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随着经济的快速发展，能源需求的增长与化石能源枯竭的矛盾日益严重，开发利用可再生的生物质能制氢，部分替代化石能源，对解决能源与环境问题具有重要意义。
本文根据热解气和半焦的不同利用方式，建立了3个生物质分级气化制氢系统，系统1(Sys 1)：半焦气化与热解气燃烧，系统2(Sys 2)：半焦气化与热解气重整和系统3(Sys 3)：半焦燃烧与热解气重整。以麦秸和玉米秆为原料，利用AspenPlus软件对3个系统进行建模和模拟；并基于(火用)分析理论与生命周期评价方法，建立了热力学(火用)分析模型和生命周期环境影响(火用)分析模型，对系统进行了热力性能、资源性能和环境影响的综合评价，并将生物质分级气化制氢与天然气重整制氢系统(NGS)进行了对比。研究获得以下主要结果。
首先，热力学(火用)分析的结果表明：(1)系统的(火用)损失主要发生在热解和燃烧单元，且各反应单元和系统的(火用)损失都主要来自内部不可逆(火用)损。(2)无论是燃烧单元还是气化重整单元，以热解气为反应物的不可逆(火用)损都小于半焦；对于系统，用于气化重整的热解气越多，越有利于提高系统的热力性能。(3)Sys2的重整过程添加CaO床料(Sys 2-Ca)可以提升系统性能，相比未添加时，氢产率YH2和(火用)效率ψ分别增加了0.5mol/kg和1.3个百分点。麦秸分级气化制氢Sys2-Ca和Sys3的最佳工况均为TG=700℃，S/B=0.4，且二者的YH2和ψ基本相当，最大值分别可达到36mol/kg-麦秸和59%；Sys1在TG=700℃，S/B=0.5的工况下最优，YH2和ψ分别为34.9mol/kg-麦秸和57.4%，热力性能低于其它两个系统；Sys1和Sys2的系统布置有利于焦油的转化，Sys3考虑焦油的实际转化率低于90%时，Sys2和Sys1均表现出一定优势；玉米秆制氢Sys2-Ca在TG=700℃，S/B=0.8的工况下最优，最佳工况下，麦秸制氢Sys2-Ca的各项热力性能指标均优于玉米秆制氢(YH2=34.9mol/kg-玉米秆，ψ=55.1%)。(4)天然气蒸汽重整制氢系统的热力性能(YH2=152.9mol/kg-天然气，ψ=75.4%)显著优于生物质分级气化制氢系统，但其在转化为高能量密度的产品时，能量提质率η(40.2%)低于生物质制氢(45.0%~49.7%)。
其次，生命周期环境影响(火用)分析评价的结果表明：(1)麦秸制氢Sys2-Ca和Sys3的生命周期环境影响基本一致，资源利用率γ约为45%，可再生性Ir约为1.8，均为可再生系统，且系统的环境性较好(Ie约为10.5)，在不考虑焦油的实际转化率时，麦秸制氢Sys3略优于Sys2-Ca；玉米秆制氢Sys2-Ca的γ(41.9%)低于麦秸制氢，但Ir(2.58)和Ie(16.9)优于麦秸制氢。(2)虽然天然气制氢的资源利用率γ(69.0%)高于生物质制氢，但其系统不可再生(Ir=0.69)，且其对生态环境只有负影响(Ie=-4.2)，环境性能明显劣于生物质制氢，不具备可持续性。(3)对麦秸制氢Sys2-Ca生命周期的影响因素分析表明：全生命周期的资源累积(火用)消耗以可再生资源生物质为主(75.2%)，而不可再生资源的累积(火用)消耗较小；对环境影响最大的环境影响类型是GWP(35%)，其次为EP、POF和TP(大于15%)，HTP、SW和AP的占比较小，污染物排放带来的环境(火用)主要来自生物质生长阶段和生产阶段。
基于敏感性分析与数据质量评估的分析表明：(1)麦秸制氢Sys2-Ca的资源累积(火用)消耗和总环境影响对影响生产工艺的焦油转化率的敏感度最大，分别为47.6%和38.3%；对燃烧效率的敏感度也较大，分别为22.9%和24.4%；生物质生长过程中分配系数计算方法，以及油耗和电耗对结果都有一定影响；考虑CaO的循环特性对生命周期评价结果的影响较小。(2)生物质制氢不同系统的总环境影响类型的相对不确定度在6%之内；各系统总资源消耗的相对不确定度均在4.5%以下；系统综合指标的相对不确定度均在8.1%之内，说明评价结果的可靠性较高。
