非热等离子体“裂解”木屑：小体积密闭反应器里的甲烷新路径

基于日本Polytechnic University团队在第17届国际静电除尘会议（ISESP 2024）的最新实验研究

关键词
Electric double layer,electrostatic precipitator (ESP),catalyst,vibrational excitation,sterilization,非热等离子体,生物质气化

在传统生物质能利用路径中，“直接燃烧”一直是主角。然而对于锯末、刨花等低品位木质废弃物而言，简单焚烧不仅热效率有限，还伴随NOx、二噁英等污染物排放，对下游静电除尘器（ESP）等烟气治理单元提出更高负荷。如何在源头把“烧木头”转变为“制燃气”，在行业内已成为与碳减排、清洁燃烧同等热度的关键词。来自日本Polytechnic University of Japan的Takeru Kitagaki和Yoshihiro Kawada在第17届国际静电除尘会议（Kyoto，2024）上给出了一种非常“不传统”的解法——利用大气压非热等离子体（non-thermal plasma，NTP）在极小体积的密闭玻璃反应器内直接处理木屑，生成以甲烷（CH₄）为代表的可燃气体，并系统考察木屑与空气体积比对气体产物的影响。

与常见的生物质热化学转化（燃烧、气化、炭化）或生化转化（沼气发酵、乙醇发酵）路径不同，这项研究关注的是：在远低于500–800℃炭化温度、且不依赖长时间加热的条件下，借助电场和放电等离子体中活性粒子（电子、O·、N·、O₃ 等），能否在“几分钟量级”的时间窗口内，从木屑中“电刺激”出H₂、CO、CO₂乃至CH₄等可燃组分。对于熟悉电除尘、等离子体脱硝、低温等离子体协同催化等工艺的工程师来说，这类小尺度基础研究，正在为未来“等离子体+生物质”工艺包打底。

在装置设计上，研究团队采用了一个体积仅20 mL的玻璃小瓶作为介质阻挡放电（DBD）反应器：瓶壁厚约1.5 mm，内部沿瓶壁布置一根0.45 mm直径的不锈钢高压丝电极，外侧缠绕40 mm宽铝箔作接地电极，典型的大气压DBD电双层结构。玻璃瓶通过硅橡胶塞密封，将一定量的杉木锯末与室内空气一同封装其中。高频高压电源输出8.5 kVpp、8 kHz的交流电压，实测放电功率约10.5 W（电源输入约15 W），在瓶壁附近形成均匀的紫色放电辉光。放电持续一定时间（例如15 min）后，反应器内气体被转移到采样袋，再通过N₂定量稀释，经多次抽真空-充气操作接入2.4 m光程的FT-IR气体池，以红外吸收光谱识别和定量气体成分。CH₄的定量校准显示，在FT‑IR谱图上CH₄特征吸收（1305 cm⁻¹与3018 cm⁻¹）吸光度0.5 arb.unit大致对应N₂平衡条件下0.5%体积分数，考虑20 mL反应器气体被300 mL N₂稀释，换算回反应器原始空间，CH₄体积分数最高可达约8%。

为了量化木屑填充量及木屑-空气比例的影响，研究团队系统改变装填锯末的质量，从0 g（只有空气）到5.22 g（玻璃瓶基本被压实填满）进行对比。结果显示，当瓶内无木屑时，介质阻挡放电仅作用于空气，生成明显的N₂O特征峰，而CO、CH₄等碳基气体基本检测不到。随着木屑装填量超过0.5 g，N₂O吸收迅速衰减趋近于零，CO与CH₄信号开始显著增强，并在约2.0 g锯末条件下达到峰值；当锯末进一步增加至满装（5.22 g）时，CO和CH₄的红外吸光度保持基本恒定，没有明显下降。这一现象在工程上有两个重要含义：一是只要反应器内存在一定量可反应的木屑，放电优先驱动锯末表面和孔隙中有机组分裂解、脱羧和氢转移等过程，抑制了以空气为主的N₂O生成路径；二是当填充高度超过约2/3瓶高后，虽然几何上“自由空气体积”在减少，但锯末本身呈疏松多孔结构，夹带的孔隙空气为放电提供了足够的气隙与反应环境，因此CH₄、CO等产物并未随表观空气体积的降低而降低。

