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生物质制氢过程中采用NaOH与甘油复合预处理工艺，结合不锈钢θ环构建的多孔介质反应器，通过优化热回燃机制使氢气产率提升至18.1%。研究表明，θ环含量与粒径影响温度场分布，木粉干燥2小时时氢选择性达47.42%，球状结构氢产率较纤维状提升223.21%。
高小杰|戴华明
武汉理工大学安全科学与应急管理学院，中国武汉，430070
摘要
热化学转化工艺为将废弃生物质转化为氢气开辟了一条新途径。然而，其可扩展性受到外部热源依赖性和原材料固有局限性的挑战。本文提出了一种新方法，通过使用碱和甘油预处理系统来改善木质生物质的反应特性，并设计了一种结合了不锈钢θ环和惰性颗粒的多孔介质反应器，以实现高效的热循环和气体生产。结果表明，添加θ环提高了燃烧温度，氢气产量增加了12.9%。在90°C下进行60分钟的水浴处理后，使用3%（重量比）的氢氧化钠和50%（体积比）的甘油处理，获得了最高的18.1%氢气产量。适当的木材干燥时间优化了氢气生成的反应路径，当干燥时间为2小时时，获得了最高的氢气选择性（47.42%）。此外，木材的微观结构显著影响了氢气产量和燃烧时间。球形结构的氢气摩尔分数比纤维状结构高出223.21%。相应的结果验证了生物质氢气生产技术的可行性，为生物质资源的工业应用提供了新的方向。
引言
由于氢气重量轻、热值高且使用过程中无污染物，因此被视为一种清洁能源载体（Magoua Mbeugang等人，2025年）。目前，氢气生产仍主要依赖于化石燃料，导致严重的能源短缺和环境污染。因此，将氢气的生产路径转向清洁和可再生能源至关重要。由于成本较低、可再生性和负碳排放潜力，鼓励通过热化学过程将生物质转化为可燃气体或富含氢气的合成气（Shahbaz等人，2021年）。其中，燃烧技术被认为是实现生物质清洁高效利用的有前景的方法之一（Cheng等人，2025年；Zhang等人，2022年）。
为了进一步提高生物质的燃烧效率，多孔介质燃烧技术（PMCT）受到了广泛关注。多孔介质的热循环实现了无需外部热源的自维持燃烧，在相对较低的预热温度下产生更多的氢气（Gao和Dai，2025年）。多孔介质材料主要分为非金属和金属纤维材料。由于陶瓷泡沫和填充颗粒具有优异的高温稳定性和导热性，被广泛用作主要的非金属多孔介质（Rico等人，2023年）。当多孔介质放置在下游时，增强了热循环，显著提高了系统的整体温度（Chen等人，2025年）。Ciria等人（2022年）表明，SiC陶瓷泡沫的火焰限制使温度比自由火焰条件提高了200%以上。Dai和Gao（2024年）也指出，随着Al?O?床长度的增加，整体温度升高。当Al?O?颗粒和生物质颗粒均匀混合时，Ripoll等人（2017年）观察到在甲烷-空气混合反应器中添加生物质颗粒后氢气产量增加。Dai和Dai（2022年）在空气作为进气的情况下得出了类似的结论。与非金属材料相比，三维结构的金属不锈钢具有成本较低和来源丰富的优势（Zhang等人，2020年）。Sanz等人（2017年）发现，堆叠的304金属网单片芯片比平行通道单片芯片具有更好的减排性能。不锈钢网过滤器在生物质燃烧过程中有效去除了烟气中的灰尘（Schott等人，2022年）。作为一种典型的中空结构不锈钢，θ环（TR）由于其更好的填充稳定性和传质性能，有助于烟气脱硫和生物柴油生产（Gui等人，2016年；Zhu等人，2021年）。
生物质燃烧是一个复杂的过程，涉及一系列异质反应将有机物质转化为能量（Ansari等人，2025年；Nazari等人，2025年）。其燃烧性能取决于燃料的物理性质。其中，生物质的颗粒大小调节了燃烧过程，显著影响了其燃烧和转化特性。对于较大的颗粒，干燥、挥发燃烧和炭燃烧阶段重叠（Gao和Dai，2026年），而小颗粒则倾向于依次转化（Jovicic等人，2017年）。Wang等人（2025年）研究了不同尺寸生物质的挥发燃烧特性。研究发现，增大颗粒尺寸会导致火焰高度降低和燃烧时间延长。Yu等人（2023年）观察到，颗粒尺寸的增加降低了热转化过程中的气体产量，但略微增加了H?和CH?的产量。此外，生物质的形状改变了固定床的孔隙率，进而影响了热和质量传递以及燃料的燃烧速率（Buβ等人，2018年）。Song等人（2025年）表明，在热分解过程中，球形颗粒的温度升高和重量损失率高于非球形燃料。Atreya等人（2017年）的研究也证实了这一点。由于原料性质的不同，气体产量也有显著差异（Guo等人，2024年）。与其他生物质相比，木材燃料由于木质素含量较高，产生了更富含氢气的合成气（Pan等人，2023年）。Dai和Li（2024年）选择了四种常见的木质生物质，研究了它们与惰性多孔介质结合时的燃烧特性。结果表明，松木获得了最佳的氢气摩尔分数9.0%。