本文根据热解气和半焦的不同利用方式，建立了3个生物质分级气化制氢系统，系统1(Sys 1)：半焦气化与热解气燃烧，系统2(Sys 2)：半焦气化与热解气重整和系统3(Sys 3)：半焦燃烧与热解气重整。以麦秸和玉米秆为原料，利用AspenPlus软件对3个系统进行建模和模拟；并基于(火用)分析理论与生命周期评价方法，建立了热力学(火用)分析模型和生命周期环境影响(火用)分析模型，对系统进行了热力性能、资源性能和环境影响的综合评价，并将生物质分级气化制氢与天然气重整制氢系统(NGS)进行了对比。研究获得以下主要结果。
首先，热力学(火用)分析的结果表明：(1)系统的(火用)损失主要发生在热解和燃烧单元，且各反应单元和系统的(火用)损失都主要来自内部不可逆(火用)损。(2)无论是燃烧单元还是气化重整单元，以热解气为反应物的不可逆(火用)损都小于半焦；对于系统，用于气化重整的热解气越多，越有利于提高系统的热力性能。(3)Sys2的重整过程添加CaO床料(Sys 2-Ca)可以提升系统性能，相比未添加时，氢产率YH2和(火用)效率ψ分别增加了0.5mol/kg和1.3个百分点。麦秸分级气化制氢Sys2-Ca和Sys3的最佳工况均为TG=700℃，S/B=0.4，且二者的YH2和ψ基本相当，最大值分别可达到36mol/kg-麦秸和59%；Sys1在TG=700℃，S/B=0.5的工况下最优，YH2和ψ分别为34.9mol/kg-麦秸和57.4%，热力性能低于其它两个系统；Sys1和Sys2的系统布置有利于焦油的转化，Sys3考虑焦油的实际转化率低于90%时，Sys2和Sys1均表现出一定优势；玉米秆制氢Sys2-Ca在TG=700℃，S/B=0.8的工况下最优，最佳工况下，麦秸制氢Sys2-Ca的各项热力性能指标均优于玉米秆制氢(YH2=34.9mol/kg-玉米秆，ψ=55.1%)。(4)天然气蒸汽重整制氢系统的热力性能(YH2=152.9mol/kg-天然气，ψ=75.4%)显著优于生物质分级气化制氢系统，但其在转化为高能量密度的产品时，能量提质率η(40.2%)低于生物质制氢(45.0%~49.7%)。
其次，生命周期环境影响(火用)分析评价的结果表明：(1)麦秸制氢Sys2-Ca和Sys3的生命周期环境影响基本一致，资源利用率γ约为45%，可再生性Ir约为1.8，均为可再生系统，且系统的环境性较好(Ie约为10.5)，在不考虑焦油的实际转化率时，麦秸制氢Sys3略优于Sys2-Ca；玉米秆制氢Sys2-Ca的γ(41.9%)低于麦秸制氢，但Ir(2.58)和Ie(16.9)优于麦秸制氢。(2)虽然天然气制氢的资源利用率γ(69.0%)高于生物质制氢，但其系统不可再生(Ir=0.69)，且其对生态环境只有负影响(Ie=-4.2)，环境性能明显劣于生物质制氢，不具备可持续性。(3)对麦秸制氢Sys2-Ca生命周期的影响因素分析表明：全生命周期的资源累积(火用)消耗以可再生资源生物质为主(75.2%)，而不可再生资源的累积(火用)消耗较小；对环境影响最大的环境影响类型是GWP(35%)，其次为EP、POF和TP(大于15%)，HTP、SW和AP的占比较小，污染物排放带来的环境(火用)主要来自生物质生长阶段和生产阶段。
基于敏感性分析与数据质量评估的分析表明：(1)麦秸制氢Sys2-Ca的资源累积(火用)消耗和总环境影响对影响生产工艺的焦油转化率的敏感度最大，分别为47.6%和38.3%；对燃烧效率的敏感度也较大，分别为22.9%和24.4%；生物质生长过程中分配系数计算方法，以及油耗和电耗对结果都有一定影响；考虑CaO的循环特性对生命周期评价结果的影响较小。(2)生物质制氢不同系统的总环境影响类型的相对不确定度在6%之内；各系统总资源消耗的相对不确定度均在4.5%以下；系统综合指标的相对不确定度均在8.1%之内，说明评价结果的可靠性较高。