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毛竹气化联产合成气与活性炭技术研究。构建340kWe连续式下行固定床气化系统，优化空气流量至800m3·h?1，实现合成气低位热值5.20MJ·m?3，冷煤气效率57.87%，系统稳定运行24小时。气化残炭经KOH活化后，最佳条件（KOH/炭质量比3:1，900℃）获得比表面积1338.55m2·g?1，甲基橙吸附容量212.77mg·g?1。验证了毛竹作为生物质气化原料的可行性，提出合成气发电与高值活性炭制备协同路径。
张明宇|史彦辉|卢伟苗|夏胜鹏|张宇涛|邢创|王凯格|李冰|张文标|陈登宇|张一萌|马环环|周建斌|马中华
中国浙江省农林大学竹产业研究所森林食品资源开发利用国家重点实验室，杭州，311300
摘要
毛竹是一种生长迅速的木质纤维素生物质，有望通过热化学转化技术生产生物能源。本研究开发了一个340千瓦（kWe）的试点规模下行固定床气化系统，用于从毛竹中共同生产合成气（syngas）和活性炭，并系统评估了气化性能和生物炭的增值潜力。研究了空气流速的影响，发现将空气流速从400 m3·h?1增加到800 m3·h?1显著提高了产气质量，最佳合成气组成为：CO 18.5%、CH? 2.5%、H? 16.7%、CO? 13.1%，低位热值（LHV）为5.20 MJ·Nm?3。在24小时连续高负荷运行期间，系统实现了稳定性能，原料消耗率为700 kg·h?1，气体输出量为1400 m3·h?1，冷气体效率为57.87%，发电量为340 kWe。所得到的毛竹生物炭通过KOH活化方法成功升级。在最佳条件下（KOH与生物炭的质量比为3:1，活化温度为900°C，活化时间为1小时），活性炭表现出最高的比表面积（1338.55 m2·g?1）和孔隙体积（0.900 cm3·g?1），并对甲基橙（methyl orange）显示出有效的吸附能力，最大吸附量为212.77 mg·g?1。这项试点规模的研究验证了毛竹作为可行原料的潜力，并提出了一种可持续的多联产路径，即合成气和生物炭的生产，将清洁能源生成与生物质残渣的高价值利用相结合。
引言
毛竹（Phyllostachys edulis）是中国主要的竹种，在南方地区种植面积约为528万公顷[1]。作为全球领先的竹材生产国，中国2025年的竹材年产量达到了约36.1亿根，总生物量潜力估计超过1.5亿吨[2]。作为一种生长迅速且可持续的物种，毛竹因其高强度重量比而在建筑和家具应用中具有显著优势[3][4]。然而，毛竹的结构缺点包括竹秆壁薄、内部中空以及明显的锥度[5]。因此，在初步加工过程中会产生大量废弃物，如竹梢、竹桩、竹节和竹屑[6][7]。这些加工废弃物可以通过生物质热化学转化技术（例如热解、气化）转化为生物气、生物炭和生物油[8]。生物质气化技术是一种可持续的能源转化方法，它利用可控量的氧化剂（例如空气、氧气、蒸汽或CO?）通过高温反应将生物质（例如竹残渣、农业废弃物或木屑）转化为可燃的合成气[9]。合成气主要由CO、CH?和H?组成，还含有少量碳氢化合物（CnHm），如乙烯和乙烷[10][11]。合成气的组成受多种因素影响，包括所采用的气化方法、氧化剂类型（O?、空气、蒸汽或CO?）、燃料本身的特性、操作参数和反应器设计配置[12]。这种可调性使得合成气可以应用于涡轮机、燃料电池、化学合成和发电[13]。除了合成气生产外，生物质气化还会产生有价值的副产品——生物炭。这种富含碳的材料由于其高比表面积和多孔结构，可用于土壤改良以实现碳封存、通过吸附污染物进行水净化，以及作为超级电容器中能量存储材料的前体[14][15]。
