基于催化萘重整的麦秆制富氢合成气：集成Aspen Plus建模与技术经济评估

《Energy Conversion and Management-X》：Hydrogen-rich syngas from wheat straw via catalytic naphthalene reforming: integrated aspen plus modeling and techno-economic assessment

　　

生物质气化为将农业残余物转化为可再生合成气提供了一条有前景的途径；然而，焦油形成和无机污染物继续限制着过程的可靠性和下游利用。研究人员开发了一个集成的Aspen Plus框架，用于麦秆气化、催化焦油重整、热气污染物去除以及技术经济评估，生物质处理能力为200?kg/h。干燥和挥发分解释分别使用RStoic和RYield模块表示，而气化则通过吉布斯自由能最小化进行建模。萘（C₁₀H₈）被选为主要的三级焦油替代物，并评估了对应于标称Ni-Co/Al₂O₃金属负载量5、10和15?wt%的基于转化率的案例。敏感性分析考察了气化温度、蒸汽-生物质比、当量比、重整温度、蒸汽-碳比以及标称催化剂负载案例的影响。结果表明，15?wt% Ni-Co/Al₂O₃案例产生了模型计算的约72%的氢气产率，而当量比约为0.30时，在900?°C下提供了合成气生成与氧化之间最有利的平衡。ZnO吸附剂在约450–470?°C时表现出最高的模型H₂S去除性能，尽管增加蒸汽含量降低了预测的去除效率。估算的总资本投资为534万美元，而包括原料在内的年成本为478万美元，年收入为252万美元。因此，集成的Aspen Plus模型证明了从麦秆生产更清洁、富氢合成气的技术可行性。该框架为过程优化和未来放大提供了基础。

论文解读文章

**研究背景与问题**
化石燃料储备的枯竭、能源需求的增长以及对温室气体排放的日益关注，推动了对可持续低碳能源转化途径的需求。生物质气化是一种高温热化学过程，可将碳质原料转化为主要由H₂、CO、CO₂、CH₄、H₂O和轻烃组成的可燃气体（合成气），可用于发电、制氢或生产化学品。然而，原料中的杂质（如焦油、颗粒物、碱金属、硫化物和氯化物）会污染下游设备、毒化催化剂并限制过程可靠性。焦油（尤其是多环芳烃如萘（C₁₀H₈））的稳定性和转化效率是主要挑战。现有研究多聚焦于单一气化阶段，缺乏对催化焦油重整、杂质去除和技术经济评估的集成建模。为此，本研究开发了一个集成Aspen Plus框架，用于麦秆气化、催化萘蒸汽重整、热气污染物去除、合成气调理及技术经济评估，旨在系统评估工艺参数对富氢合成气生产的影响，并量化其经济可行性。该论文发表在《Energy Conversion and Management-X》。

**关键技术方法**
研究人员采用Aspen Plus软件构建了稳态零维模型，包含以下主要模块：干燥与挥发分解释（RStoic和RYield模块）、基于吉布斯自由能最小化的气化（RGibbs模块）、基于转化率的催化萘重整（RCSTR模块，考虑5、10、15?wt% Ni-Co/Al₂O₃金属负载量）、热气杂质去除（H₂S、HCl、NH₃）以及下游分离与冷却。模型验证基于文献中麦秆气化实验数据，并通过敏感性分析考察了气化温度、蒸汽-生物质比、当量比、重整温度、蒸汽-碳比和催化剂负载量的影响。技术经济分析基于200?kg/h处理能力，采用2024年美元，评估了总资本成本、年运营成本、收入及净现值。

**研究结果**
**重整行为**
- **重整温度和催化剂负载量对萘转化率的影响**：通过改变重整温度（500–1000?°C）和催化剂负载量，发现温度升高显著促进萘转化。非催化条件下，萘在600?°C时转化率约11%，800–900?°C时达60%。引入Ni-Co/Al₂O₃催化剂后，转化率进一步提高：15?wt%负载量在900?°C时达到79%，氢气产率约72%（5?wt%为64%，10?wt%为67%）。温度超过900?°C后，转化率趋于平缓，可能因逆水煤气变换反应消耗H₂。
- **蒸汽-碳比（S/C）对萘转化率和氢气产率的影响**：在900?°C下，S/C从0.5增至2.0，萘转化率和氢气产率持续增加，表明蒸汽供应是焦油重整的关键因素，但过量蒸汽会增加热需求。

**气化行为**
- **气化器温度对合成气组成的影响**：温度从600?°C升至1200?°C，吸热的Boudouard反应、水煤气反应和甲烷重整增强，CO和H₂浓度上升，CO₂和CH₄下降。但高温需考虑热输入、灰分行为和材料限制。
- **蒸汽-生物质比（SBR）对合成气组成的影响**：SBR从0升至2.0，H₂和CO₂增加，CO和CH₄减少，因水煤气变换和蒸汽重整增强。
- **当量比（ER）对合成气组成的影响**：ER从0.1增至0.4，H₂和CO浓度先升后降，CO₂持续上升。最佳ER为0.30，此时部分氧化与完全燃烧达到平衡。
- **蒸汽对金属氧化物脱硫的影响**：增加合成气中蒸汽含量，H₂S去除效率降低，因蒸汽与硫物种竞争活性位点。ZnO在低水分（1.3–2.9%）时接近完全脱硫。
- **温度对ZnO脱硫的影响**：温度从400?°C升至600?°C，H₂S去除效率降低，最佳温度范围为450–470?°C，因吸附容量和硫化平衡受限。

**技术经济性能**
总资本投资为534万美元，年运营成本（含原料）478万美元，年收入252万美元。净CO₂排放为5745.25?kg CO₂-e/h。经济敏感性分析显示，原料价格、合成气售价、催化剂成本、工厂利用率及副产物价值是影响净现值和盈亏平衡价格的关键因素。

**讨论与结论**
研究人员在讨论中指出，模型基于平衡假设，未考虑有限速率反应、焦炭转化动力学、催化剂失活及吸附剂突破等动态行为。未来需引入多组分焦油动力学、实验动力学参数、催化剂失活模型及生命周期评估。结论部分总结如下：（1）提高重整温度、蒸汽-碳比和Ni-Co金属负载量促进萘转化和氢气生成，15?wt% Ni-Co/Al₂O₃在900?°C时氢气产率最高（约72%）；
（2）提高气化温度促进吸热反应，增加可燃合成气组分，但需平衡热负荷和材料限制；
（3）提高蒸汽-生物质比有利于富氢合成气，当量比0.30时部分氧化最有利；
（4）ZnO在450–470?°C时H₂S去除性能最佳，但蒸汽含量增加会降低脱硫效率，需在蒸汽辅助焦油重整与下游脱硫之间权衡；
（5）总资本投资534万美元，年成本（含原料）478万美元，年收入252万美元，基础案例经济上不可持续，需改善热回收、降低原料和催化剂成本、提高合成气价值或利用副产物；
（6）经济性能受原料成本、产品收入、公用事业和副产物增值影响显著。该集成模型为评估麦秆气化制取清洁富氢合成气提供了有用的过程筛选和优化工具。