《Bioresource Technology Reports》：Integrated modeling of biomass gasification and staged water-gas shift for optimized hydrogen-rich syngas production
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生物质气化与分阶段水煤气变换反应器耦合优化研究，基于Aspen Plus开发了集成模型，系统分析了850℃气化温度与0.55-0.65蒸汽比（SBR）协同作用对合成气氢碳比（H?/CO）和热值的影响规律，验证了高温（HT-WGS）与低温（LT-WGS）分阶段变换器对氢能产率提升（木屑90.3%、食物残渣54.8%）和二氧化碳减排（木屑93.8%、食物残渣显著）的协同增效机制。
Md. Anonno Habib Akash | Md. Shameem Hossain | Shamima Yesmin Sony
能源科学与工程系，库尔纳工程技术大学，库尔纳，9203，孟加拉国
摘要
向低碳能源系统的转型需要高效地将生物质转化为富含氢的合成气。本研究开发并验证了一个基于Aspen Plus的详细平衡模型，以探讨气化温度和蒸汽与生物质比例（SBR）对合成气产量、成分和质量的影响，并评估顺序高温（HT-WGS）和低温（LT-WGS）水煤气变换反应器在提高合成气质量方面的有效性。本研究以木材残渣（WR）和食物废弃物（FW）为例，展示了它们在不同条件下的表现。气化温度对合成气产量有显著影响，最佳温度约为850°C，超过这一温度后，产量和低位热值（LHV）的提高趋于平稳。适中的SBR（介于0.55到0.65之间）在氢富集和热值质量之间提供了最佳平衡，而过量的蒸汽会稀释气体并降低能量密度。FW产生的合成气中H?含量较高，H?/CO比约为2.0，适合用于氢气应用；而WR产生的合成气中CO含量较高，更适合费托合成或甲醇合成。通过集成分段WGS反应器，显著提高了氢气产量并降低了CO含量：对于WR，氢气产量增加了90.3%，CO含量减少了93.8%；对于FW，氢气产量增加了54.8%，CO含量也有类似减少。模型预测结果与已发表的实验数据高度吻合，证实了该框架在生物质制氢系统优化和规模化应用中的可靠性。
引言
研究人员和工业界正致力于利用可再生能源资源来实现全球能源系统的脱碳（Sulaiman等人，2025年）。生物质是一种碳中性的原料，可以可持续地用于生产清洁燃料（Akash等人，2025年；Ibitoye等人，2023年）。无论是发展中国家还是工业化国家，都能从生物质持续的供应和内在的能量储存中受益，这与风能和太阳能等间歇性可再生能源不同（Jayabal，2024年）。直接燃烧生物质的热转化效率低且排放量大，因此需要更先进的热化学转化技术。
生物质气化可以从农业残渣、林业副产品和食物废弃物中生产合成气（Escámez等人，2025年）。合成气主要由氢气和一氧化碳组成，可用于能源生产、化学合成和氢气生产（Rey等人，2024年）。它将可再生碳源与更清洁的燃料联系起来。气化过程是在700–1000°C的温度下使用蒸汽或空气部分氧化生物质（Ji和Wang，2021年）。根据（Sher等人，2025年）的研究，这种方法产生的气体更加清洁，提高了能源效率，并使后续的碳捕获变得更加容易，从而进一步减少了温室气体排放。
因此，合成气因其多功能性而在许多领域具有应用价值。例如，它在燃气轮机或热电系统中发电的效率高于直接燃烧生物质（Bolívar Caballero等人，2022年）。经过处理的合成气可以生产氢气，这对交通和工业领域的碳减排至关重要（Zhao等人，2022年）。合成气是甲醇和费托液体燃料的关键成分，在化学和燃料合成中发挥着重要作用（Yohannes和Gates，2026年）。
尽管有这些优点，但生物质气化产生的原始合成气中的H?/CO比例（0.5–1.5）限制了其在依赖氢的应用（如燃料电池和化学合成）中的使用（Zohreh Zohreh等人，2014年）。后续的水煤气变换（WGS）过程利用蒸汽将一氧化碳转化为二氧化碳和氢气，是克服这一限制的有效方法（Dehimi等人，2025年）。WGS反应通过增加氢气和减少CO含量来改善合成气质量。标准的WGS过程通常包括两个步骤：首先是在350–450°C进行的高温变换（HT-WGS）以实现快速反应速率，然后在200–250°C进行低温变换（LT-WGS）以实现热力学上的氢富集（Liu等人，2025年）。由于许多文献将气化和WGS视为独立过程，因此对其综合性能的预测和优化受到限制。
