基于先进双流化床蒸汽气化技术的高纯度氢气制备：树皮覆盖物资源化利用研究

推荐：研究人员针对生物质废弃物资源化利用和清洁能源生产需求，通过耦合100 kWth先进双流化床(aDFB)气化装置与WGS-PSA工艺链，实现了树皮覆盖物蒸汽气化制备≥99.971 vol-%高纯氢。创新性揭示了Fe/Cr基催化剂在含硫(285 ppmv.db H2S)和焦油环境下的反应特性，证实催化剂用量可优化减少32%，为生物质制氢工业化提供了关键技术支撑。

　　

随着全球碳中和进程加速，生物质能作为唯一可再生的碳源备受关注。传统化石燃料制氢面临碳排放瓶颈，而生物质蒸汽气化制氢既能实现废弃物资源化利用，又可生产清洁能源载体。然而该技术面临两大核心挑战：一是生物质原料成分复杂，产物气中硫化物(如H₂S)和焦油化合物易导致催化剂失活；二是现有工艺对催化剂用量和反应条件的优化缺乏系统性研究。针对这些问题，TU Wien研究团队在《Fuel》发表重要成果，通过创新性集成先进双流化床(aDFB)气化与多级纯化系统，为生物质制氢技术提供了关键解决方案。

研究采用100 kW_th aDFB气化装置处理树皮覆盖物颗粒(含水10.2 wt-%)，耦合热气体过滤器、两级水煤气变换(WGS)反应器、RME洗涤塔、活性炭/锌基吸附塔和4塔变压吸附(PSA)系统。关键技术包括：X射线光电子能谱(XPS)分析催化剂表面沉积物，X射线衍射(XRD)表征晶体结构，热重分析(TGA)评估碳沉积，以及沿催化剂床层的原位气体成分监测。

3.1 操作参数优化

aDFB系统在φ_SF=0.9 kg_H2O/kg_BM.daf条件下实现82 kW_th稳定运行，产物气中H₂/CO含量分别为42.4 vol-%_db和17.3 vol-%_db。WGS单元采用Fe/Cr基催化剂，在354/322°C入口温度下实现93.5% CO转化率。

3.2 催化剂特性

XRD显示反应后Fe₂O₃完全转化为活性相Fe₃O₄。XPS检测到表面Cu⁺物种富集(原子比Cu/Fe≈0.05)，TGA证实1st WGS反应器催化剂存在硫沉积(170/233 eV特征峰)，但未观测到活性衰减。

3.3 床层动力学

沿床层气体成分监测表明，1st反应器前42%床层即达热力学平衡，整体催化剂用量可减少32%。热力学计算指出入口水含量需>40.8 vol-%(STCOR>4.0)以避免碳沉积。

3.4 氢气纯化

PSA在6.4 bar_a吸附压力下产出≥99.971 vol-%氢气，满足ISO 14687:2019标准，N₂杂质<123 ppm_v，获得75.3%回收率和48.5 g_H2/kg_BM.db产率。

该研究首次证实树皮覆盖物通过aDFB气化制备燃料电池级氢气的可行性。创新点在于：揭示Fe/Cr催化剂在含硫(285 ppm_v.db H₂S)和焦油(14种鉴定化合物)环境下的稳定机制；通过床层优化提出催化剂节约方案；建立完整的生物质-高纯氢转化工艺链。这项工作为生物质废弃物高值化利用提供了工业化设计依据，对推进可再生能源制氢技术具有重要实践意义。