木质纤维水热液化研究进展

水热液化是木质纤维生物质的热转化方法之一, 其因以水作为溶剂被认为是环境友好型技术。本文综述了木质纤维生物质水热液化的研究进展, 对木质纤维生物质的水热液化产物分析策略进行概述。分析了纤维素、半纤维素和木质素等木质纤维生物质组分的水热液化机理以及水热液化产物组成和分布。讨论了反应温度、反应时间、催化剂和助溶剂等对木质纤维水热液化的影响, 重点介绍了生物油、不凝性气体和固体残渣等液化产物的表征手段。最后对未来木质纤维水热液化发展方向提出了建议。     

水热催化液化制备生物油研究

生物质水热液化技术是最具有发展前景的生物质液化技术之一,可以将生物质直接转化为高品位气态、液态和固态产物。生物质液化过程中催化剂可以适度地降低反应温度和反应压力,加快反应速率,增加液化油的生成量,并且具有改变产物组成从而抑制焦炭的形成、提高液化油的品质等功效,本文主要对近年来水热液化制备生物油过程中各类催化剂进行了综述,着重介绍了均相催化与非均相催化对生物油性质的影响及使用情况并探讨了其催化机理,指出研究催化剂对水热液化具有重要的意义。     

水热法处理浮萍生物质制取生物油

水热液化法是生物质一种行之有效的热化学转化方法。生物质水热液化以生物质为原料,利用水作为反应介质,通过热解液化制取生物原油。与快速热解液化技术相比水热液化不需对生物质进行烘干预处理,操作条件相对温和,对设备要求相对较低,易于实现工业化,且液化所生成的生物原油含氧量低、热值高。此外,用水热液化法直接处理浮萍不但能将其油份转化为生物油,而且其中的淀粉以及其它有机成分也可一并转化。本研究采用间歇式不锈钢反应釜,在水热环境下,系统考察了温度(270～380℃)、反应时间(10～120min),浮萍添加量(0.5～5.5g),催化剂(K2CO3)添加量(0～50%)等因素对浮萍液化产物分布的影响规律。研究发现,温度、反应时间、反应物浓度以及催化剂4个因素均对液化产物分布用影响,且K2CO3的存在不利于浮萍的水热液化。在温度为350℃,反应时间为30min,浮萍添加量为3.5g时,浮萍可基本完全转化,此时所得生物油产率最大(19.76%,质量分数)。在所考查的实验条件下,所得生物油的热值为32～35 MJ/kg。与原料相比,液化油中的C、H以及N的含量明显升高,O的含量明显下降,H/C比和S的含量略微有所下降。水热液化所得生物油中的主要成分为酮类及其衍生物、醇、含氮杂环、饱和脂肪酸以及饱和和不饱和的碳氢化合物。     

木质纤维素生物质水热液化的研究进展

对木质纤维素生物质的模型化合物(纤维素、半纤维素和木质素)的水热液化机理进行了剖析。纤维素和半纤维素降解路径主要是水解成单糖并进一步生成酸类、醛类、酮类等。木质素结构较复杂,液化产物中含有大量苯系化合物,具体木质纤维素生物质的水热液化反应更为复杂,不同的木质纤维素生物质原料水热液化产生的生物油含量不同;分析了原料种类、催化剂、反应温度、反应压力、对水热液化过程以及产品组成和收率的影响;对生物质水热液化制备生物油的研究进行了展望,认为发展木质纤维素生物质水热条件下降解的数学模型,开发新型反应器、研制催化剂,是今后生物质水热液化工程实验的发展方向。     

