生物质热解与CO2重整集成工艺的数值模拟研究：碳封存与合成气生产的协同优化

为解决化石燃料依赖和碳排放问题，研究人员通过数值模拟研究了生物质热解与CO2重整集成工艺，提出了一种结合MILD燃烧技术的系统方案。结果表明，该工艺可实现81.4%的冷气效率，27.4%的碳封存率，并通过蒸汽/CO2共重整显著提升合成气产率。这一研究为生物质资源高效利用和碳中和目标提供了创新路径。

　　

全球能源结构转型背景下，生物质作为唯一可再生碳源，其高效利用对实现碳中和至关重要。然而，传统生物质转化技术面临产物附加值低、碳排放高、氮循环失衡等挑战。化石燃料依赖导致的CO₂排放与氮肥滥用引发的环境问题，亟需开发既能生产高价值化学品又能实现碳封存的集成工艺。

瑞典隆德大学（Lund University）能源科学系的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表研究，通过Aspen Plus数值模拟，构建了融合快速热解、CO₂重整和MILD燃烧的集成系统。研究采用动力学模型模拟生物质组分（纤维素/半纤维素/木质素）热解，利用RGibbs反应器模拟重整和燃烧过程，通过能量/碳流分析优化工艺参数。

2. 集成生物质转化系统设计

系统以松木屑为原料（47.7 wt%碳含量），经干燥后进入480°C快速热解反应器，产物分离为生物油、热解气和生物炭。生物油通过CO₂/蒸汽共重整（1000°C）转化为H₂/CO比为1:1的合成气，低热值热解气通过MILD燃烧（700-1600°C）供热，生物炭经CO₂活化（900°C）制备氮肥载体。

4. 结果与讨论

4.1 工艺验证

热解模型与Ranzi实验数据吻合，在520°C时生物油预测误差仅2.6%。MILD燃烧模拟显示，氮气稀释比X=0.1时，温度偏差<5%。CO₂重整验证表明，1000°C可完全消除积碳，但H₂产率较实验值低15%。

4.5 构型优化

四种系统构型对比显示：构型2（CO₂/蒸汽共重整）实现85.3%能量转化率，碳封存率27.1%；构型4（电解水供氧）将合成气热值提升至17.3 MJ/kg，但需额外20.1%电能输入。关键发现包括：

1. 蒸汽引入使积碳率从6.4%降至0%

2. 生物炭活化产生26.1%的CO需循环利用

3. 系统最大碳负排放潜力达27.4%

5. 结论

该研究创新性地将CO₂作为活化剂和反应物，首次实现生物质转化过程中碳的"捕获-转化-封存"闭环。生物炭作为缓释氮肥载体，可减少63%的氮流失（文献[21]数据），而合成气H₂/CO比精准调控为化工合成（如乙酸、DME生产）提供理想原料。研究为第二代生物精炼厂设计提供了关键技术路线，其碳负排放特性对实现IPCC 1.5°C温控目标具有重要实践意义。