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生物质高效热化学转化

发布日期:2014-07-10

热化学转化是生物质高效利用的一个重要方向,包括热解气化、热解炭化、热解液化三项传统技术以及热解多联产、选择性热解等新兴技术。目前,生物质热化学转化已有工业应用,但技术较为落后而且存在着多项瓶颈问题,制约了其大规模的推广应用。因此,基于现有的生物质热化学转化技术,迫切需要对技术进行优化改进,解决其中的瓶颈问题,并开发新型高效技术实现生物质的高值化利用。

为开发高效的生物质热化学转化技术,国家工程实验室首先深入研究并揭示了不同种类的生物质在不同工况下的热解特性、反应机理以及重要产物的形成途径。从量子化学密度泛函理论计算与先进多联机实验系统等角度,建立了生物质的超分子结构模型,深入揭示了生物质三大组分(纤维素、半纤维素和木质素)在热解过程中的大分子化学键断裂特性、大分子骨架结构和表面官能团的演变特性、重要液体与气体产物的能量最优形成途径等,为生物质高效热化学转化技术的开发奠定了重要基础。

针对不同生物质热化学转化实现所需的反应器,国家工程实验室针对常规的固定床和流化床热解反应器,通过数值模拟、冷态实验台研制、热态实验台研制、放大规律研究等方法,深入研究了其工作特性,揭示了不同规格的生物质原料在不同反应器内的多相运动、碰撞、传热、传质与反应等特性,掌握了反应器结构优化方法,并成功开发了基于固定床和流化床的生物质热化学转化装置。此外,国家工程实验室基于大量的研究经验,成功开发了新型生物质热化学转化反应器,包括双流化床生物质热解反应器、内热多层式生物质热解反应器、履带式生物质热解反应器等;为生物质高效热化学转化技术的实现奠定了重要基础。

在生物质热解气化领域,国家工程实验室基于大量的先期研究基础,成功研制了不同炉型、不同规格的生物质气化炉,包括小型户用生物质气化炉、大型工业用生物质成套气化装置;针对焦油净化问题,开发了催化裂解技术、激冷捕集技术以及可见光催化降解焦油废水技术,实现了焦油的高效彻底净化。上述装置与技术,目前已在镇江新宇集团等单位获得了推广应用,解决了现有生物质气化装置与技术存在的气化效率低、燃气品位低、污染严重等问题。


固定床生物质气化装置以及可燃气燃烧应用

在生物质热解炭化领域,国家工程实验室基于大量的先期研究基础,成功研制了基于固定床反应器、内热多层式反应器和履带式反应器的生物质热解炭化装置;针对固体焦炭产物,开发了高效廉价的粘结剂,用于压缩成型制备高机械强度的成型炭产品;针对醋液副产物,开发了将其用于有机农药的工艺技术;针对焦油副产物,开发了用于制备酚醛树脂的工艺技术。上述装置与技术,目前已在北京怀柔等地区进行了推广使用,显著提升了生物质热解炭化技术的经济性。

在生物质选择性热解领域,国家工程实验室成功开发了多项高效的选择性热解技术用于制备能源平台物质与高附加值化学品,包括:(I)利用固体磷酸、磁性固体磷酸、磁性固体超强酸催化热解纤维素/生物质制备LGO的技术(图1);(II)果糖/玉米秆低温快速热解制备HMF的技术(图2);(III)甘蔗渣/玉米秆低温快速热解制备4-VP的技术(图3);(IV)利用氯化锌(ZnCl2)快速催化热解生物质联产糠醛、乙酸和活性炭的技术;(V)利用铜粉催化热解纤维素制备左旋葡聚糖(LG)的技术;(VI)利用磷酸盐催化热解生物质制备轻质酚类有机混合物的技术;等等。目前,在该技术领域,国家工程实验室获得中关村科技园“前沿和颠覆性项目”的支持。

在生物质高效热化学转化技术上,实验室通过承担“生物质气化再燃脱除燃煤流化床N2O的关键技术研究(国家863计划)”、“生物质热解稳定制备生物油及提质新技术(国家863计划)”、“磁性固体磷酸中低温快速催化热解生物质多联产的基础研究(国家自然科学基金面上项目)”、多功能生物质高效热化学转化平台环境建设(国家火炬计划)、“中低温条件下纤维素快速热解机理与调控机制研究(国家自然科学基金青年项目)”、“基于褐煤离子交换特性的生物质/褐煤共气化过程催化机理研究(国家自然科学基金青年项目)”、“玉米秆中低温选择性快速热解制备4-乙烯基苯酚的基础研究(国家自然科学基金青年项目)”、“微波辐照高硅生物质焦制备导热活性炭及其性能调控的机理研究(国家自然科学基金青年项目)”、“生物质燃气焦油的高效催化转化机理研究(北京市自然科学基金重点项目)”、“原位复合纳米导热体的生物质基活性炭及其性能调控研究(北京市自然科学基金项目)”、“芦苇中低温选择性热解多联产的基础与关键技术研究(苏州市科技计划项目)”等项目,发表SCI/EI论文50余篇,获得发明专利12项,出版著作《液体生物燃料技术与工程》、《气体生物燃料技术与工程》、《生物质热解原理与技术》,相关成果在多个单位获得应用,取得了良好的经济效益。

2013年“农林剩余物多途径热解气化联产炭材料关键技术”获得国家科技进步二等奖;2013年“生物质热解气化多相流动反应机制和应用基础”获得教育部自然科学二等奖;2012年“生物质履带式热解炭化与压缩成型”获得“第十四届中国国际高新技术成果交易会优秀产品奖”;2010年,“生物质双床热解气化”获得“第十二届中国国际高新技术成果交易会优秀产品奖”;为我国生物质热化学转化行业的发展提供了理论和技术支撑,提高了我国生物质热化学转化技术开发与集成水平,推动了我国生物质热化学转化行业的技术进步与可持续发展。


生物质选择性热解制备能源平台物质与高附加值化学品的技术路线


生物质热化学转化技术出版著作


生物质高效热化学转化获得奖励