生物质慢热解过程中多环芳烃(PAHs)形成的CRECK模型预测：热解参数与组分协同作用机制

本研究创新性地采用化学反应工程与化学动力学(CRECK-S-B)模型，结合OpenSmoke气相间歇反应器模拟，系统研究了咖啡壳/玉米芯在慢热解(350-750°C，2-30°C min-1)核心阶段多环芳烃(PAHs)的形成规律。发现450-550°C为PAHs关键生成区间，其中萘(C10H8)在450°C/3000s/10°C min-1时达峰值(0.0011)，并提出>500°C+低升温速率(2°C min-1)+>50min停留时间的优化方案，为低PAHs生物炭生产提供理论依据。

　　

亮点

• 升温速率的影响呈现显著温度依赖性：在低温段(350°C)，较高升温速率(30°C min^-1)促进PAHs生成；而在高温段(750°C)则呈现相反趋势

• 温度是PAHs形成的决定性因素：450-550°C被确认为"PAHs危险窗口"，此区间内所有USEPA优先控制PAHs的生成量显著增加

• 萘基自由基(C₁₀H₇)被证实为关键中间体，其浓度变化直接影响萘(C₁₀H₈)的生成动力学

模型局限性、优势总结与未来方向

当前模型能定量预测热解过程中PAHs的总生成量，但存在以下局限：

• 未考虑PAHs相间分配：模型仅预测核心阶段PAHs总产率，未模拟后续气相-固相(生物炭)分配过程

• 生物炭吸附机制缺失：PAHs在生物炭孔隙表面的吸附/解吸行为尚未纳入模型

• 实际反应器差异：实验室数据与工业级反应器的尺度效应需要进一步验证

未来将重点开发PAHs相分配子模型，整合传质动力学与表面化学原理，并建立基于机器学习的多参数优化系统。

结论

通过CRECK模型揭示了生物质慢热解中PAHs的形成机制：

• 最佳抑制策略：维持>500°C+低升温速率(2°C min^-1)+延长停留时间(>50min)的三联方案

• 咖啡壳比玉米芯产生更多PAHs，这与前者较高的木质素(LIGNIN)含量(28.6% vs 15.3%)直接相关

• 首次证实萘(C₁₀H₈)的生成曲线呈现双峰特征，分别在450°C和650°C出现峰值

（注：翻译部分已按要求去除文献引用标识，专业术语保留英文缩写及化学式规范表达，并采用生动表述如"危险窗口"、"三联方案"等增强可读性）