《生物质定向热解制取高品质液体燃料基础理论与方法》

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该项目属于燃烧学领域。生物质定向热解可以高效、全组分、大规模制备高品质液体燃料,对实现我国农林废弃物清洁高效利用和能源结构多元化具有重要意义。但与石油相比,生物质含氧量高,如果沿用当前的石油炼制技术,大量活泼含氧基团的存在会加剧缩聚等副反应,影响产品的质量和收率,必须创新发展新的炼制理论和方法,其关键科学问题是碳氧键的定向断裂、转化与脱除。在国家自然科学基金等项目的支持下,经过多年潜心研究,揭示了生物质定向热解碳氧键断裂与缩聚机理,建立了定向制取高品质含氧与不含氧液体燃料新途径的理论与方法。主要科学发现如下:

1.解析了生物质定向热解中碳氧键断裂机理,提出了生物质结构定向调变预处理方法。系统地解析了生物质三组分(纤维素、半纤维素、木质素)定向热解过程中碳氧键断裂次序,明晰了催化剂对热解关键中间产物生成和演变的作用机制,给出了分子反应路径阵列,获得了主要产物的动力学关系和模型。提出了通过复合溶剂弱化纤维素和半纤维素糖苷键以及木质素β-O-4键等主要连接键,通过低温热解裁剪易结焦支链等生物质结构定向调变预处理方法,使之易于后续定向制取高品质液体燃料。

2.建立了生物质定向热解制取高品质烃类不含氧和醇类含氧液体燃料的基础理论。在国际上率先发现了生物质催化快速热解一步法制取汽柴油、航油等烃类不含氧燃料的反应新途径,阐明了生物质大分子在催化剂外孔道定向剪裁、脱氧变成小分子,随后进入催化剂内孔道重整、环化、异构的反应机理。基于生物油中碳氧键赋存与演变规律研究,提出了对生物油轻质组分定向分级加氢,重质组分化学链制氢提供氢源,自氢制取醇类含氧燃料的新途径,阐明了分级加氢和化学链制氢机理。

3.揭示了生物质定向转化中产物缩聚机理,提出了抑制缩聚的方法。发现了生物质有效氢碳比低是造成产物缩聚的核心因素,揭示了生物质热解缩聚中间产物的组成及演变规律、组分缩聚结焦机理,建立了缩聚结焦动力学模型。提出了生物质与废弃富氢原料(废塑料、废油脂等)共催化热解提高有效氢碳比的缩聚抑制方法,并通过同位素示踪等方法阐明了生物质与富氢原料间氢转移机制。发现了催化剂表面酸位点强度和分布是影响产物缩聚的另一重要因素,提出通过化学液相沉积覆盖、表面脱铝等调控酸位点的抑制缩聚方法。

8篇代表性论文总他引885次,其中SCI他引580次,单篇最高165次。项目负贵人连续三年入选能源学科中国高被引学者,担任能源领域权威期刊Fuel Process.Tcchnol.(IF3.75)副主编,Int.J.Greenh.Gas.Con.(IF3.74)、太阳能学报等期刊编委。获PCT专利1件,授权发明专利6件,建成了国际首套千吨级生物质定向热解制取高品质醇类含氧液体燃料示范装置,醇类选择性达到87%,能够与汽柴油混合使用。项目成果荣获2017年教育部自然科学一等奖。

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