颗粒结构特性对纤维素水解中结焦行为影响机制的多尺度模拟研究

本研究针对连续流生物质催化转化过程中结焦失活与传质限制等关键瓶颈问题，通过构建三维格子玻尔兹曼模型，揭示了固定床反应器中木质纤维素颗粒构型对流动-结构协同演化规律的调控机制。研究发现通过调控颗粒尺寸与堆叠方式可实现内外传质平衡，显著提升氢离子扩散效率并抑制腐黑素形成，为生物燃料规模化生产提供了重要的理论依据和设计策略。

　　

随着全球能源转型加速，木质纤维素作为最重要的可再生资源之一，其高效转化为能源密集型燃料已成为实现碳中和目标的关键路径。纤维素作为木质纤维素生物质的主要组分，通过催化解聚可转化为乙酰丙酸(LA)等重要燃料前体。然而在连续流反应器中进行纤维素水解时，普遍存在的腐黑素(humins)结焦现象严重制约了过程效率——不仅通过竞争性聚合反应消耗原料，还会造成催化剂孔道阻塞和反应器结垢，最终导致生物燃料产率下降、系统能耗增加和经济性恶化。

为深入解析这一多相复杂过程，《Biomass and Bioenergy》期刊发表的研究工作通过创新性地构建三维格子玻尔兹曼模型(Lattice Boltzmann Model, LBM)，首次实现了对固定床反应器中纤维素催化水解全过程的多尺度模拟。该研究整合了Quartet Structure Generation Set (QSGS)方法进行生物质颗粒三维结构重构，采用Volume of Pixel (VOP)技术处理液固动态边界，并耦合了包含纤维素→葡萄糖→5-羟甲基糠醛(HMF)→LA的主反应路径和葡萄糖→腐黑素的副反应路径的详细反应动力学模型。

研究首先揭示了颗粒尺寸对内外传质平衡的关键作用（章节3.1）。通过系统模拟6-30 lattice units (l.u.)的颗粒半径（对应0.5-2.5 mm），发现存在最佳粒径阈值：当颗粒半径为12 l.u.（约1 mm）时，系统达到内外传质动力学平衡，LA产出通量最大化。小于此值时，颗粒间结焦导致流道完全阻塞；大于此值时，颗粒内传质限制加剧内部结焦。定量分析表明结焦节点比例与可及节点比例分别遵循二次函数和高斯分布规律，验证了最优粒径的科学性。

在堆叠方式影响方面（章节3.2），研究比较了面心立方(FCC)、体心立方(BCC)和简单立方(SC)三种堆叠模式。结果表明SC堆叠凭借其均匀的流场分布和较低的流动曲折度，有效避免了颗粒绕流导致的局部产物富集和结焦聚集现象，最终实现比FCC和BCC高20%以上的产物输出通量。这种流场-结构耦合机制为反应器优化设计提供了新视角。

针对预处理过程中纤维素损失引发的孔隙结构变化（章节3.3），研究发现10%以内的纤维素消耗对最终产物通量影响可忽略，而由此产生的孔隙率提升（从0.600增至0.667）显著改善了颗粒内传质效率。通过建立结焦节点与失活节点的线性关系模型(N_{Deactivenodes} = 1147.368 + 0.11N_Cokingnodes)，证实了适度提升孔隙率可有效缓解结焦导致的活性位点封堵现象。

最后，通过研究不同生物质原料的纤维素含量差异（30-80%）（章节3.4），发现高纤维素含量（70-80%）虽然提高理论产率，但会导致流场集中化和结焦加剧。60%纤维素含量时系统呈现最佳传输-反应平衡，这一发现为"木质素优先"(lignin-first)策略提供了理论支撑：通过优先提取木质素增加孔隙率，既可改善传质效率，又能提高生物精炼经济性。

该研究通过多尺度建模首次揭示了纤维素水解过程中颗粒结构特性-流场演化-结焦行为的三元耦合机制，建立了基于内外传质平衡的反应器设计准则。所提出的最优粒径控制、堆叠方式优化和孔隙率调控策略，为生物质连续流反应器的工业放大提供了关键理论基础和技术路径，对推进可再生能源制造领域的碳中和目标具有重要意义。