一种集成生物质梯级资源化利用与布雷顿循环发电的新型超临界二氧化碳多联供系统

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：A novel supercritical carbon dioxide polygeneration system integrating biomass cascading valorization and Brayton cycle power generation

　　

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  级联超临界二氧化碳转化可联产生物炭、生物油及电力。
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  二氧化碳介质本身向产品气供给碳源。
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  合成气燃烧提供工艺热量，降低外部能源需求。
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  热解与燃烧单元是?损的主导环节。
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  持久性生物炭储存可抵消一半的直接碳排放。

引言

生物质作为一种可再生的含碳资源，在实现碳中和及发展可持续能源体系方面具有巨大潜力[1]。热化学转化技术，包括热解、气化及燃烧[2]，被广泛利用以将生物质转化为气态燃料、液态燃料及固态碳材料[3]。此类多样化的产物生成方式能够提高生物质资源的整体利用率[4]。然而，传统的单一路径热化学转化通常针对特定产物，或通过燃烧或气化直接释放化学能。这种方法可能限制了对有价值的生物质组分的有效利用，以及对碳、氢等元素的综合回收[5]。因此，这些转化途径在整体能源利用效率和产物价值方面仍存在局限性[6]。

为解决上述不足，多级综合利用率来备受关注，成为重要的研究方向。该方法能够实现生物质分步转化，允许在不同反应阶段选择性利用不同结构组分，并促进多种高价值产物的联产。例如，Galvagno等人[7]将空气-蒸汽气化与热电联产系统整合于柑橘汁生产中。通过将柑橘残余物的气化与果汁加工过程耦合，提高了系统的整体能源利用效率。Kassem等人[8]研究了纽约州集中式混合厌氧消化与水热液化系统在处理奶牛粪便方面的经济可行性，展示了在发电的同时生产沼气、生物原油和水热炭的潜力。Hidalgo等人[9]综述了热化学与生化转化过程的整合，强调了厌氧消化与热解或水热液化耦合的混合系统如何提高资源回收率和整体能源效率。Singh等人[10]进一步考察了循环生物经济框架下农业和食品废弃物的厌氧消化-热解整合。这些研究强调了多过程整合如何显著提升生物质资源利用效率。然而，此类配置往往依赖于多种转化技术的混合，导致系统设计复杂，涉及多种反应过程和能量流。因此，在统一的热化学框架内开发多产物协同转化策略正日益受到关注。引入一种兼具反应环境和能量载体功能的介质，可进一步提升过程整合度和系统效率[11]。

在生物质热化学转化过程中，超临界二氧化碳因其独特的物理化学性质而备受关注。超临界二氧化碳表现出类气体的扩散性和类液体的溶解能力[12]。它还具有低粘度、高质量传质效率以及可调的溶剂特性[13]。这些特性使超临界二氧化碳成为增强整合生物质转化系统中传质和反应效率的合适介质。例如，超临界二氧化碳可用于低温提取生物质中的有机化合物[14]。在后续的热化学转化过程中，它还能促进孔结构形成并修饰表面官能团，从而制备出具有优良物理化学性质的生物炭[15]。此外，二氧化碳还可作为气化剂参与气化反应。通过促进碳-气反应，可提高产气率[16]。这些特性使超临界二氧化碳适用于生物质顺序转化。首先可在低温条件下回收有价值的有机组分，随后残余碳质固体可经历高温气化。这种级联路径使生物质不同组分能在不同转化阶段被选择性利用，并减少未充分利用残余物的生成。因此，超临界二氧化碳可充当不同热化学阶段的通用过程介质，为在相对简单的热化学框架内实现生物质综合利用和多产物生成提供了一条潜在路径。

在生物质热化学转化系统中，气化或燃烧过程释放的高温热量通常被直接耗散而无法有效回收[17]。回收此类高品质热量是提高生物质转化系统整体能源效率的重要机遇[18]。为充分利用气化产物的高温燃烧热，需要先进的动力循环。超临界二氧化碳布雷顿循环因其高效率、紧凑结构及优良的热匹配特性，在中高温余热回收方面展现出显著优势[19]。此外，通过引入再热、中间冷却和回热配置，可进一步提升循环性能[20]。因此，将超临界二氧化碳布雷顿循环与生物质热化学转化系统整合，为实现高效能源回收提供了一种有前景的方法[21]。通过直接利用气化产物燃烧释放的高温热量驱动发电，该系统有望实现生物质利用与高效能源回收之间的协同优化[22]。

尽管生物质多联产和生物质综合转化取得了进展，仍有两大挑战。首先，许多现有系统结合了生物与热化学技术，可能导致工艺配置和能量流复杂化。因此，迫切需要一种相对更简单的二氧化碳介导的生物质顺序增值平台。其次，许多生物质-超临界二氧化碳布雷顿循环整合研究将上游生物质转化主要视为固定的外部热源或燃料源。上游转化条件和产物特性对动力循环性能的影响仍有待深入研究。本研究通过在同一工艺流程中求解生物质转化与动力子系统来解决这一问题，其中气化条件的变化通过烟气流量和组成传递至动力循环。

为应对上述挑战，本研究提出了一种将级联生物质增值与布雷顿循环发电整合的新型超临界二氧化碳多联产系统。核桃壳首先经历低温超临界二氧化碳介导处理以生产生物油。残余碳质固体随后经历高温二氧化碳/水蒸气气化以生产合成气和多孔生物炭。可燃气体随后燃烧，为超临界二氧化碳布雷顿循环提供热量。该系统采用基于二氧化碳的处理方式实现生物质顺序转化和综合资源利用。其在单一工艺流程中评估转化与动力子系统，通过烟气流量和组成计算转化条件对动力循环的影响。通过过程模拟和敏感性分析评估了所提出系统的?性能。

章节片段

材料与方法

本节描述了所提出的生物质级联增值系统与超临界二氧化碳布雷顿循环整合系统的设计，包括工艺流程、关键部件规格及建模方法。同时介绍了用于模型验证的原料特性和实验方法，以及用于评估系统性能的?分析框架。

结果与讨论

本节展示了所提出系统的?分析结果。首先通过考察关键操作参数对超临界二氧化碳布雷顿循环性能进行优化。随后在多种运行条件下评估气化条件对生物质转化子系统和整体系统性能的影响。最后在典型运行条件下进行综合?分析，以量化?损分布并识别

挑战与未来工作

?平衡假设可能导致对合成气品质和电力输出的估计值高于实际动力学受限运行条件下的水平。此外，本分析未明确捕捉详细的反应动力学、反应器尺度传递现象、压降或设备尺度效应。关键部件的动态运行和长期稳定性也有待评估。

从工程角度看，所提出的系统可应用于

结论

本研究提出了一种将生物质级联增值与布雷顿循环发电整合的新型超临界二氧化碳介导多联产系统。在所提出的系统中，超临界二氧化碳实现了生物油回收、合成气生产和生物炭生成的顺序热化学转化，而合成气燃烧释放的高温热量通过超临界二氧化碳布雷顿循环回收。整合系统的?性能通过

CRediT作者贡献声明

Zitong Zhuang：撰写-初稿，方法学，调查，数据整理，概念构思。Hongtu Wu：方法学，调查，数据整理。Weizuo Wang：方法学，数据整理。Hui Jin：撰写-审阅与编辑，验证。Runyu Wang：验证。Liejin Guo：验证，资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作受国家自然科学基金委有序能量转换基础科学中心项目（编号：52488201）资助

Zitong Zhuang|Hongtu Wu|Weizuo Wang|Hui Jin|Runyu Wang|Liejin Guo