干法、浸泡法和间歇处理玉米芯原料对开放式下行气流气化器性能的比较研究

玉米秸秆气化稳定性与合成气质量研究：干秸秆表现最优，能量输出比间歇处理高12.41%，焦油含量达标适用于发动机，间歇处理导致温度波动，浸泡处理失败。

　　

穆罕默德|诺万德里·特里·塞蒂奥普特罗|西亚伊夫尔|蒂拉菲·纳比尔·法瓦兹|穆赫塔尔·科西姆

印度尼西亚三宝垄迪波内戈罗大学机械工程系，50275

摘要

持续的化石燃料危机和加速的气候变化影响迫切需要开发可再生和可持续的能源技术。玉米棒作为丰富的农业副产品，通过气化过程在小型能源生产中具有巨大的潜力。本研究旨在探讨玉米棒的湿度条件（干燥、间歇性湿润和浸泡）对气化稳定性、合成气质量以及适用于发动机应用的影响。实验结果表明，干燥的玉米棒能够通过保持反应器温度的稳定性和明确的氧化区域来提供稳定的气化性能。相比之下，间歇性湿润的玉米棒会导致操作条件的波动，而浸泡过的玉米棒则无法维持气化过程。由干燥玉米棒产生的合成气能量输出比间歇性湿润玉米棒产生的合成气高出12.41%。此外，只有来自干燥玉米棒的合成气才能满足汽油或柴油发动机应用所需的焦油含量标准。这些发现证实了干燥玉米棒是开放式下吸式气化器最合适的原料，为高效和可持续的生物质发电提供了一条可行的途径。

引言

化石燃料能源危机的临近是不可避免的，据预测化石燃料储备可能在未来150年内耗尽（Kelkar, 2024）。世界气象组织指出，化石燃料的燃烧是二氧化碳（CO?）水平上升的主要原因。二氧化碳的增加将导致气候变化和全球变暖的风险（世界气象组织（WMO），2024）。包括碳捕获、利用和储存（CCUS）在内的绿色技术应用是减少二氧化碳排放和促进公平能源转型的关键方法（国际能源署，2023）。一种潜在的方法是使用生物质，这是一种环保的能源，可以替代石油及其衍生物。生物质燃料通过气化过程转化为气体，这种气体可以用作汽油和柴油的替代品（Speight, 2020）。

玉米棒作为一种生物质资源特别值得关注，因为它们数量丰富且潜力巨大但尚未得到充分开发。尽管如此，玉米棒仍被归类为低价值的农业废弃物，目前主要用作动物饲料、手工艺品和燃料块。这种有限的利用方式突显了通过能源转化途径提高其经济价值的重要机会。值得注意的是，玉米棒具有转化为可再生能源产品的良好特性。据报道，每次玉米收获会产生大约30%的重量作为玉米棒废弃物（Purohit等人，2006）。根据美国农业部（USDA）2025年的数据，全球玉米产量为12.99亿吨，预计会产生3897亿吨的玉米棒废弃物（生产 - 玉米，无日期）。当这些废弃物作为生物质原料使用时，其能量潜力约为203.88吉瓦（Cahyadi等人，2020；Sathya Moorthy和Ganesan，2024）。这些数据强调了玉米棒废弃物作为一种丰富且可行的替代能源的战略重要性，尤其是在通过气化等热化学过程进行分布式发电时。

生物质气化技术的采用受到其内在复杂性的限制。普遍认为，气化过程通常需要高压来达到高温。需要注意的是，高压气化方法可能导致系统爆炸（Rollinson, 2018）。高压气化需要封闭系统，而生物质的流动限制了长时间运行。气化过程被设计为可持续且简单的，采用开放式反应器系统并通过吸力压力进行操作。在气化过程中使用吸力压力有助于将生物质引入反应器，从而最大限度地减少爆炸风险（Kumar等人，2009）。这项技术能够在保证过程安全性和有效性的同时实现可持续的电力转换。在真空压力下进行气化时，可以有效将生物质转化为燃料气体，同时降低危险性。从技术上讲，真空气化系统的主要缺点之一是需要一个能够将产品气体温度从约500°C降至50°C以下的热交换器，以防止损坏位于气化反应器之后的真空泵（Setioputro等人，2023a）。具有这种性能的热交换器通常需要更大的尺寸和更复杂的设计，这直接增加了系统的成本。因此，尽管真空操作在生物质原料稳定性和过程安全性方面具有一定的优势，但本研究中的这种方法主要用于研究目的和控制的小规模应用，而不是直接针对大规模商业化。

