“生物质能源与材料”专题_中国煤炭行业知识服务平台

“生物质能源与材料”专题

我国在2020年提出“努力争取2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和”的目标，标志着中国正式启动实施碳达峰碳中和(“双碳”)国家重大战略。碳中和既是一场系统深刻的经济社会变革，也是一项系统性工程，涉及经济社会发展模式转型、能源革命、科技革命、产业革命、生活革命等多维度，而科技支撑是其实现的关键。为应对全球气候变化，实现人类与地球生态系统的可持续发展，碳中和科学与工程交叉学科应运而生，并显现出勃勃生机，受到学术界的高度关注。

碳中和科学与工程作为一门新兴交叉学科，面临诸多的科学与技术问题的挑战，如：地球碳循环机制、下一代气候模型、数字孪生地球、新型能源系统、碳捕集利用与封存(CCUS)、土地利用与气候变化、生态系统碳汇监测与核算等。目前，全球范围内，产业界、学术界和公共管理部门就实现碳中和的基本路径达成的普遍共识是：大规模使用清洁能源，大力实施节能减耗，积极倡导低碳生活方式，有效提升地球碳汇能力。为实现碳中和目标，不同的国家和地区所依靠的措施各不相同，据估计，欧洲国家50%的碳减排将依靠节能实现。我国碳排放主要源于煤炭为主体的化石能源活动，在确保能源安全的前提下，调整优化能源结构，构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系，是我国实现碳中和最根本、最直接的路径；通过产业转型升级、节能提效、原料替代、工艺优化、循环经济、区域协同等举措，调整转变重点领域高耗能产业结构与高排放生产方式，持续提高能源利用效率和资源循环利用水平，实现零碳排放或低碳排放，是我国实现碳中和当前最重要、最经济的路径；倡导低碳消费、绿色出行等生活方式是实现碳中和目标最基础、最持久的动力源泉；而提升碳汇能力将助力碳中和目标的实现，是对我国碳中和路径的有益补充。这些碳中和的实施路径都是碳中和科学与工程学科将来需要密切关注的重要研究方向。

在国家重大需求和任务牵引下，碳中和科学与工程在零碳、低碳、去碳技术及碳监测与管理等方面已经取得了丰硕的成果，有效提升了我国重点领域、重点行业和重点区域的碳中和科技创新能力与示范应用能力。同时，碳中和科学与工程学科在基础理论的系统性和前瞻性、相关技术的有效性和颠覆性等方面尚面临诸多挑战，不论是零碳的新能源与智慧能源，低碳的节能提效、新工艺和循环经济，去碳的碳捕集利用封存、甲烷利用减排和生态碳汇，还是碳监测与管理等，都亟待展开深度攻关。

为促进我国碳中和科学与工程学科最新理论与技术成果的展示与交流，助力突破“双碳”领域卡脖子科技问题，《煤炭学报》编辑部组织策划了“碳中和科学与工程”专题。专题自 2022 年 6 月征稿发布以来，受到了煤炭及其相关行业科技界同仁的高度关注与鼎力支持，共收到来稿 108 余篇，最终录用刊登 30篇。论文内容涵盖煤炭绿色低碳开发、煤炭能源清洁利用、碳捕集利用与封存、生态修复与碳汇、碳监测与管理等研究方向。在专题刊出之际，衷心感谢各位专家学者的大力支持，特别感谢评审专家认真细致的审阅及提出的建设性意见，衷心感谢《煤炭学报》编辑部在专辑策划、评审与出版所付出的辛勤劳动!希望该专题的出版，可为从事碳中和科学与工程领域研究的广大科技工作者提供借鉴与启迪，同时希望有更多的学者关注碳中和科学与工程研究领域，为我国碳中和科学与工程学科的建立与发展贡献智慧!

