金昌贤|姜成杓|全一正|尹恩秀|李汉俊|林在赫|张元俊|金泰熙|沈在娥
韩国全旺大学化学工程系/纳米环境科学与技术研究所，全罗北道益山市益山大路460号，54538
摘要
对可持续能源需求的增加促使人们大力研究生物质衍生氢气的生产。在各种生物质来源中，木质素作为纸浆和造纸行业的副产品，通过气化成为生产氢气的有前景的可再生原料。然而，由于木质素复杂的聚合物结构，传统的气化技术在实现高效分解方面面临挑战。本研究采用直流非传输热等离子体工艺在受控条件下对纸浆衍生有机废物（POW）进行气化，优化了氢气产量，同时减少了二氧化碳（CO?）的生成。通过磁流体动力学（MHD）和计算流体动力学（CFD）模型对等离子体射流特性进行了数值分析，研究了温度、速度分布及停留时间对木质素分解的影响。结果表明，在8千瓦的输入功率和0.250克/分钟的进料速率下，产生了37.4%的最高氢气产量，这归因于高温高焓条件下的分子断裂增强。此外，矢量场分析显示反应器内的循环涡流延长了木质素在高温区的暴露时间，进一步促进了分解。本研究强调了热等离子体技术在废物制氢方面的高效性和环保性，为可持续能源生产提供了可扩展的解决方案。
引言
由于技术发展、工业化和人口增长，全球能源需求持续增加。化石燃料作为主要能源来源，资源逐渐枯竭，并排放导致全球变暖的二氧化碳。与化石燃料相比，由有机材料组成的生物质是一种可以持续利用和再生的潜在燃料来源，被认为是碳中性的能源（Abdullah等人，2017年；Srivastava等人，2021年）。木质纤维素生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，因其丰富性而被认为是替代化石燃料的有前景的可再生能源（Nandal等人，2021年；Kumar等人，2008年）。其中，木质素是纸浆和造纸行业的副产品，每年全球产生约7000万吨，其中超过98%被焚烧或填埋，导致处置成本增加、环境问题以及宝贵芳香族资源的浪费（Luo和Abu-Omar，2017年）。因此，木质素长期以来被视为低价值副产品，但最近的研究越来越多地关注将其升级为高价值产品，创造了新的经济机会。木质素在纸浆工业中通常被视为废物或低价值物质，导致处置成本高、芳香族资源浪费和土壤污染等问题。目前，有许多研究致力于将木质素用于高附加值产业，开发高附加值木质素具有经济潜力。木质素是一种由醚键（C-O-C）或碳-碳键连接的苯丙烷单元构成的三维无定形大分子结构，主要由对香豆醇（H）、松油醇（G）和芥子醇（S）组成（Jazi等人，2019年；Upton和Kasko，2016年；Hamad等人，2022年）。它还是一种富含可再生天然芳香族的生物聚合物，具有作为可持续原料的巨大潜力。然而，木质素的化学和分子结构因官能团和提取技术的不同而异，需要进一步研究以实现高效分解（Patel等人，2023年；Yang和Shin，2018年）。这些复杂性凸显了先进转化技术对高效利用木质素的必要性。气化技术能够将生物质原料转化为清洁燃料气体或合成气（H?+CO），被认为是生产可再生氢气最经济的方法之一，但仍面临成本、技术限制和基础设施不足的挑战（Balat和K?rtay，2010年）。本研究提出采用热等离子体技术来解决这些问题，实现高效经济的木质素氢气生产。
热等离子体通常提供超过15,000 K的高温环境，远高于传统化石燃料燃烧方法，并具有陡峭的温度梯度（103–10? K/s）（Gomez等人，2009年）。高焓环境有助于分解和转化含碳量高或具有高化学键能的芳香族化学物质。等离子体介质中生成电子、离子和自由基等多种活性物种，这些物种加速化学反应，比燃烧过程更有效地促进焦油分解（Anonymous，2019年）。传统燃烧过程的热化学过程变量较少，难以控制反应器焓值。相比之下，热等离子体过程通过调节放电电流和电压可以轻松控制反应器温度环境（Murphy等人，2002年；Fabry等人，2013年；Huang和Tang，2007年）。此外，等离子体射流的高流速（数百米/秒）缩短了反应时间，实现了大规模生产（Anonymous，2017年）。由于电力将是未来可再生能源的主要形式，电放电热等离子体过程作为一种可持续的环保工艺受到了广泛关注（Sikarwar等人，2020年）。
