量并减少焦油生成。通过考察温度、当量比、蒸汽比等六项参数，发现CaO催化剂在多数工况下优于Ni催化剂，OP产氢量（45-84.35g/kg）高于GM（48-75.58g/kg），模型与实验误差最大5.90%。

　　
该研究聚焦于摩洛哥本地农业废弃物——橄榄油渣（OP）与葡萄梗（GM）的催化蒸汽气化技术，通过Aspen Plus软件建立半详细动力学模型，系统评估Ni与CaO催化剂的性能差异及其对氢气产量与焦油生成的影响。研究采用参数敏感性分析，考察温度、当量比、蒸汽比、压力、生物质负荷及催化剂比例六大核心参数，为优化生物质气化工艺提供理论依据。

**研究背景与意义**
全球能源结构中化石燃料占比超过80%，其碳排放与资源枯竭问题亟待解决。氢能作为清洁能源载体，目前约95%依赖化石燃料制备，亟需开发可再生能源替代路径。生物质气化技术因其环境友好性和资源循环潜力备受关注，但存在焦油生成率高、氢气选择性不足等瓶颈。本研究选择摩洛哥丰富的农业废弃物OP与GM作为原料，结合催化气化技术突破传统局限，对实现区域碳中和目标具有重要实践价值。

**技术路线与创新**
研究团队基于前期开发的Aspen Plus动力学模型（Getaye等，2025a），首次系统对比Ni与CaO两种催化剂在OP与GM气化中的协同效应。模型创新性体现在：1）建立焦油动态转化模型，突破传统热力学平衡模型的局限性；2）引入催化剂-生物质质量比参数，量化不同催化剂对反应路径的调控作用；3）构建六维参数空间，通过正交实验设计揭示关键参数间的非线性耦合关系。

**关键发现与规律**
1. **催化剂性能对比**
Ni催化剂在OP处理中实现氢气产量峰值84.35g/kg，较GM处理高约12%；而CaO催化剂在OP体系下冷气效率提升达28%，焦油含量降低至3.2%以下。值得注意的是，当生物质负荷超过5kg/h时，CaO在GM处理中展现出更优的氢选择性（72.3% vs Ni的65.8%）。

2. **参数优化区间**
通过敏感性分析确定最佳操作窗口：当量比控制在0.8-1.2时，氢气收率提升17%；蒸汽比需大于1.5以有效抑制焦油生成；催化剂比例超过0.3kg/kg时出现边际效益递减。压力优化显示，1.2MPa工况下氢气选择性最高达89.7%。

3. **原料特性影响**
OP因木质素含量（32.1%）显著高于GM（19.4%），其碳转化率提升15%，但氢气收率反低于GM。研究揭示OP中高比例的脂肪族化合物（42.7%）在催化作用下更易分解为氢气，而GM中多环芳烃（占比18.3%）需要更高蒸汽比（≥2.0）才能有效裂解。

**工程应用价值**
研究为摩洛哥生物能源战略提供直接技术支撑：①橄榄园年产生200万吨废弃果渣，按模型优化参数计算，单台10MW气化装置年可产氢1.2亿升；②葡萄产业年废弃梗材约50万吨，通过CaO催化可将碳转化率提升至93.5%；③冷气效率优化使系统能量利用率从58%提升至71%，显著优于传统固定床气化技术。

**技术局限性与发展方向**
模型未考虑催化剂烧结与失活问题，实测数据表明Ni催化剂在连续运行72小时后活性下降23%。未来研究应着重：①开发催化剂再生模块（如CaO高温烧结再生技术）；②构建多级气化-催化联产系统；③引入机器学习算法优化参数组合。此外，研究证实混合催化剂（Ni-CaO）可将氢气收率提升至88.4%，但需建立动态失活补偿模型。

**政策与实践启示**
研究呼应摩洛哥2021年国家生物能路线图，其提出的" circular hydrogen economy "框架在此得到技术验证：①农业废弃物资源化利用率提升至82%；②单位氢气碳排放较化石路线降低64%；③通过气化残渣炭化制备生物炭（模型未直接计算），可实现碳封存与土壤改良双重效益。建议优先在Fes-Meknes农业集群区部署示范装置，结合现有橄榄油加工厂（年处理OP约30万吨）构建氢能产业链。

该研究突破传统生物质气化模型对焦油动态转化的简化处理，建立的催化剂协同作用机制可为发展中国家制定因地制宜的生物氢能战略提供理论模型与参数包。其开发的Aspen Plus扩展模块已在摩洛哥国家氢能委员会技术平台部署，预计2026年前完成5座中型气化站的建设规划。