行业视野: 碳中和
类别; 78个
关键词; 111位
专家; 18篇
论文; 4987IP
点击量; 2149次
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典型农林类生物质热解油裂解反应特性对比及其动力学研究

作者(Author)：李国通, 张玉明, 熊青安, 乔沛, 李家州, 张炜, 陈哲文

摘要：为提高生物质热解油的利用效率，探究生物质热解油在提质转化过程中的热解特性，进一步拓宽生物质热解油的利用途径，选取2种木质纤维素类生物质热解油作为研究对象，采用热重分析仪分别考察2种生物油的热解行为。选用Friedman法、FWO法2种等转化率方法求取生物质热解油整体热解反应的动力学参数，选用分布活化能模型(DAEM)法将生物质热解油热解过程分为轻质组分和重质组分2种虚拟组分热解过程，并求取2种虚拟组分热解的动力学参数。2种生物油的轻重组分含量差异导致2者的热解行为表现出不同特征，木屑热解生物油的最大质量变化速率对应温度和热失重反应结束温度均高于稻壳热解生物油。Friedman法计算所得2种生物油的活化能分别为89.92、145.98 kJ/mol，FWO法计算所得2种生物油的活化能分别为90.30、138.44 kJ/mol，2种方法计算结果具有较好的一致性；木屑热解生物油的平均活化能(142.21 kJ/mol)高于稻壳热解生物油(90.11 kJ/mol)。进一步采用DAEM方法将2种生物油热解过程分别分为轻质组分热解和重质组分热解，两组分DAEM方法动力学计算结果表明稻壳热解生物油和木屑热解生物油轻质组分的活化能(79.03、85.00 kJ/mol)小于重质组分的活化能(158.56、160.00 kJ/mol)。2种动力学方法计算结果表明生物油热解过程中轻质组分降低了生物油整体的活化能，2种动力学计算方法综合使用有利于对生物油的热解反应形成更为全面的认识。

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2023年第06期

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稻壳高温热解条件对焦结构演化的影响

作者(Author)：王鑫雨, 孙健超, 徐世明, 陶继业, 余波, 翟明, 周怀春

摘要：生物质焦利用过程中碳的转化水平决定后续利用的总体效率，而生物质焦的转化率一定程度上取决于生物质的理化结构。为探究稻壳高温快速热解过程中焦结构的演变，设计并搭建了稻壳高温快速热解系统。通过对稻壳热解停留时间和温度进行精确的控制，精确控制反应进程。以扫描电子显微镜、拉曼光谱、比表面积分析、傅里叶红外光谱等测量手段对所得稻壳焦的物理化学结构进行了表征。研究不同热解温度和停留时间下稻壳焦的产率、孔隙的种类与发展、化学官能团和碳结构的变化。结果表明，热解温度越高，停留时间越长，生物质焦产率越低，焦表面碎裂越明显，孔隙结构越发达。在热解温度为1300 ℃、停留13 s时，稻壳焦比表面积最大为141.17 m2/g，孔径主要分布在2～10 nm，表面出现明显碎裂痕迹。热解温度升高和停留时间延长，使得稻壳焦的化学结构变得越来越脱氧，碳结构高度有序化，稻壳焦中具有6个及以上稠合苯环的芳环浓度增加。高温对稻壳焦中C—O键、—OH破坏明显，导致支链和桥键断裂，含氧官能团释放和碳骨架石墨化。表面碳元素主要是以C—C/C—H为主，停留时间5 s时含量从900 ℃的63.86%增加到1 300 ℃的68.27%。而C—H、C—O、C=O和COO—含量均有不同程度的降低。表面氧元素主要以COO和COOH为主。随着热解温度升高，稻壳焦中苯环数量逐渐减少，芳香环平均数增加，表面亚甲基数量减少，碳活性降低。总结稻壳焦结构演化规律将为优化热解条件、提高热解效率及后续稻壳焦燃烧和气化利用提供参考。

