《能源环境保护》“生物质高值化利用技术”专题

来源：能源环境保护

生物质是唯一含碳可再生能源，如何高效利用生物质进行资源替代是解决当前化石能源短缺、环境污染的关键，也是实现国家“碳达峰、碳中和”目标的重要途径。我国生物质产量大、分布广，目前利用率较低，多以焚烧、堆肥等处置方式为主，未充分发挥其碳氢资源替代属性。通过热化学、水相催化、生物化学等方法将生物质转化为热、电、液体燃料、化学品、炭材料、合成气等高价值能源和化工产品已成为生物质转化和利用领域的研究前沿和热点。生物质高值化利用技术不仅可以实现生物质废弃物的处置与利用，而且可以助力我国 “双碳”“美丽中国”“乡村振兴”等目标的实现，具有重要的战略意义。

行业视野: 环境保护
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制浆造纸厂污泥热分解特性及其动力学、热力学分析

作者(Author)：丁蕾, 陈方军, 任冠龙, 熊勤钢

摘要：热解技术在制浆造纸厂污泥的无害化、资源化、减量化处置方面具有很大的应用潜力。目前对制浆造纸厂污泥在热解过程的热解行为、热动力学特性和产品组成情况了解仍不全面。采用热重红外联用(TG-FTIR)、快速热解-气质联用(Py-GC/MS)技术,研究了制浆造纸厂污泥在不同加热速率下的热分解行为以及挥发性产物的释放特性,并采用多组分平行反应动力学模型、动力学补偿法以及主图法探究了有机物热解动力学。研究结果表明,制浆造纸污泥中的有机物质主要集中在温度范围为140℃至600℃之间进行热解,热解产物主要包括H2O、CH4、CO2、CO、NH3、酮、醛、羧酸、酚、芳烃、醚和醇类等物质。随着热解温度升高至600~900℃时,制浆造纸污泥中的CaCO3将会分解,产生大量CO2,同时CO2会与热解炭反应生成CO。研究采用的4组分的平行反应动力学模型可以较好地描述制浆造纸污泥中的有机物分解过程。4个假组分的平均表观活化能分别为171.54、179.50、192.05、200.86kJ/mol;指前因子分别为1.74×1011~8.34×1016、1.47×1011~5.55×1013、1.40×1011~1.55×1012、1.67×1010~1.34×1013s-1。不同组分之间遵循不同的反应机理模型,随着转化分数增加反应机理模型也会逐渐发生变化。

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原位生成Fe基催化剂催化木质素快速热解生成单环芳香烃的研究

作者(Author)：张婧, 沈洋, 诸麟榆, 刘浩然, 周忠岳

摘要：探讨了铁矿石原位生成的Fe基催化剂对硫酸盐木质素催化热解的情况。研究使用透射电子显微镜对反应前后的催化剂进行表征,以探究催化剂形态变化;通过分段热解反应器联合飞行时间质谱评估催化剂的性能。结果表明,反应前催化剂呈颗粒状,而反应后催化剂几乎烧结。与未还原铁矿石和商业Fe2O3相比,还原铁矿石显著促进了单环芳香烃的产生。在最优反应温度550℃下,单环芳香烃的相对含量高达到81%,其中苯、甲苯、二甲苯和三甲基苯的相对含量分别为46%、34%、13%和7%。基于脱羟基和脱甲氧基的反应原理,提出了硫酸盐木质素催化热解的可能途径。使用的低成本铁矿石催化剂有望应用于硫酸盐木质素热解,以生产有价值的生物基芳香烃。

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城市污泥和浒苔共水热碳化参数响应面优化

作者(Author)：支有为, 徐东海, 刘欢腾, 徐铭欣, 郑佩瑶

摘要：日益增多的城市污泥对环境造成了严重的危害,传统处理处置方法在实现无害化和资源化方面仍存在各种挑战。水热碳化技术被认为一种有效处理处置城市污泥的方式,但由于污泥的低碳、高灰特性,限制了水热炭作为燃料的应用。利用高碳、低灰的浒苔和污泥进行共水热碳化有利于解决这一问题。开展了不同水热反应条件下(温度160~280℃,时间30~150min,污泥占比0~100%)污泥和浒苔的共水热碳化实验,探究了过程参数对于能量回收效率和电能消耗指数的影响规律,并利用响应面法对3个主要因素(温度、时间、污泥占比)进行了优化设计。结果表明,利用CentralCompositeDesign设计建立的响应面模型,拟合程度良好(模型P<0.05,相应的失拟项P>0.05),预测值和实际值偏差较小。污泥占比对于能量回收效率有显著影响(P<0.05),时间是对于电能消耗指数影响极其显著的因素(P<0.0001),温度对于电能消耗指数的影响达到显著水平(P<0.05)。通过数学模型的优化,得出了达到最佳能量回收效率(0.470)和最低电能消耗(165.61)的最佳条件,分别是反应温度216℃、反应时间83min、污泥占比为64%和反应温度200℃、反应时间60min、污泥占比为50%。此外,在反应温度208℃、反应时间62min、污泥占比52%的条件下,可以同时获得较高的能量回收效率(0.463)和较小的电能消耗指数(171.60)。通过3次重复实验验证,实验值与预测值偏差小于5%。研究结果可为城市污泥和浒苔的资源化和高值化利用提供科学依据。

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β-5型木质素二聚体热解机理模拟计算

作者(Author)：李文涛, 高丽娟, 周关正, 柴宝华, 王美净, 胡斌, 刘吉, 陆强

摘要：木质素是由苯基丙烷结构通过C—O键和C—C键连接而成的复杂三维网状无定形高聚物,热解是木质素的重要利用方式,探究木质素热解过程中连接键的断裂机理对于开发高效热解技术至关重要。利用密度泛函理论方法,针对典型的β-5连接木质素二聚体模型化合物,探究其热解过程及取代基的影响。计算结果表明,苯环之间五元环的开环反应是最可能发生的初步反应,其中Cα—O键和Cα—Cβ键的键解离能(BDEs)分别为163.9kJ/mol和212.9kJ/mol,是最主要的断键开环反应。通过对比甲基、甲氧基、羟基、正丙基等支链对β-5连接键的断裂的影响,发现当两个苯环和β-5连接五元环上分别连接羟基、丙基、羟甲基取代基时,Cα—O键和Cα—Cβ键的BDEs最低。对于不同取代基类型和位点来说,Cα—O键均裂始终是最容易发生的初始反应,而Cα—O键和Cα—Cβ键连续断裂的路径是β-5连接五元环断裂的主要途径。

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