基礎研究破解生物質高效利用瓶頸

2020年06月30日

 


 

生物質多聯產的熱解鏈

 

眾所周知,我國擁有大量的秸稈、稻殼、林業剩余物等農林生物質,如何環保、高效地利用這些資源,是社會持續關注的熱點問題。熱解氣化可以將生物質轉化為固、液、氣三相產物,并可進一步用于活性炭、炭基肥、液體肥、化學品以及發電、供熱等領域,是目前行業內很有前景的一種利用方式。

面對生物質熱解氣化多聯產的發展需求,南京林業大學新能源科學與工程系副教授陳登宇課題組,通過突破該技術瓶頸背后的基礎科學問題——多元預處理組合效應、熱解揮發分的析出機理與三相產物調控機制,促進了生物質多聯產基礎研究走向應用。

近5年來,陳登宇以第一作者在多個國際知名期刊發表了16篇SCI論文,其中SCI一區論文10篇,5篇論文入選“ESI高被引論文”,1篇同時入選“ESI熱點論文”。他的研究工作也啟發了更多科研工作者對于生物質高效利用的新思考。

烘焙脫氧:制備高品質生物質原料

農林生物質具有氧含量高、親水性強、熱值低、灰分多等缺點,限制了生物質利用技術的進一步發展。陳登宇表示,生物質高氧含量是導致熱解產物生物油氧含量高的直接原因。生物質中還含有大量的水分,過多的水分往往會延遲熱解反應、增加供熱成本和破壞熱解液化產物的穩定性。

烘焙脫氧預處理是一種在常壓、隔絕氧氣的情況下,反應溫度介于200~300℃之間的慢速熱解過程。“在攻讀博士學位期間,我就開始生物質烘焙脫氧預處理的研究了。”陳登宇發現,這種適度的熱處理過程能夠破壞生物質的纖維結構,使生物質變得易磨,另外還能有效地降低生物質中的氧元素,提高能量密度,改善生物質的C/O值。同時,烘焙后生物質疏水性增強,這使得它在儲存的過程中不易產生水分的重吸收,提高了生物質原料的存儲穩定性。

以往生物質烘焙研究主要專注于固體產物,難以全面揭示烘焙脫氧機理。通過不斷的研究,陳登宇指出,脫氧是生物質改性提質的核心,也是獲得高品質原料的關鍵。陳登宇帶領本專業研究生系統、定量分析了生物質烘焙固、液和氣三相產物,并從氧元素和碳元素遷移的角度揭示了以脫羥基、脫羧基等反應為核心的烘焙脫氧機理,發現了脫水反應是烘焙脫氧的核心因素,同時定量給出了烘焙脫氧數據,如半纖維素、纖維素和木質素經210-300℃烘焙后,分別有19.76%~71.11%、5.85%~33.27%和16.28%~44.89%的氧元素通過H2O、CO2和CO轉移與脫除。該研究結果為生物質改性提質提供了理論依據和科學指導。

陳登宇在農林剩余物高質化,尤其是烘焙脫氧研究方面一做就是十年。談起工作的初心,他說:“我來自農村,自小跟柴火打交道,喂牛喂羊燒飯都用它,但現在沒人用了,成了廢棄物,每次回老家看到很多柴火廢棄在田間地頭,我感到非常可惜。要提高生物質原料的利用率,我想還是先把原料自身的品質提升起來。”陳登宇說,烘焙脫氧預處理是一個很熱門的研究方向,還有很多深層次的科學問題需要解決。他接下來要開展一個很有挑戰性的工作,就是把氧元素在整個熱解多聯產流程中的重組與遷移機理弄明白,做一個氧元素的遷移路線圖。

油洗脫灰:創新傳統洗滌方法

烘焙脫氧預處理減少了生物質原料中的水分和氧含量,進而提高熱解產物品質。“但我們也發現烘焙預處理有一個‘副作用’,就是使得生物質中灰分及金屬元素含量增加,而后者對熱解揮發分具有強烈的二次裂解作用,會降低高價值化學品的產率。”陳登宇說,“脫灰是抑制生物質二次裂解反應的關鍵,也是獲得高價值化學品的重要途徑。”