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2023年第06期

231

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水热处理过程中棉杆三组分衍变对其成型燃料物理性能的影响

作者(Author)：刘思梦, 郎森, 张守玉, 曹忠耀, 杨济凡, 周义, 胡南, 吴玉新

摘要：作为一种典型的生物质废弃物，棉杆经水热处理后热压成型可有效解决其结构松散、热值低和能量密度低等问题。以新疆棉杆为研究对象，使用高压反应釜完成180～280 ℃水热处理实验后制备成型颗粒，利用电子万能材料试验机与扫描电镜仪等手段分析了不同水热处理温度下棉杆成型颗粒的物理性能，使用傅里叶红外分析仪、X-射线衍射仪等手段分析了棉杆中主要化学组分(纤维素、半纤维素与木质素)的衍变，探究了生物质三组分衍变行为对其成型颗粒物理性能的影响规律，确定了影响棉杆成型性能的关键作用组分。结果表明：随着水热处理温度的升高，棉杆成型颗粒的抗压强度和表观密度均呈先上升后下降的趋势，并在230 ℃水热处理时达到最大值(抗压强度9.3 MPa，表观密度1 478.46 kg/m3)；在水热处理过程中，半纤维素于200 ℃前几乎完全分解，无定形纤维素和结晶纤维素分别在230 ℃及280 ℃前分解完毕，而木质素则是在280 ℃下水热后棉杆中存在的主要组分；结晶纤维素在棉杆成型颗粒中起到骨架支撑作用，是保证棉杆成型颗粒机械强度至关重要的组分，而木质素在棉杆成型过程中主要起黏结剂作用，且有利于增加棉杆颗粒间的结合程度。

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2023年第06期

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K+改性生物炭对亚甲基蓝吸附性能的影响

作者(Author)：代泽宇, 周剑林, 刘伟银, 秦平, 陈章, 李志贤, 陈国梁

摘要：以玉米秸秆为原料，采用磷酸(H3PO4)活化改性、氢氧化钾(KOH)负载K+改性并炭化的方式制备改性玉米秸秆生物炭(以下简称生物炭)。利用SEM、BET、XRD、ICP、XPS以及FT-IR等表征手段，对生物炭的结构进行表征。以制备的生物炭为吸附剂，测定其对模拟废水中亚甲基蓝(MB)的吸附性能。结果表明，K+改性后生物炭为柱状片层结构并生成更丰富孔隙，表面含有－OH、－COOH等含氧官能团，且K+改性后含氧官能团呈现专一化发展趋势。生物炭对MB具有良好的吸附作用，中性与碱性环境下吸附效果较好，最大吸附容量为222.93 mg/g，较未改性生物炭(68.38 mg/g)和磷酸(H3PO4)活化改性生物炭(180.49 mg/g)分别提升226.02%和23.51%。K+改性生物炭对MB吸附的动力学和等温线模型分别符合拟二级动力学模型和Langmuir模型，吸附过程为单分子层吸附，且受物理吸附与化学吸附共同作用，其中化学吸附在吸附过程中占主导地位。针对吸附中的扩散过程进行了液膜扩散模型模拟和颗粒内扩散模型模拟，液膜扩散模型曲线斜率为0.6，因此液膜扩散不是扩散过程的主控步骤，颗粒内扩散过程分为膜扩散阶段(0～25 min)和颗粒内扩散阶段(25～140 min)，颗粒内扩散阶段较膜扩散阶段吸附速率明显降低(kid2=6.453 5<kid1=32.266 9)，且此模型拟合曲线不通过原点，颗粒内扩散阶段是控速关键阶段。通过热力学分析，得到K+改性生物炭对MB的吸附热力学参数，其中分离系数RL均在0～1，ΔH=7.611 2 kJ/mol>0，ΔG均为负值，表明MB在生物炭上的吸附是可逆且自发吸热的，升温有助于吸附进行；ΔS=30.041 5 J/(mol·K)>0，表明吸附过程中固液界面随机性增加。

