不同目标产物下稻草超临界水气化系统性能的热力学分析及碳足迹评估

《Fuel》：Thermodynamic analysis and carbon footprint analysis of the system performance for supercritical water gasification of rice straw with different target products

　　

摘要

生物质超临界水气化技术因其能够生产合成气、电能等高价值产品，具有广阔的应用前景。然而，目前很少有研究从系统角度评估该技术针对不同目标产品的热力学性能与环境影响。本文针对稻草建立了三种超临界水气化模型：纯合成气生产模式、纯发电模式以及合成气与电力联合生产模式。通过对比分析不同目标产品路径下的热力学性能与碳足迹，研究了系统的效率、有效能损失情况以及环境影响。其中，联合生产模式的效率更高，有效能损失更小，环境表现也更优，这主要是因为用于发电的废热回收提高了能源利用率，同时减少了有效能损失和有害排放。在气化温度为700℃、稻草浆浓度为60wt%、预热水与浆液的比例为1:2、气化压力为25MPa的条件下，该联合生产系统的能量利用效率可达85.52%，有效能利用效率可达70.10%，均高于纯合成气生产和纯发电系统的相应指标。碳足迹分析结果显示，直接二氧化碳排放是影响系统全球变暖潜力的主要因素，约占总全球变暖潜力的70.02%–74.82%。若采用二氧化碳捕集技术，系统的全球变暖潜力可降至0.26千克二氧化碳当量/千克氢气，进一步凸显了联合生产模式的显著环境优势。本研究为评估生物质超临界水气化系统的可行性提供了理论依据与数据支持。

章节节选

背景

生物质是自然界中最丰富、分布最广的可再生碳资源，其全球年可开发潜力巨大。根据国际能源署的数据，全球生物质能源的理论年潜力高达100–300艾焦/年，若能充分开发，可满足全球15%–40%的能源需求[1]。生物质能源兼具碳循环特性与低排放优势，能够高效、清洁地转化为高品质能源，

系统配置

图1展示了本研究建立的三种生物质超临界水气化模型的流程图。图1a为纯合成气生产模式（案例1），在这种模式下，高温流体为气化过程提供所需热量，之后的余热会在冷却系统中释放，不会被进一步回收利用。图1b为纯发电模式（案例2），该模式不产生合成气，而是将所有热量转化为电能，所有的合成气都会通过

稻草浆浓度

图4展示了泵入口处稻草浆浓度对三种模式的影响（分析对象为反应器外的浓度）。由于案例2中的所有可燃气体都会被燃烧释放热量，氧化出口处仅会产生二氧化碳，因此关于氧化出口气体产量的分析仅针对案例1和案例3展开。在浆液与预热水的流量比为1:2、反应温度为600℃、压力为25MPa的条件下，随着稻草浆浓度的升高，

研究结论

本研究建立了三种工艺方案：纯合成气生产模式、纯发电模式以及合成气与电力联合生产模式。通过热力学分析与碳足迹分析，详细比较了这三种方案的综合性能，并量化了系统各部分的有效能损失与环境影响程度。研究结果表明，采用废热回收技术的合成气与电力联合生产模式在系统能量利用效率、有效能利用效率以及环境影响方面均具有明显优势。关键

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFF0505801）、江西省自然科学基金（项目编号：20252BAC200326）、国家自然科学基金（项目编号：52506191、52406189）、陕西省自然科学基金（项目编号：2025JC-YBQN-765）以及江西理工大学（项目编号：jxust-114）的支持。

聂琴轩|谭杰|郭晓娟|卢立波|徐佳玲|刘志刚|彭志勇|金辉|陈斌

中国江西省赣州市341000，江西理工大学颗粒技术省级重点实验室