然而，尽管对生物质气化和WGS反应进行了广泛研究，但仍存在一些不足。许多基于摩尔分数的性能指标的模拟研究忽略了工业规模扩大和过程集成所需的质量流量动力学（Prestipino等人，2025年）。其次，过去的研究忽视了原料组成（特别是水分、灰分和挥发性成分）对合成气质量和产量的影响（Lestander等人，2022年）。第三，关于将WGS反应器整合到统一的气化框架中的综合效应的研究较少，这限制了我们最大化富含氢的合成气产量的能力。
尽管如此，这些不足仍然阻碍了成本效益高的生物质制氢系统的规模化应用。集成建模框架对于优化气化温度、蒸汽与生物质比例（SBR）和其他操作条件至关重要。它们还有助于找到适合不同类型生物质的最佳配置，同时平衡能源效率、合成气质量和氢气产量。
因此，本研究开发了一个基于Aspen Plus的建模和优化框架，将生物质气化与分段WGS反应相结合，以实现以下目标：
i)捕捉特定原料的气化行为和反应路径，
ii)优化气化温度和SBR，以在保持适当低位热值的同时最大化氢气产量，
iii)评估HT-WGS和LT-WGS反应器在提高不同生物质原料的氢气产量和减少CO含量方面的作用。
这种综合方法旨在提供一种更现实且可扩展的途径来生产富含氢的合成气，从而弥合实验室研究与工业应用之间的差距。
重要的是，这项研究对技术和环境都有积极影响。基于生物质的氢能系统在实现全球脱碳目标方面取得了显著进展（Lau和Tsai，2023年；Obiora等人，2024年）。这表明集成建模可以优化氢气生产和过程效率。这些发现对于像孟加拉国这样的发展中国家尤为重要，因为这些国家会产生大量食物废弃物和农业废弃物。这些废弃物有助于提升能源安全、促进农村发展并减少排放。
总体而言，通过使用基于质量流量的评估方法，该模型适用于工业规模扩大和技术经济分析；它还能提供关于能量平衡、实际原料利用以及与碳捕获系统整合的结果。支持循环经济的一种方法是比较食物废弃物和木材残渣，这将有助于根据特定原料优化操作。
本研究的新颖之处在于开发了一个集成的生物质气化与分段WGS框架，该框架将热力学平衡的气化过程与顺序HT-和LT-WGS反应器结合在一个统一的质量流量模拟环境中。与以往独立处理气化和WGS或仅依赖摩尔分数指标的研究不同，本研究量化了特定原料的质量流量行为，评估了通过分段变换获得的实际氢气增益，并确定了工业可扩展的生物质制氢系统的最佳操作窗口。
本研究通过在一个统一的Aspen Plus框架内整合多原料蒸汽气化与分段HT/LT水煤气变换反应，解决了生物质气化研究中的一个关键问题。该模型提供了关于不同温度、SBR和原料变化下氢富集机制的更清晰见解。通过验证实验数据并优化操作条件，该研究增强了氢气导向气化系统的预测能力。这些发现对于可扩展的合成气升级技术（特别是费托合成、绿色氢能中心和新兴的净零能耗基础设施）具有直接意义。
材料与方法
本研究开发了一个基于Aspen Plus的建模和优化框架，用于生物质气化和通过水煤气变换（WGS）反应升级合成气。该方法结合了原料特性分析、热化学过程建模、参数优化和模型验证，以确保技术准确性和工业适用性。该框架建立在之前的生物质气化研究基础上（Lestander等人，2022年；Pilar Pilar González-Vázquez等人，2021年）
气化温度对合成气成分的影响
在恒定SBR条件下，图4a展示了木材残渣和食物废弃物合成气成分随气化温度（700–950°C）的变化情况。随着温度的升高，H?和CO的摩尔分数增加，而CH?和CO?的摩尔分数减少。吸热反应在高温下的作用更为显著。两种原料中观察到的趋势一致，强调了温度在成功气化过程中的重要性。
结论
通过将基于Aspen Plus平衡的RGibbs气化器与分段高温（HT-WGS）和低温（LT-WGS）水煤气变换反应器相结合，开发并验证了一个用于生物质制氢的集成建模框架。气化温度被确定为主要操作参数，最佳性能出现在850°C附近，此时合成气产量和低位热值接近热力学极限。
作者贡献声明
Md. Anonno Habib Akash：撰写初稿、验证、软件开发、方法论制定、数据分析、概念构思。
Md. Shameem Hossain：撰写修订稿、监督、方法论制定、数据分析、概念构思。
Shamima Yesmin Sony：撰写初稿、软件开发、资源协调、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系，这些因素可能影响本文所述的工作。