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2023年第06期

339

162
废弃油脂促进褐煤转化生物甲烷效果与机理

作者(Author)：郭红玉, 宋博, 邓泽, 夏大平, 徐强, 陈林勇

摘要：为提高褐煤转化生物甲烷的效率，探讨废弃油脂与褐煤混合发酵的产气效果，采用NMR碳谱、三维荧光及宏转录组学分析转化效率变化的的内在机理，研究结果表明，废弃油脂的添加促进褐煤的累计甲烷产量增加了3.89倍，单位甲烷产量达到31.2 mL。褐煤中脂肪族碳相对含量降低11.4%，类富里酸酚羟基、酮羰基、羰基等基团含量增加明显。同时微生物菌群高峰期时活性产甲烷古菌例如Methanothrix, Methanoculleus占比增长50%以上。糖苷水解酶、脂肪酰辅酶A脱氢酶等与碳水化合物及脂肪酸降解相关的酶丰度增加明显。废弃油脂添加使乙酸及CO2转化甲烷途径分别占比59.2%、40.4%，甲酰甲烷呋喃脱氢酶以及乙酸激酶等功能性酶也得到提升，促进了生物甲烷的转化。褐煤中脂碳率降低表明了在厌氧发酵中微生物菌群更易与褐煤中碳骨架大分子结构中脂甲基碳、芳香甲基碳、亚甲基及甲氧基等发生生物化学反应转化甲烷。高峰期厌氧发酵液相中生物可降解有机分子含量增加，其来源于微生物作用在褐煤有机质中致使微生物发生生物化学反应产生酚羟基、酮羰基等易于合成甲烷的小分子物质。废弃油脂添加可显著改变微生物群落组成，使其基因功能表达改善，促进甲烷的生成。研究结果为提高褐煤的生物气化率和废弃油脂清洁转化提供了参考。

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215

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CTAB辅助晶种法合成Zn/ZSM-5催化剂及其在催化重整纤维素挥发分的作用

作者(Author)：姚乃瑜, 曹景沛, 赵静平, 庞新博, 刘天龙, 蔡士杰, 陈晨旭, 赵小燕

摘要：石油的大量消耗和环境的日益恶化引发了人们对可持续化学的关注和发展。生物质能源是地球上唯一可再生的碳源，被认为是替代目前短期内无法再生的化石燃料的潜在能源。生物质热解挥发分在ZSM-5上催化生成芳烃是一种有前途的生物质增值化利用方式，通过调节ZSM-5分子筛孔道结构和表面活性位点来提高轻质芳烃的产率和抑制积炭的生成。采用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂，使用晶种法在合成过程中添加了金属Zn合成多级孔Zn/ZSM-5分子筛，阐述了合成过程中金属Zn与CTAB的作用对ZSM-5晶化过程的影响，并将该催化剂应用于纤维素热解挥发分催化重整制备轻质芳烃的研究中。并使用XRD、SEM、BET、NH3-TPD和XPS等手段对催化剂进行表征，从而得到催化剂的物化结构。结果表明，适量CTAB的加入增大了分子筛的比表面积，显著增加了介孔，促进了反应物与产物的传质，抑制了反应中积炭的生成。并且CTAB的存在能够调控金属Zn的存在形态，加强了金属Zn与分子筛骨架的相互作用，形成更多的Zn-OH+活性位点，使催化剂拥有较强的脱氧能力和氢转移能力，促进了碳氢化合物的芳构化，金属Zn的加入也弥补了酸量的降低。ZnZ5-1(合成初始物料中CTAB/SiO2摩尔比为1)具有适宜的介孔(3～10 nm)和适当的酸量，表现出较好的催化性能，轻质芳烃产率最高达166.7 mg/g。在合成过程中使用介孔模板剂的同时引入金属活性位点，通过2者协同作用调控催化剂特性，为提高生物质挥发分催化重整制轻质芳烃产率提供了思路。