开发高效的预处理和改性策略对于优化H?生产至关重要（Raut等人，2025年）。尽管传统的机械破碎可以快速减小生物质颗粒的尺寸，但在破坏生物质内部顽固结构方面存在局限性（Liu等人，2025年）。酸和碱溶液极大地破坏了生物质的结构，从而降低了生物质转化所需的活化能（Ge等人，2022年；Guo等人，2012年；Selva Kumar等人，2025年）。为了进一步提高预处理效率，已经研究了有机溶剂预处理方法。与高挥发性、低沸点的有机溶剂相比，高沸点醇由于操作条件较为温和，更适合推广使用（Zhang等人，2016年；Zhu等人，2025年）。甘油是生物柴油生产的副产品，由于其低成本、安全性和非易燃性，在生物质预处理过程中得到广泛应用（Long等人，2025a）。因此，已经开发了酸和碱催化的甘油有机（GO）溶剂预处理方法用于木质纤维素的分离（Sun等人，2022年）。酸催化的GO预处理主要去除木质纤维素中的半纤维素，而碱催化的GO预处理则倾向于脱木质素。Long等人（2025b）在有无酸性或碱性催化剂的情况下用甘油预处理了生物质原料。结果表明，用200°C的酸甘油预处理的麦秸秆的木质素分子量高于用220°C的碱甘油预处理的木质素。Phi Trinh等人（2016年）预处理了秸秆并发酵了再生生物质。研究发现，随着预处理温度和反应时间的增加，再生稻秸秆中的葡聚糖含量增加了39%。Song等人（2023年）用NaOH和甘油（>200°C）预处理了甘蔗渣，以共同生产可发酵糖和高活性木质素。研究发现，随着NaOH质量分数的增加，葡萄糖产量增加，在0.9%（重量比）NaOH时达到了62.8%的最高值。Joy等人（2021年）用60%体积比的甘油在190°C下处理了高粱秸秆60分钟，以去除半纤维素和木质素，从而提高了纤维素和糖化的产量。
有机溶剂预处理已被证明能有效破坏生物质结构。然而，由于缺乏高效的转化技术，它很少用于热化学氢气生产。在这项研究中，提出了一种新的氢气生产技术，使用低温碱处理过的生物质作为原料，结合不锈钢TR和惰性颗粒作为复合热储存介质，以优化燃烧过程并提高能量转化效率。研究了TR参数（位置、含量、尺寸和组合方式）、预处理过程（碱质量分数、甘油体积分数、水浴温度、水浴时间和干燥时间）以及空气速度对温度分布和气体产量的影响。相应的结果为固体生物质转化提供了可行的技术路径，有助于清洁能源的发展。
实验材料
本实验研究使用松木作为原料。样品被加工成球形颗粒（SP，直径8毫米）、小圆柱体（SC，直径8毫米×高度6毫米）、大圆柱体（LC，直径8毫米×高度72毫米）和纤维状颗粒（FI，宽度2毫米×厚度0.3毫米×高度10毫米）。选择了直径4毫米×高度4毫米、直径6毫米×高度6毫米和直径8毫米×高度8毫米的不锈钢TR作为与生物质共燃的填充物。
TR的位置和含量
在没有木材预处理的情况下，研究了TR的位置和含量对燃烧温度和产品浓度的影响。如图3所示，与参考条件（0TR）相比，添加TR显著改变了温度分布。正的温度差强烈表明火焰从排气过渡区（ETZ）沿轴向位置向上传播。
结论
为了提高氢气生产的效率，创新性地设计了一种预处理过的木质生物质与碱甘油和TR的复合反应系统。下游热储存颗粒的热循环显著优化了反应器内的热传递过程。基于实验结果分析了关键参数对温度分布和气体产量的影响。主要结论如下。
(1)TR的添加显著
作者贡献声明
高小杰：撰写——原始草案、验证、方法论。戴华明：撰写——审稿与编辑、资源收集、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（编号：52474246）和武汉基础研究知识创新计划（编号：2022020801010180）对这项工作的支持。所有匿名审稿人的意见都受到了高度重视。
