Numerical analyses into carbon circularity through integrated biomass gasification and electrochemical CO2 conversion to formic acid

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Numerical analyses into carbon circularity through integrated biomass gasification and electrochemical CO 2 conversion to formic acid

　　

中文摘要翻译 本研究提出了一种集成气化-电化学CO2还原系统，用于合成气（syngas）和甲酸（formic acid）的联产，从而减少CO2排放并促进碳循环（carbon circularity）。与主要关注合成气生产的传统气化系统不同，所提出的框架集成了下游电化学回收工艺，将产生的气体中的CO2转化为甲酸，提供了额外的碳利用途径。研究人员建立了一个由两个子模型（气化和电化学）组成的二维计算流体动力学（CFD）集成模型。该模型研究了当量比（equivalence ratio, ER）对关键性能参数的影响，包括低位热值（lower heating value, LHV）、H2产量、CO2还原量、甲酸生成量、气化效率和碳转化效率。此外，还进行了多准则决策分析（multi-criteria decision-making, MCDM）以选择最佳工作条件。基于MCDM，当量比为0.3时获得了最高排名。与独立系统相比，在建议的最佳当量比下运行的集成系统CO2排放降低了27 vol%，甲酸产量提高了31.7 wt%，H2产量提高了8.6 vol%，气化效率提高了8.5%。因此，系统集成显著提升了整体工艺性能，改善了燃料质量和能量回收。结果表明，碳利用率和甲酸生成量均有所改善，但在研究系统放大和工业部署之前，必须解决一些挑战，包括产出气体净化、可再生能源电力需求、电化学系统规模化以及经济和环境可行性研究。

论文解读文章

1. 研究背景与问题

随着化石燃料消耗带来的环境影响日益加剧以及全球能源需求的增长，对可持续低碳能源转换技术的需求不断提高。生物质作为一种可再生且碳中和的能源，可通过气化（gasification）等热化学转化途径生产燃料、能源和有价值的化学品。然而，传统的生物质气化系统主要聚焦于合成气（syngas）的生产，过程中会同时产生大量的CO₂，通常被直接排放到大气中，导致整体碳利用效率降低。

近年来，将生物质气化与碳捕集与利用（CCU）技术相结合，被视为实现负排放路径和碳循环系统的有前景途径。虽然传统的热化学CO₂利用途径（如干重整、催化加氢、甲醇合成）需要高温高压和可再生氢气，但电化学CO₂还原（CO2R）技术因其能在温和条件下利用可再生电力将CO₂转化为增值产品而备受关注。在众多还原产物中，甲酸（formic acid）作为氢载体，具有储存运输方便和工业应用潜力大的优势。

尽管在生物质气化、碳捕集技术和电化学CO₂还原领域各自取得了显著进展，但这些研究方向通常是独立进行的。现有研究大多侧重于优化单个过程，而缺乏一个能够整合气化、碳捕集和电化学转化的统一平台。此外，直接利用气化产生的CO₂流进行电化学甲酸生产的研究尚不充分。同时，现有的建模方法多为流程模拟或独立反应器模型，缺乏能够捕捉热化学与电化学过程之间相互作用的综合多物理场模型。因此，建立一个集成化的建模框架对于评估耦合过程的性能至关重要。

2. 研究方法与技术路线

为填补上述研究空白，研究人员开发并优化了一个集成生物质气化-电化学CO₂转化的框架。该研究采用的主要关键技术方法包括：

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  计算流体动力学（CFD）建模：在ANSYS Fluent平台上建立了二维CFD集成模型，该模型包含两个独立的子模型：气化子系统模型和电化学子系统模型。
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  气化子系统模型：采用离散相模型（DPM）在拉格朗日框架下追踪颗粒轨迹，并结合物种输运模型、P1辐射模型和k-ε湍流模型，模拟流化床气化炉内的干燥、热解、燃烧和气化/还原等多个连续区域。模型考虑了有限速率动力学反应。
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  电化学子系统模型：构建了三室膜电解池模型，采用离子交换膜、多孔电极、Butler-Volmer方程和体积反应动力学来模拟物种转化和电荷转移过程。
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  多准则决策分析（MCDM）：采用多准则决策分析方法，综合考虑合成气质量、CO₂利用率、甲酸产量和转化效率等多个指标，筛选最优的操作条件。

3. 研究结果

3.1 当量比对气化性能的影响

通过CFD模型研究发现，当量比（ER）是影响气化过程的关键参数。随着ER的增加，气化炉温度升高，CO和H₂的浓度先增后减，而CO₂浓度持续上升。较低的ER有利于提高合成气的低位热值（LHV）和H₂产量。

3.2 当量比对CO₂生成及后续电化学转化的影响

研究表明，不同的ER直接影响气化产物中CO₂的可用性。较高的ER虽然增加了CO₂的生成量，但会稀释合成气中的有效组分（CO和H₂）。下游电化学子系统将气化产生的CO₂转化为甲酸，其产量与上游CO₂供应量密切相关。

3.3 多准则决策分析与最优工况确定

基于MCDM分析，综合考虑合成气品质、碳转化效率、气化效率、H₂产量和甲酸产量等多个目标，当量比为0.3被确定为最优操作条件，获得了最高排名。

3.4 集成系统与独立系统的性能对比

在最优ER（0.3）下，与未集成电化学转化的独立气化系统相比，集成系统表现出显著的性能提升：

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  CO₂排放降低了27 vol%。
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  甲酸产量提高了31.7 wt%。
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  H₂产量提高了8.6 vol%。
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  气化效率提高了8.5%。

这些结果表明，系统集成显著增强了整体工艺性能，改善了燃料质量并提高了能量回收率。

4. 讨论与结论

讨论部分：研究结果证实了将生物质气化与电化学CO₂还原集成用于联产合成气和甲酸的可行性。该集成策略不仅减少了碳排放，还通过将废弃物（CO₂）转化为高附加值产品（甲酸）实现了碳循环。然而，在推进系统放大和工业部署前，仍需解决若干挑战，包括：产出气体的净化处理、大规模可再生电力的稳定供应、电化学系统的规模化设计，以及全面的经济性和环境可行性评估。

研究结论部分：本研究建立并优化了一个集成生物质气化-电化学CO₂转化框架，用于联产合成气和甲酸，重点强调了增强碳利用和碳循环管理。研究旨在建立一个基于CFD的多物理场框架，代表流化床生物质气化子系统与三室膜电解池电化学CO₂还原子系统之间的相互作用。具体而言，研究调查了气化操作条件（特别是当量比）对合成气组成、氢气产量、CO₂还原、合成气热值、碳转化和气化效率的影响。此外，还评估了生物质衍生CO₂用于电化学转化的可用性及其在优化条件下的甲酸产量。进一步采用了多准则优化方法来识别能够在合成气质量、CO₂利用、甲酸生产和转化效率之间提供平衡性能的操作条件。该研究的创新点在于系统层面的集成以及对生物质气化与电化学CO₂转化为甲酸的耦合评估。本研究旨在提供一个从生物质气化到CO₂生成再到甲酸电化学转化的碳转化路径的定量评估，确定有利于下游CO₂利用的气化条件，并考察合成气质量、碳转化和甲酸生产之间的权衡关系。除了研究利用可再生能源将生物质衍生CO₂转化为甲酸的可行性外，该系统还旨在以最优效率生产更高价值的合成气，并支持未来负排放技术和Power-to-X技术的发展。