热等离子体过程产生的气态或固态产物取决于放电和操作条件，包括：（1）输入功率；（2）形成等离子体的气体化学成分；（3）废物的元素组成及其化学和物理性质；（4）在有效温度区域的停留时间以及冷却速率等。在各种等离子体放电方法中，直流（DC）热等离子体易于控制输入功率，并且在调整等离子体射流的热特性方面具有更大的灵活性，优于射频（RF）和微波（MW）等离子体（Sikarwar等人，2020年；Sanlisoy和Carpinlioglu，2017年；Heberlein和Murphy，2008年）。DC热等离子体工艺已应用于处理各种废物，特别是在气化和热解方面取得了许多研究成果。
Byun等人（Byun等人，2011年）证明，纸浆厂废物（每天1.2吨）的等离子体气化可产生约34.9%的H?，随后通过PSA装置纯化至99.999%，证实了从废物中回收氢气的可行性。Park等人（Park等人，2006年）将蒸汽等离子体气化应用于聚乙烯废物，发现较高的蒸汽/PE比例不仅提高了H?产量至65%和CO产量至30%，还通过WGS反应有效减少了焦油，从而提高了效率。Huang等人（Huang等人，2003年）报告称，热等离子体热解废物橡胶产生了富含H?和CO的合成气（蒸汽共喂料时高达约38%体积百分比），同时合成了商用级炭黑，提高了工艺经济效益。Hlina等人（Hlina等人，2014年）使用氩-蒸汽等离子体在100–110千瓦条件下实现了生物质气化，产生的合成气中H?含量约为90%，焦油含量极低（<10毫克/纳米3），合成气与原料的低热值（LHV）比大于1（LHV_syngas/LHV_feedstock > 1.0）。这些研究表明，等离子体气化可以根据原料和操作参数同时提供富含氢气的合成气和低焦油含量的有价值固体副产品。此外，Heberlein和Murphy（Heberlein和Murphy，2008年）回顾了实际试点和工业规模应用案例，讨论了热等离子体过程的实际可行性和潜在竞争力，从放大角度强调了其可行性。
H?和CO的产量不仅受原料内在组成的影响，还受等离子体反应器热特性的影响。尽管增加输入功率通常会增强原料分解和合成气形成，但这种关系并非严格成正比，同时伴随着电力消耗的显著增加。尽管对等离子体气化进行了大量研究，但大多数先前研究主要集中在高功率操作上，以最大化合成气产量。相比之下，对于低输入功率条件下的选择性氢生成行为或阐明控制产物分布的等离子体-原料相互作用机制的研究相对较少。为了解决这些限制，本研究在受控的低功率条件下应用直流非传输等离子体对纸浆衍生有机废物（POW）进行气化。本研究不仅关注气体产量，还定量研究了输入功率和进料速率的变化如何影响等离子体热特性、高温区的形成以及颗粒停留时间，以及这些因素如何共同影响氢气生产效率。通过结合实验观察和磁流体动力学（MHD）及计算流体动力学（CFD）模拟，系统分析了反应器热-流体动力学行为与选择性氢气生成性能之间的相关性。这种方法为低功率等离子体气化中的氢气生成提供了新的见解，并阐明了等离子体热特性在控制氢气生成中的作用。
部分摘录
POW的气化
本研究使用的POW来自韩国全州的一家纸浆厂。图1展示了使用直流热等离子体的气化系统整体示意图。图1(a)显示了从纸浆厂收集的污泥中获取实验样品的过程，图1(b)显示了将这些样品应用于等离子体气化过程的过程。最初，从初级废水池底部收集了污泥
POW的特性
本研究采用从韩国纸浆厂干燥和研磨得到的污泥作为等离子体气化原料。进行了元素分析（EA）以确定POW的元素组成，结果见表2。此外，还总结了来自不同地区的污泥的元素组成，以识别其元素组成的趋势（Dai等人，2022年；Assis和Chirwa，2021年；Coimbra等人，2015年；Nosek等人
结论
本研究使用直流非传输热等离子体系统研究了纸浆工业中木质素废物的等离子体气化，证明了其高效生产氢气的可行性。首先，在8千瓦的输入功率和0.250克/分钟的进料速率下，实现了最高的氢气产量（37.4%），证实了功率的增加通过促进能量向分子键的传递增强了木质素的分解。然而，过高的进料速率
CRediT作者贡献声明
金昌贤：撰写——原始草稿，调查，正式分析，数据管理。姜成杓：可视化，调查，正式分析。全一正：正式分析，数据管理。尹恩秀：可视化，调查。李汉俊：可视化，调查。林在赫：正式分析，数据管理。张元俊：监督，项目管理，概念化。金泰熙：监督，项目管理，概念化。沈在娥：撰写——审稿
利益冲突声明
作者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。
