生物质催化热解和共热解制备高品质生物油研究

摘要

生物质能源作为一种可再生能源，可以部分替代化石能源等一次能源，缓解能源短缺和环境污染两大问题给世界带来的压力。目前常用的生物质利用方式主要有生物转化法和热化学法，热化学法中的快速热解技术可以直接得到被称为生物油的液体燃料。生物油是一种均相不稳定的液体，由于其特殊性质，如含氧量高，含水率高，沸腾温度范围宽，粘度大，易老化，腐蚀性强，燃烧性能差等，导致生物油难以直接应用于现有的设备中。 生物质催化热解可以在热解的过程中脱去氧，得到含氧量低的生物油。在γ-Al2O3上负载5种钠盐（碳酸钠，硅酸钠，铝酸钠，硫酸钠，氯化钠）制备催化剂。在500℃的固定床反应器上进行松木屑热解实验，以研究催化剂对产物分布和液体产物性质的影响。分析了液体产物的物理和化学性质，与非催化热解相比，五种催化剂热解得到的液体产率降低，但是观察到了油水两相分层的现象，油相产物可以从液体中分离出来。油相产物含水量从非催化的30%显著降低至10%左右。在5种催化剂中，Na2SiO3/γ-Al2O3催化剂表现出较好的催化性能，油相产率最高，生物油品质较好。采用钠盐负载的γ-Al2O3催化体系，五种油相产物的热值（HHV）均在30.0 MJ/kg以上，Na2SiO3/γ-Al2O3催化热解过程的能量转换效率最大为24.6%。 芳烃是有机化工重要的基础原料，通常由煤干馏或石脑油催化重整得到，然而这些方法过度依赖化石能源。基于双烯合成反应，可以从生物质和废塑料共热解制备高芳烃含量生物油。通过葡萄糖和高密度聚乙烯（HDPE）共热解探究最佳的原料及催化剂排布，结果表明，分段催化共热解中芳烃含量显著增加。将该方案应用于生物质和HDPE共热解实验，发现芳烃含量提高，但生物油中仍含有较多的酚类和酮类。因此使用MgCl2简化木屑热解产物，提高呋喃类化合物产量，从而促进生物质和 HDPE 之间的协同作用，产生更多的芳烃，降低酚类和酮类含量。最后，对共热解实验条件进行优化，得到了最大的油相产率（20.6%）和芳烃含量（95.9%），其中利用价值较高的甲苯、乙苯、二甲苯总含量高达 74.4%。通过生物质催化热解和共热解的方式得到高品质的生物油是可行的。

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