一个用于评估木质素水热碳化的综合框架：严格的过程设计、生命周期评估以及技术经济分析

《Process Safety and Environmental Protection》：A comprehensive framework for evaluating lignin hydrothermal carbonization: Rigorous process design, life cycle assessment, and techno-economic analysis

本研究首次构建了木质素热解吸碳（HTC）的综合性建模框架，涵盖模型化合物选择、反应路径开发、热力学建模、工艺优化及生命周期与 techno-economic 分析，揭示了不同分配情景下的碳减排潜力及经济可行性，为HTC规模化提供理论支撑。

　　

苏子成|陈一鸣|于博一

台湾国立大学化学工程系，台北106

摘要

水热碳化（HTC）是一种将木质素转化为生物炭的有前景的技术。然而，由于反应机制复杂、缺乏可靠的宏观动力学模型以及产品鉴定方面的挑战，该过程建模仍存在显著的研究空白。本研究首次开发了一个全面的框架，通过严格的建模来评估木质素的HTC过程，包括模型化合物的选择、反应路径的开发、热力学建模、工艺设计与优化，以及综合生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）。LCA研究强调了木质素预处理过程中影响分配的关键作用。两种分配方案显示出负的全球变暖潜力（GWP）：方案1采用质量分配，GWP为-2.05 kg-CO₂eq/kg-biochar；而方案2采用效益分配，GWP为-2.49 kg-CO₂eq/kg-biochar。相比之下，方案3基于主要产品的分配，导致净正排放量为+1.87 kg-CO₂eq/kg-biochar。TEA确定了最低销售价格（MSP）为1.42 USD/kg-biochar。综合LCA和TEA表明，在高碳定价下，负碳情景的MSP可能接近零。这表明生产用于去除CO₂的生物炭可能是有利可图的。总体而言，本研究提出了一个有效的框架，能够对木质素的HTC过程进行全面和严格的评估。

引言

近几十年来，二氧化碳排放量的上升引发了气候紧急状况。政府间气候变化专门委员会（IPCC）指出，为了将全球变暖限制在1.5°C以内，到2030年必须将二氧化碳排放量比2010年的水平减少45%（Masson-Delmotte等，2022年）。然而，2024年的排放量达到了创纪录的41.6 Gt CO₂（Carbon Brief，2024年），这凸显了当前减缓努力的失败以及迫切需要负排放策略。

生物质是一种可再生的低碳能源，因为它具有碳中性。生物炭是一种从生物质中在无氧条件下制成的富含碳的材料，是一种有前景的碳去除方法（Luo等，2025年）。生物炭在环境修复、农业和先进材料领域有多种应用（Varma，2019年）。其高表面积和含氧基团使其能够有效吸附重金属（如Pb2?和Cd2?）（Ighalo等，2022年）以及有机污染物（如染料和药品）（Khosravi等，2022年）。在农业中，生物炭可以改善土壤结构、保持水分和促进作物生长（Islam等，2021年）。其稳定的碳结构还支持长期碳封存（Ebrahimi等，2022年）。此外，生物炭可以加工成活性炭（Sevilla等，2017年），并用于超级电容器电极和其他先进材料（Liu等，2020年；Liu等，2022a）。根据国际生物炭倡议（IBI）和美国生物炭倡议（USBI）的数据，2023年全球生物炭产量超过了35万吨，从2021年到2023年的复合年增长率为91%（IBI和USBI，2023年）。市场预测该行业的价值将从2023年的6亿美元增长到2025年的近30亿美元（IBI和USBI，2023年）。这种快速增长源于早期技术扩展、政府对碳去除的补贴、新兴的碳交易市场以及企业为实现碳中和目标的压力，使得生物炭市场具有巨大潜力。

生物炭通常可以分为热解炭（来自热解）或水热碳化炭（HTC）（Li等，2020年）。热解是一种将生物质，特别是木质纤维素生物质转化为生物衍生产品的有前景的技术，具有快速的反应速率和对原料类型的低敏感性。然而，其主要缺点是由于生物质含水量高而需要耗能的干燥过程。相比之下，HTC在亚临界水条件（423–623 K，1–15 MPa）下无需干燥即可将高水分生物质转化为生物炭（González-Arias等，2022年）。在这些条件下，水同时充当反应物、催化剂和溶剂，促进水解、脱水和脱羧反应（Toor等，2011年；Funke和Ziegler，2010年；Reza等，2014年；Zhuang等，2019年）。HTC产生的产品包括固体生物炭、液体生物油和少量气体，产量取决于温度、停留时间和原料（Shanmugam等，2025年）。从产品性质的角度来看，水热碳化炭具有较低的芳香性和更多的含氧官能团（Leithaeuser等，2022年；Wang等，2022年；Yu等，2023年；Zou等，2025年）。这些特性增强了其燃烧反应性和亲水性，使其适用于能量回收、污染修复和土壤改良等应用，具体取决于每个应用的具体功能要求。

