生物质温和温度气化作为碳中性CO2利用过程的创新研究

本研究针对生物质能源系统中CO2利用效率低的问题，创新性地探索了600℃温和条件下CO2作为气化剂的应用。通过对比热解、空气气化和CO2气化实验，发现CO2在58.5%浓度下可促进反向Boudouard反应，实现0.434%的CO2转化率，并减少0.353mmol/g焦炭碳。该研究为生物质能源与碳捕集封存（BECCS）系统设计提供了重要依据。

　　

在全球气候变暖背景下，如何实现碳减排已成为科学界亟待解决的重大问题。当前各国经济发展仍高度依赖化石能源，导致CO₂排放持续增加，预计2030年排放量可能超出目标43%。碳捕集与利用（CCU）技术中，将CO₂作为气化剂用于生物质转化被认为是一种潜在的碳中性解决方案。然而传统高温气化（800-1000℃）能耗高、效率低，而最新系统模拟显示，温和温度（600℃左右）可能实现更高热效率，但相关实验证据严重缺乏。

针对这一关键科学问题，国外研究人员在《Journal of CO2 Utilization》发表重要研究成果。研究团队采用技术苏打木质素（Protobind1000）为模型生物质，通过精心设计的石英管反应器系统，结合非分散红外-质谱联用（NDIR-MS）技术，系统比较了惰性气氛（Ar）、空气和CO₂三种条件下600℃气化过程。实验采用10℃/min升温速率，实时监测温度变化和气体产物（CO、CO₂、CH₄、H₂），并通过元素分析表征原料和残留物组成。

研究结果部分，"热解过程分析"显示木质素在600℃下主要产生CH₄（53%）、H₂（24%）和CO₂（14%），形成含碳77.51%的焦炭。"空气气化研究"证实氧气能几乎完全转化焦炭，但产生大量CO₂（为CO产量的7倍）。最具突破性的发现来自"CO₂气化实验"：在58.5% CO₂浓度下，观察到0.434%的净转化率，产生过量0.80mmol/g CO，同时焦炭碳减少0.353mmol/g，证实反向Boudouard反应（C_(s) + CO₂ → 2CO）在温和温度下确实发生。值得注意的是，CO₂气氛使热解过程多产生2.642mmol/g CH₄，但未显著改变热解起始温度。

在"高温CO₂气化"对比实验中，900℃时CO₂转化效率显著提高，证实温度对反应动力学的关键影响。温度超过700℃后，反向Boudouard反应的平衡常数K_p>1，CO产率急剧增加至30.64mmol/g，比600℃时高28.81mmol/g。

这项研究首次实验验证了温和温度下CO₂气化生物质的可行性，为优化集成生物质能源与碳捕集封存（BECCS）系统提供了重要依据。虽然当前转化率较低，但证实了浓度驱动效应，即高CO₂分压可促进反应进行。研究还揭示CO₂在热解阶段就开始与新生焦炭相互作用，这一发现对理解反应机制具有重要意义。该成果为开发新型气化器设计指明了方向，特别是通过调整燃料负载和气流速率等参数，有望在温和条件下实现更高CO₂转化效率，推动碳中性能源技术的发展。