生物质热化学转化为高品位能源的基础问题研究

This project mainly focused on the thermal chemical conversion of biomass. The key scientific problems within the process are solved by the interdisciplinary research of engineering thermophysics, chemistry and environmental science. The purpose of this project is to develop a series of new conversion methods and theories for the large-scale and high grade energy oriented utilization of biomass in our country. A biomass themal decomposition model will be investigated base on the components distribution and coupled recombination mechanism, so that the process can be optimzed to selectively produce more target products. Multi-functional catalysts for gas-liquid-solid phase reaction system with complex components will be developed to study the upgrading of biomass themal decomposition products and its selectivity control mechanism. Thermodynamics and reaction kinetics model of the precipitation, migration, transformation and fixation of chlorine, alkali metal and heavy metal will be established. A theoretical method of chlorine, alkali metal and heavy metal pollution control will also be developed. Energy consumption and product quality at each step will be analyzed, based on which the exergy analysis and energy casecade optimization of biomass themochemical conversion process will be studied.

本项目以生物质热化学转化为研究对象,通过工程热物理与化学、环境等学科交叉研究解决生物质热转化过程中的关键科学问题，形成一批新的转化方法和理论，为我国生物质规模化高品位能源化利用提供理论基础和技术支撑。研究探索基于组分分布和耦合重组机理的生物质热分解动力学模型，通过热分解过程优化实现产物的定向调控，开发多功能催化剂并建立气液固三相多组分复杂系统的催化反应体系，获取生物质热分解多组分耦合重组机理及产物的选择性调控与定向提质规律。分析氯、碱金属、重金属在生物质热化学转化过程中的析出、迁移、转化和固定机理，建立相关反应的热力学和动力学模型，发展生物质热转化过程中氯、碱金属与重金属的迁移机理与控制理论。基于能量梯级利用的概念，从生物质热化学转化过程各环节耗用能量品位和产品品质等方面，探索生物质高品位能源化过程中的可用能转变规律及能量梯级利用优化。

本项目着眼于为我国木质纤维素类生物质转化高品位液体燃料及生产清洁电力提供理论基础和技术支撑。研究内容涵盖热环境下生物质定向热分解产物调控机理和热分解产物提质、热化学转化过程无机杂质的迁徙转化控制以及生物质热转化过程能量梯级利用理论评估等内容。项目创新性地通过反应路径理论计算和中间体试验检测相结合方法来研究生物质热解过程机理，设计并搭建快速热裂解低温捕获自由基的生物质热解机理研究装置，率先采用结合 EPR 与 PY-GC/MS 联用技术对生物质热解中间体实施在线检测，明晰了生物质主要组分热解途径和机理，为选择性热解新思路打下基础。在生物质热解定向调控方面的创新性在于设计在线催化转化方式，形成选择性热解新思路，大幅度提升烃类产物产率来降低生物油提质难度。通过不同硅铝比的 HZSM-5、 HY、 Hβ、 USY 等沸石分子筛催化剂催化热解研究，开发出具有烃类产物选择性高的金属改性负载的催化剂，并明晰了生物质选择性热解调控和定向提质规律，获得了较高产率的不含氧的烃类产物。在生物质热化学转化过程无机杂质迁徙转化控制领域，本项目首次对碱金属和相关无机元素在热化学过程中的迁徙转化机理进行了全方位的探索，建立了确凿可用的无机物质高温条件下迁徙转化模型；同时首次在工业流化床生物质热态装置上进行了高温过热器管束沉积的动态形成研究，获取的结果可以直接指导工业实践。在生物质热转化过程能量梯级利用评估方面，建构了多种生物质转化过程模型，针对系统各环节进行可用能分析，掌握系统可用能优化潜力较大的环节，揭示了能量的外部损失及内部由于不可逆过程引起的能量贬值，从而克服了传统能分析法的局限性，为实现过程能量利用最优化提供理论依据。项目执行期间共发表SCI论文13篇，EI论文7篇，论文他引次数132次。授权及申请发明专利10项，出版专著1部，获省部级一等奖1次。