黄伟教授：生物质与油浆共热解产物分布及相互作用

创新点
生物质作为一种全生命周期碳近零排放的可再生资源，从生物质中提取轻质燃料和化学品是实现碳达峰和碳中和的终极方向。探讨了玉米秆(CS)与催化裂化油浆(FCC)的共热解过程，发现共热解产物焦油的品质有明显改善；生物质中的矿物质对共热解过程有增强效应，不仅促进了油浆的裂解，产生更多的烃类，而且减缓了自由基的聚合反应，改善了共热解体系中稠环化合物的缩聚程度。此外，共热解半焦的反应活性也明显提高，有利于后续利用。本文成果为寻求化石能源和新能源优化组合的可行之路提供理论和实验支撑。

生物质与油浆共热解产物分布及相互作用

作者：黄　伟，郝泽光，张　乾，高增林，张宏文，彭泽宇，杨　凯，梁丽彤

单位：太原理工大学 省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室

背 景

生物质作为一种全生命周期碳近零排放的可再生资源，从生物质中提取轻质燃料和化学品是实现碳达峰和碳中和的终极方向。通过热解技术，可以将生物质热转化为燃气、焦油和生物炭等产品，进而分质用于制氢、液体燃料或化学品及土壤改良剂等。然而，生物质热解制取的生物质油存在杂原子含量高、热值低、稳定性差等诸多问题，严重地限制了生物质油的开发与利用。另一方面，随着轻质原油可采量的不断降低，原油重质化、劣质化趋势愈演愈烈，加大对重质油品的开发利用已成为当前石油化工领域的重要研究课题。重质油中含有大量的稠环芳烃并具有较高的热值，可通过脱碳或加氢对其加工利用。热解是一种简便的重油脱碳加工技术，但在缺少高效催化剂的情况下，单纯的重油热裂解效果一般。为了改善生物质热解油的品质、同时提高重质油热解强度及油品质量，笔者提出重油和生物质共热解，以期利用重油的供氢作用和惰性热气氛下挥发分之间的相互作用，在生物质内在矿物质的催化作用的条件下，实现氢的转移和油相中氧的脱除，降低含氧化合物（如酚、酮）的量，提高热解油品质。

目前，共热解的研究对象主要集中在煤、石油焦、生物质、废弃塑料和废轮胎等类型物质的共处理上，对生物质与重油的共热解研究则较为有限。ALAM等对塑料与竹屑共热解实验发现共热解提高了热解油的热值，塑料的添加改变了竹屑脱氧的反应机制，增强了脱水反应，减弱了脱羰和脱羧反应。YANG等在低密度聚乙烯与生物质共热解实验中发现，共热解提高了热解油中烃类物质产率，2者释放的自由基的相互作用促进了烃类物质的生成。XIONG等发现苯乙烯与生物质快速共热解可以显著提高芳烃产率，同时降低油中含氧化合物的含量。但一些研究也发现共热解过程对液相产物产率降低，半焦产率增加。尽管上述研究对象与本研究所选不同，但2者之间的相互作用对产品附加值提高的现象依然值得借鉴。研究普遍表明，如果2种热解物质的主反应区相近，则有利于2者在共热解过程中的相互作用。本课题组前期利用热重－质谱联用技术研究了玉米秆与重油的共热解特性及气体逸出特性，结果发现FCC油浆热解主反应温区与生物质热解反应较为接近，且2者共热解存在一定的相互作用，但限于分析手段，缺乏对热解产物产率及组成特性研究。

摘 要

生物质作为一种全生命周期碳近零排放的可再生资源，从生物质中提取轻质燃料和化学品是实现碳达峰和碳中和的终极方向。将化石能源与生物质共转化是符合我国的基本国情、寻求化石能源和新能源优化组合的可行之路。以玉米秆(CS)与催化裂化油浆(FCC)为原料，研究了2者共热解过程中的相互作用及生物质内在矿物质对产物分布和产物特性的影响。

结果表明，不同比例的CS与FCC油浆共热解过程中的相互作用以聚合反应为主，导致所得半焦产率均有所增加，进一步分析发现反应过程中的相互作用增强了热解焦油中含氧化合物的脱除，促进了烃类物质的生成，提高了焦油产物的品质。其中，酚类物质含量明显降低，芳香烃中3～4个环的稠环芳烃增加较多，脂肪烃中碳原子数量大于13的烃类含量有所增加。 当添加30%FCC时，共热解油中酚类物质较计算值减少约7%，芳香烃和脂肪烃含量分别高出约2%和9%。与脱矿CS相比，未脱矿的CS与FCC油浆共热解促进了焦油的生成，抑制了半焦和气体的产生。 矿物质的存在对2者的相互作用具有增强效果，不仅促进了油浆的裂解，增强了生物质的脱氧反应，产生更多的烃类，而且减缓了自由基的聚合反应，改善了共热解体系中稠环化合物的缩聚程度。焦油中蓖系物含量减少，脂肪烃含量增加。热重实验评价表明，共热解所得的半焦气化反应活性明显提高，有利于后续的利用。

图 片

FCC/CS单独热解和混合物共热解产物产率

不同比例玉米秆与FCC油浆共热解产物产率的实验值与计算值对比

单独热解焦油组成3D谱图

FCC与不同比例CS共热解油中不同化学物质实验值与计算值对比

热解气组成分析

CS，DCS及与FCC油浆共热解产物分布

热解焦油中主要物质相对含量

不同比例玉米秆和油浆共热解半焦气化反应速率曲线

作者简介

黄伟，1962年8月出生，广东省潮阳县人。教育部和山西省煤转化工程技术研究中心主任、国家醇醚燃料标准化技术委员会委员、国家煤化工标准化技术委员会煤化工产品检验导师，新世纪百千万人才工程国家级人选、享受国务院政府特殊津贴专家、“三晋英才”支持计划高端领军人才、山西省委联系服务的高级专家，发表学术论文400余篇，授权发明专利50余件，获省部级科技奖3项。

研究方向

煤化工与工业催化

主要成果

长期致力于CO、CO2和CH4等一碳小分子的温和活化和煤的高效转化的科研和教学工作，提出并建立了CH4-CO2两步反应梯阶转化的新工艺，发现了在等温条件下使两步反应均热力学允许的可行途径；提出并建立了浆状催化剂完全液相制备新方法，解决了浆态床合成二甲醚催化剂失活的难题，发现了AlOOH的催化效应，拓展了浆态床柴油超深度脱硫技术；实现了Cu基催化剂上合成气高效合成乙醇并明晰了催化剂的结构特征；形成了规模化原煤分质方法和煤催化解聚工艺；研制了长寿命高活性CH4-CO2重整催化剂，发明了相应的反应装置；提出了规模匹配、品质对口、梯级利用的燃煤、气化灰渣的高值化利用方法，可实现无二次污染的灰渣全利用等。

黄伟，郝泽光，张乾,等. 生物质与油浆共热解产物分布及相互作用［J］. 煤炭学报,2022,47(1):480-488.

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