傳統酸洗脫灰一般用稀鹽酸洗滌原料,成本較高并可能造成污染。有機酸也具有很好的脫灰效果。但到哪兒找那么多廉價的有機酸呢?陳登宇發現,生物質烘焙脫氧實驗產生的烘焙液本身就含有較多的酸類物質,不僅如此,生物質熱化學轉化產生的一些液體副產物,如生物質熱解油分層后出現的水相生物油,還有輕質竹木醋液、氣化焦油的上層澄清液等,都含有大量的水分和有機酸。

“我們完全可以嘗試用它對生物質進行洗滌預處理。”這項工作涉及木材科學與技術、熱能工程等多學科的專業知識。陳登宇聯系浙江農林大學具有多學科和工程實踐背景的副教授馬中青一起開展相關實驗,實驗結果令他們欣喜。研究發現,經過洗滌預處理后,生物質堿金屬和堿土金屬脫除率達到90%以上,強于同pH值的無機酸洗,并顯著降低對左旋葡聚糖等化學品的催化分解作用。

由此,陳登宇課題組提出了生物質“油洗脫灰”預處理方法,并與烘焙脫氧相結合,利用油洗液差異性和烘焙條件多樣性的組合效應,強化脫除農林生物質原料中的灰分、金屬元素和氧元素。在此基礎上,陳登宇提出了脫灰脫氧耦合催化熱解提升產物品質的研究思路,不僅為液體副產物提供了新的利用途徑,而且在生物質酸洗領域拓展了一個新的研究方向。

“我們工作的創新性主要是利用了生物質烘焙或熱解氣化產生的目前難以利用的液體或廢液,同時發揮了多元預處理方法的組合效應,制備了較高品質的生物質熱解產物。”陳登宇這樣總結。

科研探索的都是未知世界,會有很多難題。生物質洗滌預處理實驗遇到最大的問題就是如何過濾。“由于洗滌液酸性較強,生物質原料顆粒也很小,我們用抽濾方法抽了幾個小時還沒有把200多毫升的洗滌液過濾完,濾紙也經常破損。”陳登宇嘗試了很多方法,包括買了一些尼龍布用來過濾,但在干燥樣品的時候又出現了腐蝕的問題。最后,他們決定用1000目的金屬網篩過濾,才解決了洗滌液過濾和洗滌物干燥的問題。

“做研究是一個很有意思的事!”陳登宇說,把一個個小的科學問題做好了,就能把整條線串聯起來。他目前正在做的工作就是把“烘焙脫氧、油洗脫灰、催化熱解/定向氣化、產物提質與分級利用”串聯耦合起來,把整個生物質多聯產的熱解鏈打通。

建成年產千噸活性炭試驗線

“發表論文只是基礎研究的一方面,科學研究不能‘唯論文’,不接地氣。”多年來,陳登宇通過解決生物質原料及其熱解氣化過程中的科學問題,加快了生物質基礎研究走向應用的步伐。

我國環境污染問題非常突出,室內空氣污染是繼“煤煙型”“化學煙霧型”污染之后的第三個標志性的空氣污染時期。隨著人們環保意識的日益增強,綠色發展等理念深入人心,對空氣凈化用產品的需求日益增長。

陳登宇發現,生物質炭是生物質熱解氣化的固體產物。將生物質炭進一步加工成特殊用途的活性炭,具有很好的研究與應用前景。他利用被省科技廳選派為江蘇省企業創新崗“特聘專家”(科技副總)的機會,于2018年主持建成年產1000噸空氣凈化用復合活性炭中試生產線1條,取得良好經濟和環境效益。目前正在建設的年利用2萬噸竹木廢棄物2.5兆瓦熱解氣化發電聯產炭示范工程將于2020年驗收。他還利用入選江蘇省“六大人才高峰”“333高層次人才工程”等省級人才計劃的機會,調研多家生物質熱解氣化發電、供熱和活性炭生產企業,在工廠實際生產中尋找新的突破口。近年來,陳登宇還作為骨干成員參與了南京林大周建斌教授領銜的生物質熱解氣化多聯產的科技攻關,基礎研究成果應用于生物質能源工程,核心成果獲得了梁希林業科學技術獎一等獎、江蘇省科學技術獎一等獎。

陳登宇告訴《中國科學報》,在新能源產業中,生物質能源占據十分重要的地位,今后他們會進一步將研究成果應用于技術工程中,腳踏實地,攻堅克難。

來源:黑龍江創能新能源科技開發有限公司
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