生物质热解多联产过程机理与产物调控机制研究

生物质高效转化和产品高值化利用是其作为未来主要能源的基础，但受限于生物质自身的能源品位，以单一产品为目标的转化模式并不具有长远的竞争力。本项目将热解这一生物质高效转化方式与满足产品利用价值最大化有机结合，提出了热解多联产的生物质转化利用新思路，即以同时得到具有较高利用价值的生物油和焦炭产品为目标的生物质热解。基于此思路，本项目采用实验研究、理论分析与模拟相结合，从原料特性、热解条件、无机矿物质元素迁移与催化、不同阶段焦炭物理化学特性演变规律、热解催化反应、生物油冷凝等角度对生物质热解多联产过程进行全面系统深入的研究，并把研究重点放在热解产物关联耦合、目标产物调控这些带有共性的关键问题上，其研究成果将有助于建立比较完整的基于热解的生物质转化和产物控制理论和方法体系，从而为形成有竞争力的生物质利用技术和产品提供科学依据，促进我国生物质资源的规模化和高值化利用，实现经济社会可持续发展的战略目标。

根据研究计划考察了分级冷凝生物油各组分的成分和理化性质，总结了冷凝温度对复杂混合气体冷凝的影响。分级冷凝能够很好的将水分和有机酸成分从生物油中分离出来，所有的有机酸和超过80%的水分都富集在0℃和-20℃冷凝组分中。由于传热传质本身就是一个复杂的反应过程，另外还有物质分子间交互作用的影响，使物质的冷凝并没有完全遵照自身的沸点，实际情况比预想的结果要复杂。由于物质间的复杂物理（氢键和相似相溶原理）和化学作用（二次反应的分子缩合，聚合和部分氧化），导致气体分子要释放更多的能量才能完成相变。同时在固定床反应器上对生物质热解过程中碱及碱土金属AAEMs的析出量、不同温度下焦炭的形貌以及AAEMs在焦炭中的富集状况进行了研究分析，揭示了生物质热解过程中钾、钠、钙和镁的析出规律及热解焦中AAEMs的分布特性；在实验室规模的恒温固定床上进行了生物质热解多联产实验，通过拉曼分析研究了热解焦炭中碳骨架分布状态， 得出生物质热解焦炭木质纤维类生物质热解过程中大分子碳骨架构建机制示意图；对生物质热解多联产的三组分各单元模块进行耦合热解，研究了温度对纤维素与半纤维素、纤维素与木质素和半纤维素与木质素气气相交互作用和气体产物组分的影响，同时对不同温度下交互作用对酸类、酮类及呋喃类化合物和糖类及酚类化合物等产物转化进行了分析，确定了三组分的交互作用机制及其对热解产物的影响；最后对生物质热解多联产系统中物料平衡进行核算，明确了生物质热解过程中能量的有效性，为生物质热解多联产系统过程优化提供理论依据。