雪松树干超临界水非催化气化：关键影响因素与反应动力学研究

为应对化石能源污染与不可再生性挑战，中国科学院团队针对雪松树干开展超临界水气化(SCWG)研究，系统考察温度(600-750°C)、停留时间(0-10min)、浓度(2.5-10wt%)和粒径(未过滤-300目)对气化效率的影响。研究发现700°C、3min、2.5wt%条件下碳气化效率达61.88%，并建立动力学模型阐明H2主要通过热解、蒸汽重整和水气变换反应生成。该研究为生物质能源化利用提供新思路。

　　

在全球能源转型与碳中和目标背景下，传统化石燃料的环境污染与资源枯竭问题日益严峻。作为可再生能源的重要组成，生物质能因其碳中性特征备受关注。然而，传统生物质转化技术如直接燃烧效率低下，生物转化过程缓慢，而热化学转化常伴随二次污染。超临界水气化(Supercritical Water Gasification, SCWG)技术因其独特优势脱颖而出——当水超过临界点(374°C, 22.1MPa)形成超临界水(SCW)时，其低粘度、高扩散系数特性可高效溶解有机物，同时避免有害物质排放，特别适合高含水率生物质处理。

雪松树干作为分布广泛、成本低廉的木质纤维素生物质，其SCWG研究却鲜有报道。针对这一空白，中国科学院团队采用石英管反应器(2.3mm内径)系统探究了雪松树干粉末的非催化SCWG过程。研究首先通过单因素实验揭示：在600-750°C范围内，温度升高显著促进碳气化效率(CE)，700°C时达峰值61.88%；停留时间超过3分钟后气化效率增长趋缓；原料浓度从2.5wt%增至10wt%导致CE下降23.6%；而粒径减小至300目仅使CE提升4.2%，表明传质限制非主要制约因素。

基于实验数据，团队创新性建立了包含8个基元反应的动力学模型，理论拟合值与实验数据吻合良好(R²>0.95)。气体生成路径分析显示：H₂主要通过三个阶段产生——初期(0-1min)以热解反应主导，中期(1-3min)蒸汽重整反应(Steam-reforming)贡献率升至58%，后期(>3min)水气变换反应(WGS)成为主要途径；CO生成主要依赖热解(42%)和蒸汽重整(51%)；而CH₄与CO₂则主要来源于热解反应(分别占78%和65%)。值得注意的是，WGS反应在后期显著促进H₂产量，同时消耗CO生成CO₂，这一发现为定向调控气体组成提供理论依据。

关键技术方法包括：1) 使用元素分析仪(Vario Marco)和工业分析仪(5E-MAG6700)表征雪松树干组分；2) 通过微型石英管反应器实现精确控温(±2°C)与快速淬灭；3) 建立包含8个基元反应的动力学网络模型；4) 采用气相色谱分析H₂/CO/CH₄/CO₂产率。

【Effect of operation factors】章节显示：温度是影响CE的最显著因素，700°C时CE较600°C提升137%；而浓度增加导致SCW介电常数降低，抑制了有机物溶解。

【Conclusion】部分强调：该研究不仅证实雪松树干SCWG的可行性，更通过动力学模型阐明气体产物演化规律。相比已有研究(如果浆SCWG最高H₂产率32.1mol/kg)，本研究在更短时间(3min)内实现61.88%CE，展现出工业化应用潜力。

这项发表于《Renewable Energy》的成果具有双重意义：科学层面，首次解析雪松树干SCWG的多路径反应机制；应用层面，为开发高效、短流程的生物质制氢技术奠定基础。研究提出的动力学模型可推广至其他木质纤维素原料，而关于WGS反应主导后期的发现，则为优化反应器设计提供关键参数。在碳达峰背景下，该技术为农林废弃物高值化利用开辟了新途径。