生物质热解耦合三重效应烟气系统的热经济环境分析：面向食品工业与小型社区的清洁能源解决方案

本研究针对化石燃料制氢高碳排放问题，创新性地将生物质热解与三重效应烟气系统耦合，系统分析了热解气（pyrolytic gas）、生物油（bio-oil）和生物炭（biochar）的催化重整制氢策略。通过STEEP分析和TRL评估，揭示了集成式热解-重整技术在提升氢产率（H2 yield）和降低CO2排放方面的工业应用潜力，为食品工业和小型社区提供可持续能源解决方案。

　　

全球能源需求以每年1.4%的速度持续增长，而传统化石燃料制氢每年产生超过900 Mt的CO₂排放，加剧了气候变化和能源安全问题。面对这一挑战，生物质热解技术因其可将农业废弃物、林业残余物等可再生资源转化为氢能（H₂）而备受关注。然而，现有热解工艺存在产物附加值低、重整效率不足等瓶颈。为此，研究人员在《Biomass and Bioenergy》发表论文，提出了一种集成三重效应烟气系统的生物质热解-催化重整协同方案。

研究团队采用多学科交叉方法，重点分析了慢速热解（slow pyrolysis）、快速热解（fast pyrolysis）和催化热解（catalytic pyrolysis）对产物分布的影响，结合蒸汽重整（steam reforming）和自热重整（autothermal reforming）优化氢产率。通过技术成熟度（TRL）评估和STEEP（社会-技术-经济-环境-政治）分析框架，系统论证了该技术在食品工业和小型社区的适用性。

Pyrolysis of biomass

研究表明，在500–700°C的慢速热解条件下可获得高产率生物炭（35–40 wt%），而快速热解（>1000°C/s）则优先产生生物油（60–75 wt%）。催化热解通过ZSM-5等分子筛催化剂将含氧化合物转化为芳烃，氢碳比（H/C）提升至1.8–2.2。

Catalytic reforming of pyrolysis products

镍基催化剂（Ni/Al₂O₃）在700–800°C下可使热解气重整的氢产率达到12.5 mmol/g_biomass，而生物油的两段重整（先水蒸气重整后水气变换）可实现85%的碳转化率。

Biomass pyrolysis with in-line catalytic steam reforming

集成系统通过三重效应回收烟气余热，使整体能效提升至68.5%，同时减少焦油（tar）生成量达90%。木质纤维素类生物质的氢产率最高（14.2 mmol/g），显著优于藻类生物质（9.8 mmol/g）。

STEEP分析

环境维度显示该系统可减少89%的CO₂当量排放，但经济分析指出催化剂成本占总投资40%，需开发抗积碳（carbon-resistant）的钙钛矿（perovskite）催化剂。

技术启示

该研究证实生物质热解-重整集成系统在TRL 6（中试示范）阶段已具备商业化潜力，建议通过机器学习优化反应器设计，并建立区域性生物质供应链。这一成果为分布式氢能系统提供了关键技术支撑，有望推动食品工业实现"碳中和"目标。