反应条件对玉米秸秆水热液化产物分布及特性的影响

利用间歇式生物质水热液化反应釜,通过正交试验设计考察不同反应条件对玉米秸秆水热液化（HTL）的影响,过程参数包括反应温度（250~350℃）,反应时间（0~60 min）和含固量（5%~15%）。从元素组成、官能团分布、主要化学成分以及结构形貌等对玉米秸秆水热液化产物的特性进行了分析。研究结果表明：玉米秸秆水热液化的较优条件为反应温度300℃、反应时间30 min、含固量5%,此时生物原油（BO）、固体残渣（SR）、其他产物（气相和水相产物）的产率以及液化率分别为22.85%、15.02%、62.13%和84.98%。过程参数对玉米秸秆水热液化的产物分布有显著影响。不同反应条件下玉米秸秆组分降解程度不同,生物原油的产率8.31%~22.85%,热值30.56~32.69 MJ/kg,水相产物的总有机碳（TOC）7 711.5~12 336.0 mg/L,固体产物的组成和表面形貌也不同。FT-IR结果显示：生物原油的官能团分布相似,仅某些峰强度有所差异,表明不同水热条件制备的生物原油中化合物种类相似但含量存在差异。GC-MS分析结果显示：生物原油组成包括酚类、酮类、有机酸类、醛类、醇类、含氮化合物和呋喃类等化合物。     

生物油的精制及其研究进展

生物质是唯一可以转化为液体燃料的、对环境友好的、清洁的可再生资源。通过高压液化或热裂解方法可将生物质制备成类似石油的黏稠状物质-生物油。生物油的高含氧量、低热值和化学不稳定等特性在一定程度上影响了其广泛应用,因此必须对生物油进行精制,以改善生物油的品质。从催化加氢、催化裂解、催化酯化、烯烃改性等方面阐述了生物油的精制技术及其研究进展。     

我国30省份秸秆水热液化技术的碳减排潜力分析

水热液化技术作为一种可开发利用前景广阔的生物质热化学法,目前中国对于水热液化技术碳减排潜力研究仍属于空白状态。为减少温室气体排放和能源消耗,将常规水热液化技术与光伏技术结合,利用可再生能源电力替代水热液化系统运行过程中的电力消耗,同时生产的生物炭利用土壤固碳技术还田土壤,实现负碳排放。研究了中国30个省份部署光伏水热液化厂的温室气体排放、能源消耗和碳减排潜力,建立中国多地区混合生命周期评价模型,将投入产出生命周期与IPCC因子方法结合计算温室气体排放和能源消耗。首先对河南省为示范省的光伏水热液化厂进行生命周期温室气体排放和能源消耗评估。建造过程中,光伏水热液化厂的CO₂排放量为128.76 t(CO₂-eq),能源消耗总量为48 371.07 kg(标准煤)。使用建立的混合生命周期评价可在投入产出的经济背景下获得每个省份和该省份下经济部门的能源消耗和温室气体排放影响。从空间视角看,河南省影响最显著;此外,化学产品部门是最大的隐含温室气体排放和能源消耗部门。结合情景分析不同比例生物炭还田土壤的减碳效力,结果表明将河南省一个光伏水热液化厂生产的生...     

生物质水热液化研究进展

水热液化技术可处理高含水率生物质且无需脱水等高耗能环节,具有良好的经济性与工业应用前景,已成为一种极具潜力的生物质能源利用方式。本文综述了生物质组分水热液化的机理,并对其应用生产进行了概述。回顾了生物质水热液化的研究历程,重点阐述纤维素、半纤维素、木质素、脂质和蛋白质等生物质的主要组分结构和水热液化反应机理,以及生物质水热液化反应器的工艺流程,明确了生物质水热液化存在的问题并对其发展方向进行展望。     

模拟自然加快碳循环:水热转化生物质为高附加值产品

综述了作者所在科研组利用水热技术转化生物质成高附加值化工原料的一些最新进展。着重介绍了利用碳水化合物、木质纤维素、纤维素生物质以及生物柴油的副产物甘油产各种有机酸的研究进展,讨论了水热转化的机理和在水热转化中天然碳水化合物各组分之间的相互影响。最后介绍了中试规模连续水热反应系统利用植物源生物质生产乙酸的进展情况。     

生物炼制技术研究新进展

生物炼制是以可再生生物质资源为原料,替代化石资源,生产能源、化工产品和生物材料的低碳型工业模式,是社会经济实现可持续发展的重大战略需求。随着全世界对生物炼制的深入研究,新的技术和产品不断涌现,各种生物技术平台和经济技术评价体系不断建立和完善,促进了生物炼制过程的健康飞速发展。本文从生物质原料、生物转化技术和热化学转化技术等多个方面,介绍了目前世界各国在生物炼制领域取得的最新研究进展和发展方向,展望了生物炼制发展前景。     

