商业木材气化厂中自持物理活化技术的集成：可再生活性炭生产、多环芳烃去除与发电效率提升的创新路径

为解决生物质气化系统效率低、副产物气化炭(GC)利用率不足等问题，研究人员开展了气化炭物理活化制备活性炭(AC)的集成研究。通过中试规模反应器实现了GC向高比表面积AC(661 m2/g)的转化，同步生成可燃气体使发电效率提升12.5%，并显著降低PAH16含量至WBC标准以下。该研究为生物质能源高值化利用提供了创新解决方案。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，生物质气化技术因其可再生特性备受关注。然而，商业木材气化厂长期面临两大痛点：一是气化过程产生的副产物气化炭(Gasification Char, GC)约占原料5-10wt%，传统处理方式不仅增加成本，更造成碳资源浪费；二是小型气化系统发电效率普遍偏低，经济性较差。更棘手的是，GC中残留的多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAH)存在环境风险，而常规活化技术难以兼顾高孔隙率开发与污染物脱除。

为破解这一技术困局，来自奥地利格拉茨工业大学的D. Gurtner团队创新性地将自持物理活化系统集成到300 kW_el的商业木材气化厂中。研究人员设计的中试螺旋反应器可直接处理热过滤后的GC（300°C），通过调控空气、CO₂和H₂O等活化剂的协同作用，实现了"一箭三雕"：生产高附加值活性炭(AC)、降解PAH污染物、同时利用可燃气体提升发电效率。这项突破性成果发表在能源领域权威期刊《Fuel Processing Technology》上。

研究团队采用四大关键技术方法：(1) 集成化中试反应器设计，实现GC连续进料(4.4-18.3 kg/h)与温度梯度控制(600-940°C)；(2) 多组分活化剂调控，对比纯空气、空气-CO₂、空气-H₂O等组合效果；(3) BET比表面积与孔隙分布分析，结合NLDFT模型解析微孔-介孔结构；(4) 16种PAH检测与6种药物吸附实验，评估环境应用潜力。所有实验原料均来自工业气化厂的林业残余物GC。

实验室规模活化验证
通过4种不同特性的GC在850°C下CO₂活化实验，发现原始GC的BET比表面积(S_BET,GC)与活化后AC(S_BET,AC)呈显著正相关。当S_BET,GC从206 m²/g增至317 m²/g时，绝对孔隙增量(Δ_BET,abs)稳定在224±31 m²/g，证实GC特性对活化效果具有决定性影响。

中试规模活化性能
在空气-CO₂活化组(C2)中获得最佳性能：S_BET,AC达661 m²/g，较原料GC提升146%；PAH16含量从16.4 mg/kg_GC降至1 mg/kg_AC，满足WBC-Premium标准。值得注意的是，空气-H₂O活化(H3)产生可燃气体热值达3.2 MJ/Nm³，H₂含量达8.8 vol%，展现出优异的能源回收潜力。

孔隙结构调控规律
温度与孔隙发育呈现非线性关系：当床层平均温度(T_B)从785°C升至852°C时，S_BET,AC与温度相关系数R²=0.91。但温度超过900°C后，CO₂活化组的微孔体积占比从49%降至42%，说明存在过度活化风险。空气-H₂O活化在T_B=845°C时形成独特的双峰孔隙分布，微孔(49%)与介孔协同提升药物吸附能力。

污染物吸附性能
对6种药物混合液的吸附实验显示，C2组AC总吸附量(q_e,total)达183.7 mg/g_AC，达到商用AC(271.3 mg/g_AC)的68%。特别对磺胺甲恶唑(SMX)的吸附量(38.6 mg/g)甚至超过商用AC，这归因于其优化的孔径分布(平均28 ?)与表面羟基富集。

能源效率提升
通过N₂平衡计算得出，C2组碳转化率(Y_C(g))达81 wt%，理论上可使气化厂发电效率提升12.5%。这种"碳负"运行模式每年可多回收9.6万kWh电力，同时减少CO₂排放约72吨。

这项研究首次在工业气化厂中实现了GC的自持活化三重收益：生产符合WBC标准的可再生AC、深度脱除PAH污染物、显著提升能源效率。其创新价值体现在三个方面：技术上，开发了可集成于现有气化厂的中试活化系统；科学上，揭示了GC特性-活化参数-孔隙结构的构效关系；应用上，为生物质精炼提供了"废物增值-能源增效-环境友好"的闭环解决方案。未来研究可进一步优化H₂O活化工艺，开发烟气活化技术，并通过生命周期评估验证其碳中和贡献。该成果为推进碳负经济提供了切实可行的技术路径。