反应器配置在固体碳质燃料的气化过程中起着关键作用[16]。下行固定床气化器具有低焦油含量、高碳转化率和合成气高热值等优点[11][17]。在该系统中，产物气体与原料一起向下流动，而在上层区域产生的热解蒸汽会经过高温氧化区，在这里发生焦油的分解。这些反应促进了焦油分解为小分子可燃气体，从而提高了合成气的热值和质量[18][19]。以往关于下行气化器的研究主要集中在反应器设计、原料类型和操作参数上。例如，Havilah等人[20]回顾了生物质下行气化技术的进展，并强调了气化器设计和操作因素（如当量比、温度和颗粒大小）对合成气质量和焦油减少的显著影响，证实了优化配置可以提升下行系统的性能和产品质量。Gao等人[21]对生物质气化进行了全面评估，指出合成气组成和热值受到反应器参数和原料特性的强烈影响，为优化气化结果提供了指导。此外，针对特定生物质原料的研究（如在台式反应器中对毛竹生物质气化的实验评估）表明，操作条件（如气化温度和原料颗粒大小）显著影响燃料气体的生产和转化效率，进一步强调了针对木质生物质（包括毛竹）优化气化器的重要性[22]。然而，大多数现有研究仅限于实验室或台式规模的研究，特别是关于从毛竹原料中共同生产合成气和活性炭的试点规模研究仍然很少，这突显了进一步探索的必要性。
在下行固定床气化过程中，通常会产生约10-20%的生物炭作为副产品[23]。因此，提高生物质气化的整体效率和经济效益需要有效利用这种固体残渣。在各种增值途径中，将生物炭化学活化为活性炭被认为是一种特别有效的策略。KOH活化被广泛采用，因为它能够促进明确的微孔结构的发展，抑制焦油形成，减少孔隙堵塞，并生成丰富的表面羟基官能团[24]。传统上，KOH活化包括两个步骤：首先将生物质碳化生成炭，然后使用KOH进行活化。例如，Tan等人[25]报告称，在KOH与炭的质量比为1.5:1、活化温度为800°C的条件下，棉秆衍生生物炭的比表面积达到1735.94 m2·g?1，碘值达到1368.65 mg·g?1。同样，Yang等人[26]证明，在KOH与炭的质量比为3:1、活化温度为800°C的条件下，辣椒秆衍生生物炭的比表面积为1761.16 m2·g?1，碘值为1348.44 mg·g?1。尽管取得了这些进展，但关于从毛竹气化生物炭制备活性炭的研究仍然有限。
本研究选择了毛竹（Phyllostachys pubescens）作为气化原料。在中国浙江省建德市构建了一个340千瓦（kWe）的试点规模下行固定床气化系统，以评估其运行稳定性，并研究空气流速对原料消耗、合成气组成、热值和生物炭产量的影响。随后对气化产生的生物炭进行了KOH活化处理，以评估碱与生物炭的比例和活化温度对所得活性炭孔结构和表面性质的影响。进一步考察了毛竹衍生活性炭对甲基橙（MO）的吸附性能，以评估其在废水处理中的潜在应用。总体而言，本研究提供了支持毛竹气化可行性的试点规模证据，并展示了一种可持续的多联产路径，即合成气和生物炭的生产，将清洁能源生成与生物质残渣的高价值利用相结合。
原材料
毛竹（Phyllostachys edulis）由中国浙江省建德市的建科生态农业有限公司提供。使用木屑机将竹材加工成尺寸约为30 mm × 15 mm × 5 mm（长度 × 宽度 × 厚度）的木屑。
为了确保稳定的气化条件，木屑在鼓式干燥机中干燥至准确的水分含量12.30 ± 0.5 wt.%（以收到时的状态计），通过在105 °C下烘烤直至重量恒定来确定。
空气流速对气化性能的影响
表3总结了空气流速对原料消耗率（FCR）、气体产量、冷气体效率（CGE）和气体组成的影响。如表3所示，随着空气流速从400 m3·h?1增加到800 m3·h?1，气化温度（T1至T6）逐渐升高。特别是在两个典型的反应区域——热解区和氧化区，温度表现出有趣的变化模式。结论
本研究成功建立并验证了一个340千瓦（kWe）的试点规模下行固定床气化系统。结果表明，增加空气流速显著提高了合成气质量和系统效率。在最佳条件（800 m3·h?1）下，系统连续运行24小时，产生的合成气低位热值为5.20 MJ·Nm?3，冷气体效率为57.87%，发电量为340千瓦（kWe）。此外，两阶段空气引入的协同效应进一步提升了系统性能。
CRediT作者贡献声明
卢伟苗：可视化、方法论、研究。张一萌：方法论、研究、正式分析。陈登宇：资源、方法论、研究。周建斌：可视化、监督、资源。史彦辉：撰写——初稿、研究、正式分析、数据管理。马环环：验证、软件、方法论。张明宇：可视化、软件、研究。王凯格：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源。邢创：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了浙江省“先锋”和“领头雁”研发计划（2024C03225, 2025C01173）的支持。