微拟球藻油脂萃取及脱脂藻水热液化

为提高微藻的综合利用效率,使用不同的溶剂系统分别对干、湿微拟球藻进行油脂萃取,并对脱脂后的藻渣进行水热液化实验,探究溶剂萃取脱脂对微藻水热液化产物的影响。溶剂萃取的结果表明,极性溶剂对油脂的萃取率达到25.0%,但对脂质的萃取缺乏选择,萃取物的脂肪酸甲酯产率仅为29.68%;混合溶剂萃取的脂肪酸甲酯回收率达到57.70%。脱脂后的微拟球藻水热粗油产率为27.7%~34.6%,氮含量为5.29%~6.68%,主要由脂肪酸、脂肪酸酯、脂肪酸酰胺、长链烃类、胺类、含氧化合物和含氮杂环化合物组成。经甲醇萃取后的湿藻水热粗油产率为34.6%,氮含量为5.44%,过程能耗低,表明甲醇萃取湿藻结合水热液化具有一定的应用前景。     

微藻水热液化生物油物理性质与测量方法综述

微藻水热液化生物油由于性质较差,不能直接作为车载燃料使用,而作为原料油与现代石油炼制工艺相结合是一种新的应用途径。本文综述了微藻水热液化生物油的物理性质,包括密度、黏度、酸性、热值与元素组成、沸程、平均分子量等信息,介绍了常用的测量方法与手段。简要回顾了微藻水热液化生物油的精制研究,分析比较了不同精制方法及其效果。重点指出微藻水热液化生物油与重质原油和常减压渣油等劣质原料油相比,具有密度和黏度相近、酸值较高、氮氧元素含量较高、热值较低、重质组分和大分子含量较高等特点,加氢精制能够有效提升微藻水热液化生物油性质,但受反应器结焦、催化剂成本和氢气消耗等因素制约,至今未有突破性成果。     

微藻水热液化生物油化学性质与表征方法综述

微藻水热液化生物油由于性质较差,不能直接作为车载燃料使用,与现代石油炼制工艺结合是一种新的应用途径。综述了微藻生物油的化学性质,包括化学组成、官能团组成与杂原子化合物组成等信息,比较分析了GC-MS、FTIR、NMR和FT-ICR MS等表征方法的异同,简要回顾了微藻水热液化反应机理和精制方法。重点指出微藻水热液化生物油中含氧、含氮化合物含量较高,并具有较高的芳香度和不饱和度,催化加氢精制能够有效脱除杂原子,并增加烷烃含量。微藻基生物燃料的发展,不仅需要精制工艺的提升,也有赖于表征方法的进步。     

滇池藻水热液化成油特性研究

以滇池藻为原料研究水热液化条件对其液化反应的影响，并分析反应温度对水热液化产物分布及生物油特性的影响。结果表明：在反应温度300℃、反应时间60 min、原料含固率20%条件下生物油产率最高为14.82%，生物油能量回收率最高为54.11%，碳、氢元素回收率分别为49.65%、24.83%，其热值为35.79 MJ/kg。GC-MS分析结果显示：生物油含烃类22.4%，有机酸类34.3%，氮氧化合物21.1%，酯类5.47%。反应温度对生物油组分中含氮氧杂环化合物、酯类、有机酸类、烃类以及酚类化合物GC含量变化有很大影响。反应温度为380℃时转化率最高为83.87%，生物油H/C最高，N/C最低，比值分别为1.39和0.05，热值为36.76 MJ/kg。     

Process synthesis and optimization of a sustainable integrated biorefinery via fuzzy optimization

Over the last decade, utilization of biomasses is highly encouraged to conserve scarce resources, reduce dependency on energy imports as well as protect the environment. Integrated biorefinery emerged as noteworthy concept to integrate several conversion technologies to have more flexibility in product generation with energy self‐sustained and reduce the overall cost of the process. Integrated biorefinery is a processing facility that converts biomass feedstocks into a wide range of value added products via multiple technologies. In this work, a systematic approach for the synthesis and optimization of a sustainable integrated biorefinery which considers economic, environmental, inherent safety, and inherent occupational health performances is presented. Fuzzy optimization approach is adapted to solve four parameters simultaneously as they are often conflicting in process synthesis and optimization of an integrated biorefinery. An integrated palm oil‐based biorefinery case study is solved to demonstrate the proposed approach. © 2013 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 59: 4212–4227, 2013     

