生物质选择性脱灰脱氧与催化热解多联产的耦合机制研究

The quality of pyrolysis products obtained from conventional pyrolysis is not high. Biomass pyrolysis polygeneration to product high-quality products has become the focus of research. It is an important way to prepare high-quality products by determining the coupling mechanism of biomass pretreatment, catalytic pyrolysis and product property. Based on this, the biomass and its model components, quantitative and qualitative testing, and conventional and catalytic pyrolysis are used as the experiment materials, analysis tools, and experiment methods, respectively; and torrefaction deoxygenation and bio-oil washing deashing are used for biomass pretreatments. This project is mainly focused on the following four aspects: (1) biomass deashing and deoxygenation pretreatment method and its process mechanism, (2) matching mechanism of biomass pretreatment correlated with pyrolysis process, (3) regulation mechanism of conventional pyrolysis and catalytic pyrolysis on finite target products, (4) coupling mechanism of “pretreatment, pyrolysis conditions and product quality”. The objectives of this project are to establish the relationship model from pretreatment to product quality, and to find the process mechanism of selective deashing and deoxygenation pretreatment coupled with catalytic pyrolysis polygeneration for preparing target products (such as rich in monocylic aromatics bio-oil, low ash biochar, and high CO2 content gas). This project contributes to finding an effective method of biomass pretreatment and promoting the understanding of biomass pyrolysis mechanism, which will provide data and theoretical basis for development of pyrolysis polygeneration technology.

生物质常规热解产物的品质不高，以产物高质化为目标的热解多联产机理成为研究者关注的焦点。明确热解链中原料预处理、催化裂解和产物品质三者之间的关联耦合机制，是实现产品高质化的重要途径。基于此，本项目以生物质及其组分模化物为实验原料、以烘焙脱氧和油洗脱灰为预处理方式，以定量定性测试为分析手段、以常规和催化热解为实验方法，深入研究（1）生物质脱灰脱氧预处理方法及其过程机理、（2）选择性脱灰脱氧与热解过程的关联匹配机理、（3）常规热解和催化热解对有限目标产物的调控机理、（4）基于产物高质化的“预处理-热解条件-产物品质”的耦合机理。建立从预处理到产物品质的关系模型，揭示选择性脱灰脱氧耦合催化热解制备目标产物（如富含单环芳烃生物油、低灰分生物质炭、高CO2含量燃气）的过程机理。通过本项目的实施，不仅能够寻求一种生物质预处理方法，而且会促进复杂热解机理的认知，为多联产技术的发展提供数据基础和理论依据。

（1）项目背景：生物质是唯一以含碳物质形式存在的可再生资源，生物质热解制备气固液高质产品受到了广泛关注。（2）主要研究内容：项目组以农林生物质为实验原料，探索了生物质选择性脱灰脱氧预处理方法，分析了“预处理-热解条件-产物高质化”的耦合机理，研究了生物质脱氧脱灰与热解多联产的关联机制。（3）重要结果和关键数据：（i）提出了生物质选择性脱氧脱灰预处理方法。项目组揭示了以脱羟基、脱羧基等反应为核心的生物质烘焙脱氧富碳机理，发现了水相生物油对生物质中碱金属/碱土金属的选择性脱除机制；原料氧元素和碱金属脱除率分别达50%和90%以上，碳含量提升20%。（ii）解析了原料预处理与多联产热转化的关联机理。揭示了生物质热解气化过程中CO2、H2O、CH4、CO和醛类、酮类和酸类物质的生成机理，阐明了热解活化能在原料脱水、半纤维素/纤维素/木质素分解、炭化各阶段的演变规律。（iii）揭示了生物质气、固、液三相产物调控机制。项目组揭示了元素迁移规律、物料和能量平衡，阐述了预处理对热解产物产率及可燃气成分、炭孔隙结构、生物油组分的调控机制，提出了生物质脱氧脱灰联合催化热解制备单环芳烃的方法。（4）科学意义：通过本项目的实施，掌握了生物质脱氧脱灰预处理方法，促进了生物质复杂热解机理的认知，为破解生物质热解气化利用难题提供了科学支撑。基于本项目，发表SCI论文17篇（其中SCI一区8篇），入选ESI高被引论文3篇、ESI热点论文1篇，获中国林学会梁希青年论文奖二等奖1篇；授权中国发明专利4项、澳大利亚革新专利2项；培养研究生4人，指导学生获省级大学生创新创业大赛金奖、二等奖、铜奖各1项、国家级金奖1项。超额完成了项目预期指标。项目实施期间，项目负责人入选江苏省青蓝工程、国家林业和草原局青年拔尖人才；荣获江苏省科学技术奖一等奖（第3完成人）、梁希林业科学技术奖一等奖（第3完成人）、科技部全国颠覆性技术创新大赛优胜项目奖（主要完成人）、江苏省工程热物理学会科技奖一等奖（第1完成人），江苏省高等学校科学技术研究成果奖三等奖（第1完成人），获鉴定成果2项（排2、排3），被评为中国能源研究会“优秀青年能源科技工作者”。