等离子体辅助气流床气化技术用于废弃物与生物质制富氢合成气的技术评估与性能优化

本研究针对低品质生物质和废弃物转化效率低、合成气H2/CO比不足的问题，开发了集成等离子体热力学特性的Aspen Plus模型（eGas），揭示蒸汽等离子体辅助气流床气化（EFG）可将H2/CO比提升至1.03（较氧气气化提高105%），碳转化效率（CCE）达95%，同时降低79%的CO2排放。该技术为生物质/废弃物制氢（B/WtX）提供了高效低碳新路径。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，如何高效处理低热值废弃物和生物质成为关键挑战。传统气化技术面临碳转化效率低、合成气氢碳比不足的瓶颈，而电解水制氢又存在能耗高、设备复杂的限制。针对这一难题，国外研究团队通过创新建模方法，开发了集成等离子体热力学特性的蒸汽辅助气流床气化技术，相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

研究团队构建了名为eGas的Aspen Plus模型，其核心突破在于PLASDIFF子模型——首次在流程模拟中纳入等离子体解离效应。通过NASA CEA和Cantera软件验证，该模型准确捕捉了4,000°C高温下H₂O解离为H₂、O₂、OH等活性组分的热力学行为。基于30bar压力、1,400°C气化温度的模拟条件，系统对比了纯氧鼓风气化与蒸汽等离子体辅助气化的性能差异。

关键研究方法

1. 多组分等离子体建模：采用Gibbs自由能最小化法模拟H₂O在4,000°C下的解离平衡
2. 系统集成设计：将等离子体发生器、气流床反应器与急冷系统耦合
3. 性能指标量化：引入电气化比率（ELR）、氢比能耗（HSED）等创新评价参数
4. 跨平台验证：通过NASA CEA和Cantera进行热力学数据交叉验证

研究结果

4.1 等离子体对合成气组成的影响
当ELR增至0.48（全蒸汽等离子体模式）时，合成气中H₂含量从22.7%跃升至44.4%，CO₂占比从9.5%骤降至1.6%。H₂/CO比实现翻倍增长（0.50→1.03），同时碳转化效率（CCE）从82%提升至95%。

4.2 能量转化效率优势
等离子体功率转化效率（PPCE）始终高于85%，全蒸汽模式下氢比能耗（HSED）仅181MJ/kg_H2，优于PEM电解的198MJ/kg_H2。冷煤气效率（CGE_eGas）达80%，较传统气化提高3个百分点。

4.3 技术经济性突破
敏感性分析表明，当等离子体炬效率>82%时，该系统在能源效率方面全面超越电解水制氢。采用CO₂作为输送气体还可实现负碳运行，将部分CO₂转化为合成气中的CO。

这项研究为废弃物/生物质制氢提供了革命性技术路线，其创新性体现在：

1. 建模方法突破：首次在Aspen Plus中实现等离子体解离效应的精确模拟
2. 性能指标领先：H₂产量提升138%的同时降低79%的CO₂排放
3. 应用前景广阔：适用于甲醇合成、费托合成等多种B/WtX场景

研究同时指出，要实现商业化仍需解决等离子体炬在高压下的电极寿命、系统热集成等工程挑战。该成果为开发下一代低碳制氢技术提供了重要理论支撑和设计工具，对推动循环经济发展具有战略意义。