生物质快速热解制备酚类物质的调控规律研究

Study on regulation control is the key to obtain enriched phenols in bio-oil by fast pyrolysis from biomass. This project is intended to research regulation control based on variation law of the characteristics of pyrolysis products influenced by reaction conditions and components of corn stalks. According to the characteristics of char and phenols, the effects of reaction conditions on phenols in bio-oil are investigated. Corn stalk, mimics of stalk and stalk removed extractives are studied by fast pyrolysis experiments. The relationship of characteristics of char and mechanism of forming phenols is built. Based on regulation control of stalk, reaction forming phenols is effected by components in stalk, such as celluloses, hemicelluloses, metal salts, extractives. Pyrolysis mechanism of phenols is explored. Regulation controls for preparation of phenols are studied in order to provide theoretical basis for directed pryolysis of biomass.

在以酚类物质为目标产物的生物质快速热解液化研究领域，建立制备酚类物质的调控规律是获得酚类富集生物油的关键。本项目拟通过研究反应条件和秸秆组分对热解产物性质结构影响机理，建立制备酚类物质的调控规律。拟对全组分玉米秸秆进行选择性催化快速热解实验，研究反应温度、反应压力、催化剂结构对热解反应的影响规律。通过分析表征酚类物质化学组成及特性、热解残炭结构特征及物化性质，建立反应条件对玉米秸秆快速热解制备酚类物质的调控规律。从秸秆组成角度研究秸秆模化物的快速热解产物结构特征和性质，获得纤维素、半纤维素、金属离子、提取物对酚类物质生成的影响规律，最终建立玉米秸秆快速热解制备酚类物质的调控规律，为实现秸秆定向热解提供科学依据。

为了掌握生物质热解过程中酚类物质生成调控规律，从热解反应条件、催化剂选择性催化热解作用、三组分协同作用、碱类金属离子催化作用等方面开展了玉米秸秆快速热解生成酚类物质的影响规律研究。首先进行了反应温度和原料粒径对热解产物分布的影响规律研究，60-80目的玉米秸秆在550℃时更有利于酚类物质生成。其次研究了不同类型催化剂对玉米秸秆催化热解规律，通过比较HZSM-5、白云石和赤泥三种常用催化剂对酚类物质生成的催化效果，白云石和赤泥的催化作用较为显著，550℃和600℃两个温度段有利于酚类物质的生成。白云石的催化温度较高，生成的酚类物质构成复杂；赤泥的催化温度偏低，酚类物质种类较少。对生物油中总酚含量进行定量分析，经过催化作用生物油中总酚含量可达40%以上。同时研究了纤维素-木质素、半纤维素-木质素在热解过程中，组分协同作用对酚类物质生成的影响机理。利用数据统计法和叠加法，建立了组分协同作用对热解产酚的影响规律。温度升高，纤维素和木聚糖对木质素产酚的影响越明显；同一温度下，随着纤维素或木聚糖含量的增加，对木质素热解产酚的影响减弱。纤维素促进了羟基苯酚类、愈创木酚类和紫丁香酚类的生成，木聚糖抑制了愈创木酚类和紫丁香酚类的产生，促进了羟基苯酚类的产生。随着纤维素和木聚糖含量的增加，对三种酚类产物的作用增强。在此基础上，为了探究碱类金属对产酚的影响规律，对玉米秸秆进行酸洗处理。对比处理前后酚类产物的含量，碱类金属促进了酚类的产生，对羟基苯酚类和愈创木酚类的影响较明显。利用氯化钾和氯化钙分别对木质素单组分混合后热解，探究氯化钾和氯化钙对木质素单组分热解特性及其产酚特性的影响。氯化钾促进了愈创木酚类的生成，而氯化钙对愈创木酚类的生成的影响没有明显规律。随着氯化钾和氯化钙质量分数的增加，对羟基苯酚类的促进作用增强。本项目的研究对于玉米秸秆酚类物质生成机理及定向催化热解制取酚类物质具有重要的理论意义和指导价值。