一吨级移动式高温气化系统处理木质废弃家具的合成气与生物炭特性及其环境效益研究

《Energy Conversion and Management-X》：Characteristics of syngas and biochar from wood-based waste furniture gasified in a one-tonne-scale mobile high-temperature gasification system

本研究针对木质废弃家具处置难题，创新性地采用移动式高温下行床气化系统，结合三级杂质去除工艺，实现了吨级废弃物的资源化转化。研究发现原料含水率（25%为最优）对合成气热值影响显著高于杂质去除阶段，且高温（1050°C）制备的生物炭具备发达孔隙结构。该技术通过合成气替代化石燃料、生物炭固碳及移动式部署避免运输排放，证实其为碳中性的绿色处置方案，为分布式废物能源化提供了技术支撑。

　　

随着全球碳中和目标的推进，废弃木质家具的处理正成为城市固废管理领域的突出挑战。这些含有胶粘剂、涂料和塑料部件的复杂废弃物，若采用传统填埋或焚烧方式，不仅造成资源浪费，更会因甲醛等有害物质释放引发二次污染。以欧盟为例，每年约有1000万吨家具进入报废期，而台湾新北市2023年产生的废弃家具就高达3万吨。常规焚烧过程每吨废弃物仍会排放25-207千克二氧化碳当量（CO₂-e）的温室气体，且发电效率普遍低于30%。如何实现这类废弃物的高效、低碳资源化转化，已成为循环经济背景下亟待突破的科学问题。

近日发表于《Energy Conversion and Management-X》的研究论文，通过构建吨级移动式高温气化系统，为木质废弃家具的绿色转化提供了创新解决方案。该研究团队来自国立东华大学（National Dong Hwa University）光电子工程系，采用下行床固定床气化炉，在无需外加氧化剂的条件下，成功将1吨木质废弃家具转化为合成气（syngas）和生物炭（biochar）。研究首次系统评估了三级杂质去除系统（油水分离器、喷淋洗涤塔、活性过滤层）的协同净化效果，并揭示了原料含水率对合成气品质的关键影响规律。

关键技术方法方面，研究团队设计了直径70厘米、高280厘米的立式气化反应器，内壁涂覆导热系数低的镁橄榄石陶瓷（forsterite ceramic, MgSiO₄）以维持热场均匀。通过K型热电偶实时监测干燥（100-150°C）、热解（150-700°C）、氧化（700-900°C）和还原（900-1100°C）四个温区。采用多气体分析仪（Rapidox 5100）检测合成气组分，通过比表面积及孔隙分析仪（ASAP 2020）、拉曼光谱和X射线衍射（XRD）表征生物炭的孔结构及石墨化程度。

分析合成气

研究显示，气化产物中合成气占比达94wt%，其组成在三级净化后保持稳定（CH₄6.6-7.0vol%、CO 10.6-11.6vol%、H₂4.8-5.8vol%），表明油水分离器是杂质去除的关键环节。特别值得注意的是，原料含水率对合成气热值（LHV）影响显著：当含水率从15%增至25%时，因水蒸气参与水煤气反应，合成气总可燃组分从24.2vol%提升至37.6vol%，热值相应从4.8 MJ/m³增至9.1 MJ/m³；但含水率进一步升至42%时，反应温度下降导致CH₄产量锐减。这一发现证实原料预处理对气化效率的调控作用远大于后续净化措施。

分析生物炭

生物炭的孔隙结构呈现明显的温度依赖性：当气化温度从850°C升至1050°C时，其比表面积（S_BET）从0.23激增至37.07 m²/g，总孔容（V_total）从0.02344扩大至0.08856 cm³/g。拉曼光谱中I_D/I_G比值从1.142升至1.447，表明高温促进了无定形碳向纳米晶石墨的转化，同时缺陷密度增加。XRD谱图中44.5°处的衍射峰证实生物炭中存在石墨碳（101）晶面，而35.5°和44.5°的特征峰则提示家具中的铁系颜料转化生成了Fe₃O₄晶体。

气化诱导的微观结构演变

扫描电镜（SEM）图像清晰展示了废弃物在气化前后的形态转变：原始木质材料的紧密纤维结构（图4c）经高温处理后形成分层断裂的多孔碳骨架（图4d）。能谱（EDS）分析进一步显示，生物炭的碳含量从原料的39.55wt%纯化至100wt%，氧元素完全脱除，印证了气化过程的高效碳化能力。

二氧化碳减排与碳负排放潜力

研究通过生命周期对比指出，该移动气化系统每处理1吨废弃物可产生1750m³合成气（替代化石燃料避免上游运输排放1.2kg CO₂-e/kg）和5wt%生物炭。基于莱曼（Lehmann）模型估算，生物炭固碳可实现约20%的净碳储存，若结合其促进土壤CO₂吸附的效应（如Gui等人报道的增幅达20.8-23.6%），整个系统形成"大气CO₂→生物质→合成气/生物炭"的碳中性循环（图6）。相较之下，填埋处置每吨废弃物会产生1.54吨CO₂-e，而焚烧过程仅能回收部分能量且伴随温室气体排放。

本研究通过吨级实证表明，高温气化技术不仅能实现木质废弃家具的分布式高效处置，其产生的合成气（LHV=9.1 MJ/m³）和富含介孔的生物炭（S_BET=37.07 m²/g）更具能源与材料双元价值。尤其重要的是，原料含水率的精细调控（25%为最优）是提升气化经济性的关键杠杆，这一发现为优化工业级气化工艺提供了理论依据。该移动式系统省去废弃物收集运输环节，其碳负排放特性使其成为城市固废管理向碳中和转型的有力工具。