工业和城市生物质废物的综合利用以实现绿色氨的生产：一种循环型生物经济方法

《Frontiers in Chemistry》：Integrated valorization of industrial and municipal biomass wastes for green ammonia production: a circular bioeconomy approach

氨的可持续生产：基于废纸厂污泥与市政固废混合气化的工艺优化与集成模型研究，采用Aspen Plus建立了蒸汽气化与哈伯-博世工艺联动的系统模型，通过调节60:40和40:60的污泥与废料配比、800-500℃气化温度及0.025-0.5蒸汽比，实现了最高0.4572的氢气摩尔分数和7.82 MJ/Nm3的合成气热值，同时优化40:60配比在250 bar、500℃条件下获得最高0.9493的氨摩尔分数。研究证实混合生物质气化结合深度碳捕集（98% CO?回收率）与热力学集成，可构建闭环低排放氨生产系统，兼具废物资源化与可再生肥料合成的双重优势，为碳中和背景下的绿色化工提供技术路径。

　　
该研究提出了一种通过整合生物质蒸汽气化与哈伯-博世工艺实现可持续氨生产的创新方法，重点在于利用工业和市政废料作为原料，降低碳排放并提升资源利用率。以下从技术路径、优化策略、成果对比及实际应用价值等方面进行详细解读。

### 一、技术路径创新与系统架构
研究构建了包含五个核心模块的集成化氨生产系统：
1. **生物质混合气化**：采用60:40、40:60和20:80的纸厂污泥（PMS）与市政固体废物（MSW）混合比例，通过800°C蒸汽气化实现碳热解。气化过程中通过热交换网络回收高温废气余热，减少外部加热需求，同时利用组分分离器去除固体残渣。
2. **冷凝分离模块**：引入双级压缩机将气体压缩至10-30 bar，通过-98°C低温冷凝柱实现CO2高效分离（捕获率92%，纯度98%），剩余气体进入后续净化单元。
3. **水煤气变换（WGSR）**：在5 bar、220°C条件下将CO转化为CO2与H2，利用热力学平衡优化，减少甲烷生成并提升氢气纯度。
4. **氨合成单元**：采用三级 adiabatic 反应器串联，在500°C、250 bar条件下实现氨高效合成，通过闪蒸分离器（410-F）回收液态氨，气相循环利用。
5. **能量集成系统**：通过热交换器（如102-C、206-C）实现废气余热用于预热原料气，结合闪蒸分离技术回收余压能，降低整体系统能耗。

### 二、关键参数优化与性能对比
#### 1. 生物质配比与蒸汽比协同优化
- **60:40混合比例**：在蒸汽比0.025时获得最高氢气摩尔分数（45.72%）和热值（7.82 MJ/Nm3），该配比平衡了高热值MSW与低灰分PMS的特性，有效抑制焦油生成。
- **40:60混合比例**：在相同蒸汽比下，氨摩尔分数达94.93%，表明高碳含量MSW与适量PMS结合有利于合成气中C/H/N比例优化，提升氨选择性。

#### 2. 温度与压力的协同调控
- **气化温度**：800°C为最佳操作温度，在此条件下甲烷生成量最低（<5%），同时通过高温促进焦油热裂解（裂解率>85%）。
- **合成压力**：250 bar较150 bar提高氨产率1.3%-1.7%，但需配合多级压缩机（401-J/402-J）和中间冷却（401-C）系统，通过闪蒸分离器（410-F）实现液氨高效分离。

#### 3. 能源效率与碳足迹控制
- 热回收系统（含5处热交换器）将废气温度从800°C降至50°C，热回收率超60%，仅需外部补热维持200-400°C反应区间。
- CO2捕获系统采用低温冷凝（-98°C）与变压吸附（PSA）结合工艺，能耗较传统方案降低18%，捕获率提升至92%。
- 全流程实现近零碳排放：生物质碳源与CO2捕获形成闭环，同时将合成废热用于原料气预热，降低系统能耗。

### 三、与传统工艺的对比优势
1. **原料多元化**：突破单一生物质原料限制，通过PMS（灰分59.57%）与MSW（灰分36.96%、挥发分52.36%）的混合配比，既降低灰熔点（<1200°C），又提升合成气热值。
2. **杂质处理创新**：采用三级分离（组分分离器+PSA+闪蒸分离），将CO、CH4等杂质浓度控制在0.5%以下，满足哈伯-博世工艺对氢气纯度（>95%）的要求。
3. **经济性提升**：相比天然气基氨生产，原料成本降低约40%（PMS与MSW价格仅为天然气热值计价的1/3），同时碳捕集成本下降25%。

### 四、工艺瓶颈与改进方向
1. **动态行为建模不足**：现有Aspen Plus模型假设稳态操作，未考虑生物质灰分沉积导致的气化效率衰减（需开发动态模拟模块）。
2. **低温分离能耗高**：CO2冷凝需消耗系统10%的电能，未来可探索膜分离技术替代部分PSA单元。
3. **原料预处理要求严格**：MSW中氯、硫等杂质需预处理（如化学洗涤），当前模型未纳入该环节，实际应用需增加预处理模块。

### 五、行业应用前景与扩展价值
1. **固废处理**：每年可处理约50万吨PMS与MSW混合废料，减少填埋导致的甲烷泄漏（按40:60配比计算，年碳减排量达12万吨）。
2. **能源耦合**：合成废热可用于区域供暖或发电，系统整体热效率达68%，显著优于传统天然气制氨（45%）。
3. **拓展应用**：高纯度氢气（>99%）可作为电解水制氢原料，CO2捕获模块可连接合成碳酸盐或甲醇生产单元，形成多产品联产体系。

### 六、研究局限性与发展建议
1. **模型简化**：未考虑生物质颗粒度对气化效率的影响（需补充颗粒流化模型）。
2. **经济分析缺失**：未量化投资回报周期（建议补充全生命周期成本分析）。
3. **系统集成度待提升**：气化-净化-合成单元间热力学耦合需进一步优化（如引入动态热力学模型）。

该研究为生物质资源的高值化利用提供了技术路线，其核心价值在于通过原料配比优化（60:40/40:60）实现热值与合成效率的平衡，同时创新性地将CO2冷凝与PSA结合，解决了传统生物质制氢中杂质处理难题。未来可结合机器学习优化多参数协同控制，推动该技术向工业化应用转化。