基于有机组分交互作用解析的生物油受热成焦机理研究

Coke can be formed during pyrolysis of bio-oil, the first step of many applications, which always cause operational problems and results in difficulties in commercialization of bio-oil. To figure out the mechanism of coke formation is the key to solve these problems. The composition of bio-oil is extremely complex and coke can be formed not only for one compound or composition but from interactions among many compounds during pyrolysis of bio-oil. To study effects of interactions among different compounds on the coke formation, this project comparatively study the thermal behavior of the bio-oil, modified bio-oil and chemical groups of bio-oil, and analyze the products from pyrolysis of them respectively. Combined with the understanding of each chemical groups' coke formation mechanism, a comprehensive mechanism and a nonlinear reaction kinetic model of coke formation during the pyrolysis of bio-oil would be proposed, which can be a guide to reduce or restrain the coke formation during thermal treatment of bio-oil.

生物油的大多数应用工艺需将其加热，此过程会产生积碳从而造成各种负面影响，阻碍其商业化应用。明确生物油受热成焦机理是解决上述问题的基础。生物油化学成分复杂，在受热过程中碳焦的生成不仅源自某一特定物质或组分，还源自不同组分之间复杂的交互反应。因此，研究生物油组分间交互作用对于碳焦生成的影响机制是阐明生物油受热成焦机理的关键。本课题基于前期研究基础，借助先进测试技术，通过对生物油组分按成焦特性进行分类，分别探讨涉及碳焦生成的特征组分机理和特征组分交互反应机理，从而系统深入研究生物油受热过程中碳焦生成机制与机理，并建立包含交互反应影响因子的生物油热解成焦动力学模型，为抑制生物油热处理过程碳焦生成提供理论依据。

本项目开展了生物油受热过程中的结焦特性研究。项目团队首先对生物油的特征组份进行分离，研究了生物油各特征组分独立受热成焦机理，结论表明在低温下(< 500°C)，轻质组分更易于结焦；而在高温下(> 500°C)，芳香组分更易于结焦，并基于气、固、液三态产物分布及组分变化，获得了生物油各特征组分的结焦特性。项目团队进一步对比研究了原始生物油、调制生物油和生物油特征组份的结焦特性。结论表明，生物油中不同化合物在热解过程中可以相互反应，并且交互反应在不同温度和升温速率下是不同的，这种交互反应会显著影响生物油的结焦特性。项目团队在对反应过程中的自由基进行表征后发现，自由基反应显著影响生物油的结焦过程。生物油中轻质组分和芳香组分可以裂解产生自由基碎片，通过自由基的重组以及聚合反应可以形成更大的分子(焦炭)，起到“桥梁”的作用。项目团队进一步通过对比解析生物油全组分及特征组份的受热演化及结焦特性，明晰了生物油中轻质组分与芳香组分间通过交联聚合反应路径影响生物油受热结焦的反应过程。通过耦合上述反应机理模型，构建了完整的非线性结焦动力学模型。另外，团队成员对生物油中重质组分（结焦的重要前驱物）的演化特性进行了深入研究，利用自主开发的数据解析算法获得了生物油热解过程中重组分演化特性。团队同时提出了基于上述非线性结焦动力学模型的低温预重整和高温Ni基催化重整结合的两段式水蒸气催化重整生物油技术，结果表明，基于此方案，能有效抑制Ni基催化剂上的积碳生成，显著提高了催化重整效率。