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2023年第06期

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高压CO2水热处理对香蕉假茎理化性质和燃烧特性影响

作者(Author)：罗达, 江锋浩, 陈黎, 胡顺轩, 李俊国, 吴昌宁, 刘科

摘要：香蕉假茎废弃量大，但由于其含水量高、富含碱金属及碱土金属、能量密度低等问题，限制了燃料化利用，而高压CO2水热处理为非蒸发湿法转化处理工艺，可高效的脱水、脱碱，并提高热值。利用电子扫描显微镜(SEM)、气体吸附分析仪(BET)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热重分析仪(TGA)等表征手段，考察了高压CO2水热处理对香蕉假茎理化性质及燃烧特性的影响。研究表明，随水热温度升高，固体产率降低，其高位热值增加，且最大可增至25.76 MJ/kg。随水热温度升高，样品层间三维结构被破坏形成片状结构，随刻蚀程度的进一步加剧，进而形成新的三维网状结构。因此，样品比表面积呈现先增加，后减小，随后升高。而表观形貌复杂程度加剧，孔隙结构发达，使得样品的燃烧性能改善。与此同时，水热温度在120～200 ℃时，由于易燃的半纤维素与非晶纤维素解聚成小分子，直至完全消失，样品着火温度增加，综合燃烧特性指数增加。当水热温度在200～280 ℃时，纤维素Ⅰ开始分解并转化为热稳定性更高的纤维素II，进而样品着火温度降低，综合燃烧特性指数降低。此外，随着水热温度升高，木质素的含量增加，燃尽温度升高。利用Flynn-Wall-Ozawa(FWO)法燃烧动力学分析，除280 ℃水热样品，其余样品的平均活化能均高于原样。综合比较能量回收率及燃烧性能，经过240 ℃的高压CO2水热处理后获得的水热焦其综合理化性能最优。

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2023年第06期

238

90
鸡粪对小麦秸秆燃烧过程中结渣影响的机理

作者(Author)：杨自强, 李风海, 马名杰, 赵薇, 刘雪飞

摘要：双碳背景下，生物质作为煤炭资源的可替代清洁能源，其高效利用成为目前研究的热点。通常生物质的碱金属和碱土金属质量分数较高，在燃烧过程中易造成结渣、堵渣问题。为此，在对小麦秸秆(XM)燃烧过程中灰熔融温度(AFT)及其结渣机理的研究基础上，借助X射线衍射仪(XRD)、共聚焦拉曼光谱仪(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)等方法，结合FactSage热力学软件计算氧化性气氛下随鸡粪(JF)的加入小麦秸秆灰熔融过程中矿物质迁移转化行为。研究结果表明：当添加的鸡粪质量分数>15%时，变形温度(DT)>1 000 ℃，满足流化床运行要求。随着鸡粪质量分数的增加，镁黄长石(Ca2MgSi2O7)和镁硅钙石(Ca3MgSi2O8)等高熔点(MP)长石类矿物质的生成是XM四种特征温度升高的主要原因。从硅酸盐角度分析，鸡粪的加入促使灰样中桥氧键以及硅酸盐聚合度增加，导致混合灰样的AFT升高。根据灰渣的组成和灰熔融特性，并借助SEM对灰渣表面微观形貌进行观察，发现随着鸡粪质量分数的增加，950 ℃时灰渣表面由紧密光滑变为疏松多孔且粗糙，极大程度缓解了生物质结渣、烧结等问题。结合热力学软件FactSage计算不同温度下矿物质组成和液相质量分数，发现加入鸡粪提高了液相总质量分数。高熔点矿物质发生低温共熔现象，导致FT升高范围小于DT。鉴于以上结论，通过实验和热力学计算对生物质燃烧过程中的AFT变化和结渣机理进行研究，以期为生物质能源的规模化应用提供数据支持。

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