木质素占木质纤维素生物质的15%到40%（Kaur和Goyal，2024年），是纸浆工业和生物精炼厂的主要废弃物副产品（Sun，2020年）。目前，全球木质素年产量超过5000万吨，其中约87%来自硫酸盐法工艺（Rodrigues等，2018年；Nadányi等，2022年；Moretti等，2021年）。木质素主要由苯丙烷单元组成——coniferyl、sinapyl和p-coumaryl醇——通过醚键（β-O-4，α-O-4）和碳-碳键（β-5,5-5, β-β）连接，形成复杂的不规则三维芳香聚合物（Sun等，2022年）。此外，木质素含有各种官能团，如甲氧基、酚羟基和羰基（El Mansouri和Salvadó，2007年）。其结构因植物种类、组织类型、发育阶段和环境而异（Mastrolitti等，2021年）。由于其复杂的刚性结构，木质素难以进行化学转化，主要用作热能和电力燃料（Mandlekar等，2018年）。然而，将木质素转化为高附加值化学品对于废物管理和提高生物精炼厂的经济效益至关重要。尽管在这一领域的进展仍然有限，但已有研究表明木质素可以转化为生物燃料（Li等，2024年）、酚类化合物（Yang等，2021年）、生物塑料（Sethupathy等，2022年）以及通过水热碳化制得的生物炭。

多项研究已经调查了HTC过程并确定了关键的过程指标。例如，Stobernack等人（Stobernack等，2020年）评估了应用于有机城市固体废物的HTC，发现使用生物炭发电比使用褐煤更环保。Medina-Martos等人（Medina-Martos等，2020年）评估了HTC与厌氧消化结合处理污泥的效果，尽管成本较高，但环境效益有所提升。Do等人（Do等，2021年）分析了HTC处理城市固体废物的经济效益，当生物炭用于发电时，内部回报率为18.9%。Martinez等人（Martinez等，2021年）研究了农业和林业残渣的HTC，观察到能源消耗减少了12%。Nadarajah等人（Nadarajah等，2024年）对稻草HTC进行了技术经济分析，发现生物炭吸附剂的成本仅为商业替代品的一半。

尽管HTC过程具有很大潜力，但在过程建模方面仍存在显著的研究空白。首先，尽管文献中已经通过技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）对HTC生物炭的生产进行了评估，但大多数现有模型依赖于实验产量来进行反应器模拟。因此，它们在不同条件下的预测能力有限，对反应机制的了解也有限，显然需要更详细的建模方法（Ghavami等，2022年；Li和Jin，2025年；Nayeem等，2025年；Salcedo-Puerto等，2024年）。其次，尽管已经广泛提出了HTC反应的集总动力学模型（Reza等，2013年；Keiller等，2019年；Bevan等，2023年），但这些模型缺乏对各个组分的详细信息，限制了质量和能量平衡以及产品性质的准确预测。一个全面的HTC过程模型仍然缺失，因此其优化及其经济和环境潜力尚未得到充分探索。据我们所知，目前还缺乏一个全面的HTC过程模型，优化工作以及其经济和环境潜力尚未得到充分利用。最后，尽管已经广泛研究了使用各种原料的HTC生物炭生产（Saba等，2024年），但专门针对木质素的HTC研究仍然相对有限。在木质纤维素生物质的研究中，木质素虽然是一个主要成分，但传统上一直被视为燃烧燃料（Salcedo-Puerto等，2024年），只有最近才开始探索其升级潜力（Shen等，2021年）。

本研究提出了第一个通过严格的过程建模来评估木质素HTC过程的全面框架。基于代表性化合物和先前研究开发的动力学模型与预测性热力学方法相结合，用于估计纯化合物及其混合物的性质。利用这些模型进行了工艺设计和优化，随后对优化后的配置进行了LCA和TEA。总体而言，这项工作代表了首次尝试对木质素基HTC过程进行严格建模的初步但成功的努力。本研究开发的建模框架能够更详细地评估木质素的转化，无论是作为独立过程还是作为生物精炼过程的一部分。

部分摘录

反应路径和模型化合物的选择

严格的过程设计首先需要确定HTC过程的可能路径。然而，这一步骤受到HTC过程中复杂反应机制的挑战，以及产品定量和鉴定的困难。因此，在保持过程基本特性的同时，应适当使用模型化合物进行简化。表1列出了所提出的反应网络中包含的所有路径。

工艺流程图开发

HTC工厂的建模基于芬兰最大的木质素试验工厂Stora Enso Sunila Mill，年产能为50,000吨（Wallmo等，2018年）。为了清晰起见，图3展示了HTC木质素生产的优化工艺流程图，优化细节将在后面提供。2.1 动力学模型的开发、2.2 动力学回归为工艺设计提供了基础。

初始进料包含6,250 kg/小时的木质素和18,750 kg/小时的水。

HTC过程的碳流分析

在环境评估之前，评估了HTC过程的碳流，以验证其固有的碳封存潜力。如图4所示，Sankey图展示了HTC系统中碳的分布情况。结果表明，大部分初始碳输入（92.93%）成功封存在固体生物炭中。剩余的碳分布在副产品中，主要是有机相。

结论

本研究开发了一个严格的木质素水热碳化（HTC）模型，该模型采用了模型化合物方法、预测性热力学性质建模、工艺设计及优化，以及综合生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）。与依赖集总动力学、产量数据或反应器相关性的先前模型不同，该模型能够预测反应产物的产量和组成，从而提高了关键数据的可靠性。

CRediT作者贡献声明

于博一：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资源管理，项目管理，方法论，资金获取，概念化。苏子成：撰写 – 原稿，软件，方法论，调查，数据管理。陈一鸣：撰写 – 原稿，软件，方法论，调查，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。