紧凑流化床钙循环气化生物质制氢技术的经济与环境效益评估

为应对全球温室效应加剧，研究人员针对生物质制氢(BTH)与碱性电解水(AWE)系统开展对比研究，创新性提出紧凑流化床钙循环气化技术，通过技术经济与生命周期评估(LCA)发现：BTH系统氢气成本可低至1.8 $/kg（含CO2 收益），生命周期温室气体(GHG)排放达-17.75 kg CO2eq /kg H2 ，显著优于AWE系统。该研究为碳负性氢能技术提供了重要数据支撑。

　　

随着全球温室效应加剧，飓风、热浪等极端气候事件频发，化石燃料燃烧释放的CO₂
、CH₄
等温室气体成为主要诱因。氢能作为清洁能源载体，其绿色制备技术成为研究热点。当前电解水制氢(AWE)虽可实现零排放，但成本居高不下(3.5-5.1 /kg)；而传统生物质气化制氢虽成本较低(2.69?3.79/kg)，却面临焦油污染、碳排放较高等技术瓶颈。更棘手的是，生物质供应链不稳定、净化工艺复杂等问题制约其规模化应用。

针对这些挑战，中国某研究团队在《Bioresource Technology》发表重要成果，首次对基于紧凑流化床钙循环气化器的生物质制氢(BTH)系统开展全面评估。该团队设计了两套工艺：零碳BTH(ZC-BTH)和负碳BTH(NC-BTH)，通过Aspen Plus流程模拟结合生命周期评价方法，与AWE系统进行多维度对比。研究特别关注气化器创新设计——将传统单一床层分解为底部鼓泡床与顶部提升管复合结构，利用高温CaO实现焦油催化裂解(>750°C)与CO₂
原位捕集的双重功效。

关键技术包括：(1)建立20,000 Nm³
/hr产能的系统模型；(2)采用钙基吸附剂实现气化过程同步脱硫；(3)通过敏感性分析识别电解槽效率、电力平准化成本(LCOE)等关键经济驱动因素；(4)对比分析森林残余物等环境友好型生物质的运输距离对碳排放影响。

结果部分揭示多项重要发现：

1. 经济性优势：在CO₂
   交易价60 /t时，NC?BTH系统氢气成本降至1.8/kg，较AWE(2.94 /kg)降低38.8/t降至15 $/t可使平准化氢成本(LCOH)再降15%。
2. 环境效益突破：NC-BTH系统实现-17.75 kg CO_2eq
   /kg H₂
   的负碳排放，较ZC-BTH(3.25 kg CO_2eq
   /kg H₂
   )和AWE(1.1-4.6 kg CO_2eq
   /kg H₂
   )具有绝对优势。
3. 技术创新验证：提升管设计使甲烷转化率提升62.7%，合成气氢浓度达71-96%，证实复合床层结构对焦油重整的催化增强作用。

结论与讨论部分强调，该紧凑流化床技术通过"一器双区"设计破解了传统气化器温度矛盾——底部鼓泡床维持650-700°C优化CO₂
捕集，而提升管高温区(>750°C)高效裂解焦油。研究首次量化了碳负性氢能的交叉补贴效应：当CO₂
收益超过40 $/t时，BTH成本即可与AWE持平。团队负责人Xiang Wenguo指出，该技术特别适合在农业园区周边部署，既能消纳秸秆等废弃物，又可缩短运输半径进一步降低碳排放。

这项研究为氢能产业的低碳转型提供了新思路，其创新性体现在三方面：(1)通过工艺创新将生物质气化从"碳中性"升级为"碳负性"技术；(2)首次系统比较BTH与AWE在全生命周期下的交叉优势；(3)提出基于地域特征的生物质-氢能-碳交易协同发展模式。未来研究可进一步探索不同生物质原料的适应性，以及规模化放大后的工程优化问题。