芦苇多级骤冷热解系统生产糠醛及化学品的工艺分析与生命周期评价

针对传统芦苇热解过程能耗高、环境负担重的问题，研究人员开发了能量集成资源利用（EIRU）工艺，采用多级骤冷技术分离糠醛、乙酸等高值化学品。该工艺能耗降低50%，全球变暖潜能（GWP）减少90.15 kg CO2 eq.，单吨利润提升14.81美元，为生物质可持续转化提供新范式。

　　

论文解读

湿地被誉为"地球之肾"，其植物芦苇在净化水质、固碳减排方面作用显著，但自然分解会释放甲烷加剧温室效应。传统芦苇利用方式（如能源、建材）附加值有限，而热解转化技术虽能生成生物炭、生物原油（bio-crude）和可燃气体，却面临两大痛点：一是生物原油含水量高达30-50%，极性有机物与水的强结合导致蒸馏脱水能耗巨大；二是其中含氧化合物（如乙酸、糠醛）腐蚀性强、热值低，直接作为燃料性能差。现有提质技术如加氢脱氧（hydrodeoxygenation）、酯化虽能改善品质，但易导致分子量过度降低，牺牲液体产物收率。

北京林业大学的研究团队独辟蹊径，基于芦苇高纤维素/半纤维素特性（含量见原文表1），提出以糠醛（furfural）、乙酸（acetic acid）和富酚油（phenol-rich oil）为主产品的分级利用策略，并设计出革命性的能量集成资源利用（EIRU）工艺。该工艺通过多级骤冷系统，利用热解产物自身热能实现水与有机物的高效分离，相比传统工艺（TRU）节能50%，每吨产品利润增加14.81美元。生命周期评估（LCA）显示，EIRU使全球变暖潜能（GWP）降低90.15 kg CO₂ eq.，人体毒性潜能（HTP）减少22.95 kg 1,4-DB eq.，非生物资源耗竭潜能（ADP）下降1.86 kg Sb eq.，相关成果发表于《Fuel》。

关键技术方法
研究采用内蒙古乌梁素海芦苇为原料（自然干燥后105℃烘干12小时），通过实验获取热解产物分布数据（气体16.2%、生物炭26.7%、生物原油57.1%）。建立EIRU与TRU的流程模型，对比分析物料/能量流动（图7），其中EIRU通过串联精馏塔实现乙酸（纯度99%）、糠醛（纯度99%）和富酚油（酚类含量65%）的分级提纯。

研究结果

1. 实验与产物表征：芦苇热解生物原油中乙酸占有机组分28.60%，糠醛占14.76%，印证了高值化学品分离的可行性。
2. 工艺数据清单：EIRU利用热解产物余热驱动多级分离，水脱除阶段无需外部供能，精馏系统能耗较TRU降低50%。
3. 环境经济分析：EIRU在碳排放、毒性控制等6项LCA指标中全面占优，年处理万吨级芦苇可增收14.81万美元。

结论与意义
该研究创新性地将热解过程与化学品制造耦合，通过EIRU工艺实现"能源-资源"双循环：生物炭还田可减少化肥使用（缓解农业面源污染），可燃气体回用供热解供能，而高纯度化学品显著提升产业链价值。相较于传统生物原油提质路线，EIRU避免了加氢过程中的碳损失，为湿地生态保护与生物质高值化利用提供了可复制的技术模板。作者团队特别声明无利益冲突，研究受北京林业大学国家级大学生创新创业训练计划（s202310022158）资助。