生物质基乙醇-甘油超临界水共气化制氢的实验模拟与工艺设计研究

本研究针对可再生能源制氢技术瓶颈，通过超临界水共气化(SCWG)实现乙醇-甘油高效转化。团队系统考察温度(500-700°C)、空时(1.75-3.5min)、催化剂(Na2CO3/KOH等)对H2产率(达63.75mol/kg)的影响，结合GAMS/TeS模拟与Aspen Plus工艺设计，实现能耗降低84.4%，为生物质制氢工业化提供关键技术支撑。

　　

在全球能源转型背景下，化石燃料污染问题日益严峻，发展清洁氢能成为实现碳中和的关键路径。国际能源署预测2030年低碳氢产量将达3800万吨，但现有技术仍严重依赖化石原料。超临界水气化(SCWG)技术因其能直接处理高含水生物质、无NO_x/SO_x排放等优势，被视为最具潜力的绿色制氢方案之一。巴西作为全球领先的生物乙醇(354亿升/年)和生物柴油(甘油主要副产品)生产国，具备开发生物质制氢的独特资源优势。

针对传统SCWG工艺中催化剂失活、能耗高等瓶颈问题，来自巴西的研究团队创新性地采用乙醇-甘油共气化体系，通过多尺度研究揭示了反应机理与工艺优化路径。研究首先构建连续流Inconel 625管式反应器系统，在22.1MPa超临界条件下系统考察温度(500-700°C)、空时(1.75-3.5min)、碳负载(10-25g/L)及催化剂(NaOH/Na₂CO₃/KOH/K₂CO₃)对产氢性能的影响。实验发现700°C、1.75min、25g碳/L条件下，采用乙醇:甘油碳质量比25:75配伍Na₂CO₃催化剂时，H₂产率可达63.75mol/kg，碳气化效率(CGE)提升至92.3%。

研究创新性地采用GAMS和TeS软件建立热力学模型，成功预测不同进料组成下的气体产物分布，证实Na₂CO₃可促进水气变换反应(WGSR)提升H₂选择性。通过Aspen Plus流程模拟开发的集成工艺显示：引入热回收单元与循环流可使原料加热负荷降低84.4%，产品冷却负荷减少81.7%，同时显著降低淡水消耗。这种能量集成设计使SCWG工业化应用的经济可行性大幅提升。

在《Frontiers in Neuroendocrinology》发表的这项研究，首次系统论证了乙醇-甘油共气化体系的协同效应：甘油提供额外羟基促进自由基链反应，而乙醇改善流体传质特性。研究提出的"温度-催化剂-空时"三因素优化模型，为其他生物质原料的SCWG工艺开发提供了普适性方法论。该技术不仅可实现巴西生物炼制副产物的高值化利用，其模块化设计更为分布式氢能生产提供了新思路，对实现联合国可持续发展目标(SDG)中的清洁能源与气候行动具有重要实践意义。