Fe2O3/Al2O3与沸石催化剂催化城市固体废弃物蒸汽气化制富氢合成气的模拟优化研究

针对城市固体废弃物(MSW)处理难题及氢能需求，研究人员通过Aspen Plus模拟优化Fe2O3/Al2O3和沸石催化剂在固定床气化炉中的性能，发现900°C、S/M比0.5时氢摩尔分数达83.8%，冷煤气效率(CGE)最高94%，为MSW高效转化为富氢合成气(H2-rich syngas)提供关键技术支撑。

　　

随着全球城市化进程加速，城市固体废弃物(MSW)堆积已成为严峻的环境挑战。印度尼西亚国家废物管理信息系统数据显示，2023年该国353个城市堆积约3840万吨废弃物，其中37.64%缺乏有效处理方案。传统填埋不仅占用土地，还会释放CO₂、CH₄等温室气体。虽然焚烧技术能减少体积，但会产生二噁英和重金属污染。在此背景下，将MSW通过气化技术转化为富氢合成气(H₂-rich syngas)的"废物变能源"(WTE)方案，成为兼具环保与能源效益的潜在解决方案。

印度尼西亚大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，通过Aspen Plus软件建立MSW蒸汽气化模型，系统考察Fe₂O₃/Al₂O₃和沸石催化剂对合成气组分的影响。研究采用Gibbs自由能最小化原理建立稳态模型，设定颗粒尺寸均一、焦炭纯碳等简化条件，重点分析蒸汽/MSW比(S/M)、气化比(GR)、温度等参数对H₂产率的调控机制。

【模型假设】
研究基于三大核心假设：反应器处于稳态条件；系统通过Gibbs自由能最小化达到热力学平衡；MSW颗粒尺寸均一且焦炭为纯碳。这些假设为复杂气化过程的数学建模提供了简化基础。

【S/M与催化剂对合成气产率的影响】
在900°C固定温度下，两种催化剂均显示S/M比为0.5时达到最佳性能。Fe₂O₃/Al₂O₃催化剂使H₂摩尔分数达83.74%，沸石催化剂更达83.82%，同时保持14%的CO理想浓度。随着S/M比增加，水煤气变换反应(WGSR)增强促进H₂生成，但过量蒸汽会导致热效率下降。

【温度与GR的协同效应】
研究发现1100-1150°C为S/M比最优温度区间，850-950°C则适用于GR混合条件。在此范围内，Fe₂O₃/Al₂O₃和沸石分别实现91%和94%的冷煤气效率(CGE)，合成气低热值(LHV)高达11.6 MJ/Nm³。高温促进焦油裂解和甲烷重整，而GR优化则平衡了氧化反应放热与蒸汽重整吸热过程。

【结论与意义】
该研究首次系统比较了Fe₂O₃/Al₂O₃与沸石催化剂在MSW蒸汽气化中的性能差异，证实沸石在H₂选择性和CGE方面略胜一筹。通过建立精确的Aspen Plus模型，研究为MSW规模化制氢提供了关键工艺参数：最佳S/M比0.5、操作温度900°C、GR混合温度850-950°C。这不仅解决了废弃物处理难题，更将MSW转化为氢能这一零碳能源，对实现印尼等发展中国家"碳中和"目标具有双重战略价值。研究成果获印尼教育与文化部(NKB-461/UN2.RST/HKP.05.00/2024)和国家研究与创新署(BRIN)联合资助，展现了产学研协同创新的典范。