大量研究集中在生物质气化系统上，大多数研究强调了使用最佳干燥的原料或将蒸汽引入反应器。生物质干燥需要较高的成本和相当长的时间，而蒸汽辅助气化则面临与蒸汽输送、控制和热管理相关的进一步操作挑战。新的研究表明，如果使用浸泡过的生物质，气化过程可能会更好。实验证据表明，在700至1000°C之间的恒定温度下操作时，浸泡过的生物质可以提高气化性能（Setioputro等人，2025a）。具体来说，使用浸泡过的生物质可以使合成气的热能增加19.56%（Setioputro等人，2025b）。

高湿度会降低气化效率，但也会增加浸泡过的玉米棒发生故障的风险（Kosim等人，2025）。这补充了一般理解，即湿度超过30%往往会降低反应器温度和合成气性能。使用蒸汽干燥生物质可以提高合成气的热值（增加H?/CO比率），但在小型气化系统中也有其复杂性（Mohammad Junaid Khan和Khaled Ali Al-attab，2022）。在间歇条件下，采用了湿生物质气化和蒸汽添加系统的中间方案，其中玉米棒先被干燥再浸泡。关于间歇性进料生物质气化的研究是一种新的气化方法，为生物质气化过程技术做出了新的贡献。

然而，先前关于浸泡过玉米棒的研究报告称，由于水分含量过高，气化效率会降低（Kosim等人，2025）。为了缓解这一限制，引入了一种交替进料策略，同时使用干燥和浸泡过的生物质来调节总体水分含量，同时保持反应器温度在其最佳运行范围内。这种方法旨在优化水分的有利影响，同时最小化过度的热损失，从而提高气化过程的一致性和效率。

为了在气化过程中最佳利用生物质，考虑生物质的水分含量非常重要。众所周知，气化过程通常在干燥条件下进行；因此，解决农业废弃物生物质的水分含量问题非常重要（Fagern?s等人，2010）。将生物质干燥到约10%的水分含量需要很长时间和相当高的成本（Singh，2004）。Novandri等人的研究尝试通过浸泡来调节生物质的水分含量，但这种方法对玉米棒生物质并不成功（Setioputro等人，2025a；Kosim等人，2025）。为了减少处理高水分生物质的负面影响，可以用干燥燃料替代它，使气化过程能够继续进行。相反，如果反应器温度过高（超过1200°C），干燥生物质燃料可能会降解。间歇性方法是一种中间解决方案，可以降低干燥或高水分生物质燃料的影响风险。

关于暴露在交替干燥和浸泡条件下的生物质原料（特别是玉米棒）的气化性能的现有研究仍然非常有限。本研究通过仔细研究气化的工作原理、合成气的能量特性以及在开放式下吸式气化反应器中焦油的形成情况，填补了这一空白。本研究的一个关键创新之处在于采用交替干燥-浸泡的玉米棒作为气化原料，这种方法在之前的文献中很少受到关注。该研究提供了对开放式下吸式气化器的全面性能评估，这种反应器配置在之前的实验研究中尚未得到充分探索。这项研究旨在确定玉米棒是否可以用作气化的可靠原料，从而在减少干燥的情况下提高合成气的热能。研究结果旨在改进玉米棒作为小型发电机发动机中汽油的可再生替代品的实际、经济、安全和有效使用。

部分摘录

玉米棒的特性

本研究中使用的玉米棒来自实验地点附近小农户农场的农业废弃物。作为收获后活动的广泛可用副产品，这些废弃物通常被留在露天区域自然风干，无需进一步干预。

干燥和浸泡玉米棒的水分含量

表2中的测量结果显示，干燥条件和浸泡条件下的玉米棒水分含量存在显著差异。在干燥条件下，玉米棒的平均水分含量为10.75%，标准差为±0.451%。这个值表明所有样本的干燥程度相对均匀，表明干燥过程是一致的。

在浸泡条件下，平均水分含量显著增加到56.33%，标准差为

结论

与浸泡或间歇处理的玉米棒相比，干燥玉米棒在开放式气流气化器中的使用更为有效。干燥玉米棒产生了800至1000°C的稳定气化温度，没有过程故障，并且产生的合成气热能比间歇处理的玉米棒高出12.41%。此外，干燥玉米棒的焦油含量为96.94毫克/纳米3，符合作为发动机燃料的标准要求。

作者贡献声明

穆罕默德：写作 – 审稿与编辑、验证、监督、方法论、资金获取。诺万德里·特里·塞蒂奥普特罗：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件、方法论、概念化。西亚伊夫尔：写作 – 审稿与编辑、验证、监督。蒂拉菲·纳比尔·法瓦兹：初稿撰写、可视化、软件、项目管理。穆赫塔尔·科西姆：可视化、软件、方法论、调查、概念化。

利益冲突声明

作者声明以下可能的财务利益/个人关系：穆罕默德报告称获得了迪波内戈罗大学研究与社区服务研究所（LPPM）的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢研究与社区服务研究所（LPPM）、迪波内戈罗大学通过RPIBT拨款（编号：222–692/UN7.D2/PP/IV/2025）提供的财务支持。