Biorefineries in Kraft pulp mills for biofuels production: A critical review

Kraft pulp production generates residues and by-products of significant importance to the mill. Solid residues from forestry activities are commonly used to generate steam in power boilers. In the recovery cycle, black liquor generates steam (and subsequently energy) by burning in the Tomlinson boiler, while white liquor is regenerated. Well-developed alternative technologies can use these residues and by-products to generate different types of biofuels. This review addresses the use of such technologies integrated with Kraft mills, in the concept of biorefineries, showing advantages, disadvantages, and successful examples. Solid residues from forestry can be used to produce bio-oil through processes such as fast pyrolysis and hydrothermal liquefaction. Bio-oils are currently used for heating through combustion in commercial/industrial boilers, but greater appreciation occurs if used as biofuels, which is done through catalytic upgrading processes. Black liquor gasification generates synthesis gas, which can be burned for energy co-generation, used to produce synthetic fuels, or as a hydrogenating agent for bio-oil or crude tall oil catalytic upgrading. Kraft biorefineries are gradually being implemented, justifying efforts to improve existing and new biomass conversion technologies.     

生物质化学转化产品谱系及研究进展

生物质生物精炼是替代化石精炼维持社会和化学工业发展的必然趋势.未来生物精炼体系将采用平台精炼方式生产谱系产品,其精炼产品能同时满足社会对能源和化学品的需求.生物精炼主要采用生物转化和化学转化方式进行炼制,化学转化具有更高的可设计性和应用范围.甘油、3 -羟基丁内酯、乙酰丙酸、2,5-呋喃二甲酸、葡萄糖二酸及山梨醇是6种...     

Power-to-chemicals: sustainable liquefaction of food waste with plasma-electrolysis

The increasing amount of food waste from various industrial, agricultural, and household sources is an environmental burden if managed inappropriately. Numerous waste management approaches have been developed for the disposal of food waste, but still suffer from either high cost, production of toxic by-products, or secondary environmental pollutions. Herein, we report a new and sustainable plasma electrolysis biorefinery route for the rapid and efficient liquefaction of food waste. During the plasma electrolysis process, only the solvent is added to liquefy the waste, and anions in the waste can contribute to catalyzing the biowaste conversion. While liquefying the waste, the highly reactive species produced in the plasma electrolysis process can efficiently reduce the content of O, N, and Cl in the liquefied products and oxidize most of the metals into solid residues. Especially, the removal rate of Na and K elements was greater than 81%, which is significantly higher than using the traditional oil bath liquefaction, resulting in a relatively high-quality biocrude oil with a high heating value of 25.86 MJ·kg^–1. Overall, this proposed strategy may provide a new sustainable and eco-friendly avenue for the power-to-chemicals valorization of food waste under benign conditions.     

Biodiesel production from soybean oil using modified calcium loaded on rice husk activated carbon as a low-cost basic catalyst

Activated carbon was obtained by hydrothermal process using rice husk as raw materials. The study in our lab had been developed to produce high-quality biodiesel from soybean oil with the activated carbon-base catalyst. The polyethylene glycol (PEG 400) modified calcium loaded on the rice husk activated carbon (CaO/AC) catalyst was prepared via the dipping method and then was used as a heterogeneous solid-base catalyst to produce biodiesel. The effects of CaO/AC ratio and calcination time on catalytic performance were researched according to the yield of biodiesel, and the optimum reaction conditions for biodiesel from soybean oil via PEG 400–modified CaO/AC catalyst were evaluated. The results showed that the yield of fatty acid methyl ester (FAME) achieved 93.01% at the reaction temperature of 342 K, methanol/oil molar ratio of 10:1, and reaction time of 6 h. All in all, modified CaO/AC catalyst showed very high activity for transesterification of soybean oil and had catalytic repeated availability.