从“物料形态”角度看，实验过程中在电极附近可观察到棕色焦油状物质（tar）在锯末表面与瓶壁上附着。研究者把这部分焦油从木屑上分离出来，单独固定在电极附近，再进行相同电参数的等离子体处理，并用FT‑IR分析N₂O、CO、CH₄。结果表明：仅有焦油存在时，仍然可以生成相当数量的CO和CH₄，且CH₄信号在对应“3 g锯末原始量所产生焦油”的条件下达到峰值，而并非随着初始锯末量线性增加。这说明非热等离子体对木质生物质的“气体燃料化”并非一次完成：首先是固体木屑在等离子体激发下部分热裂解、缩聚为焦油；随后焦油在持续放电和活性物种（O·、OH·、电子轰击等）作用下进一步裂解、重整，生成更轻的可燃气体分子。与此同时，焦油并未对介质阻挡放电形成严重“覆膜灭弧”效应，在当前实验尺度和时长下，放电形态和强度仍可维持，这对未来在工业级反应器中引入“自生焦油-等离子体重整”思路颇具启发。

除了小体积“完全密闭”的反应工况，文中还引入了一个更接近工程现实的工况：改变等离子体处理过程中的空气体积和可更新程度。研究团队将装填1.0 g锯末的玻璃反应器放置在大体积采样袋（最大10 L）中，打开瓶塞，使瓶内空间与采样袋内空气连通，然后向采样袋中依次充入0.5、2、5、10 L室内空气，密封后在同样电参数下进行放电。放电结束后，再将整个袋内气体抽入气体池进行FT‑IR分析。与20 mL密闭反应器相比，当空气体积大量增加且可视为“流动更新”时，N₂O和CO的生成大幅度上升，而CH₄信号则明显下降，且随总空气体积增加整体呈下降趋势。一方面，更多的N₂和O₂为NOx、N₂O、O₃等含氮/含氧活性气体的生成提供了充足母体；另一方面，对刚刚生成的CH₄而言，富氧条件下的二次氧化（包括·OH、O·、O₃等强氧化性物种攻击）大大削弱了甲烷的净积累。可以理解为：在“小空间、氧氮可被快速消耗”的条件下，非热等离子体更利于驱动还原性、富氢小分子（如CH₄）的生成与保留；一旦处理对象体积放大、空气补充充足，放电化学体系会转向“更强的氧化性”，对CH₄等易燃气体形成逆向消耗。

从结论上看，这项研究给“生物质-等离子体”路线提供了三个值得行业关注的关键信息：其一，在低温、低能耗条件下，利用介质阻挡放电在小体积密闭空间内处理木质锯末，可以生成相当比例的甲烷（约8%体积分数）与一氧化碳，为后续与燃气锅炉、燃气轮机甚至固体氧化物燃料电池（SOFC）等设备耦合提供基础数据；其二，木屑装填量并非简单“越少越好”，只要保证孔隙空气足够形成放电通道，在锯末填充超过瓶高一半后，CH₄与CO生成量基本稳定，这对于未来放大试验中设计高装填率、紧凑式生物质等离子体反应器具有正向指引；其三，焦油既是木屑等离子体裂解的中间产物，也是潜在的二次气体燃料来源，并不会在当前条件下抑制放电，这为“非热等离子体+焦油重整”一体化小反应器方案带来想象空间。

从更广泛的工业应用角度看，非热等离子体技术与静电除尘器、低温脱硝、VOCs治理等传统电气化烟气净化单元具有高度工艺亲缘性，电场配置、电源拓扑、介质层设计、电双层行为等经验可以互相迁移。未来若能将这类小体积生物质气体燃料化单元与高效ESP、等离子体脱硝反应器集成为“前端制气-后端净化”的一体化生物质能源/环保装备，将有望在锯末板厂、家具厂、造纸厂等集中产生细颗粒木屑的行业场景中，实现“废木屑不入炉、直接变燃气”的近场能量回收路线，减少主炉燃烧负荷与颗粒物、SO₂、NOx的排放压力，为达成“双碳+清洁空气”双重目标提供新的技术选项。

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