探討秸稈生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料化學(xué)品的工藝技術(shù)進(jìn)展

齊立（北京化工大學(xué)，北京102200）

對(duì)于秸稈來(lái)說(shuō)，其不僅是糧食作業(yè)生產(chǎn)中的副產(chǎn)物，而且也是經(jīng)濟(jì)作物中主要的副產(chǎn)物，秸稈的主要組成成分為26.1%～43.8%的半纖維素、29.1%～42.5%的纖維素以及15.4%～32.7%的木質(zhì)素。對(duì)于我國(guó)而言，我國(guó)現(xiàn)有的秸稈生物質(zhì)資源量非常豐富，在相關(guān)部門(mén)的統(tǒng)計(jì)下，我國(guó)每年秸稈資源的總量高達(dá)7.2億t，在這其中，大約有6.04億t可以被作用再生能源使用。除此之外，農(nóng)作物產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)加工與處理后，剩余的花生殼、玉米芯以及稻殼等物質(zhì)，每年的產(chǎn)量也高達(dá)1.3億t，其也可以被作為能源投入到工業(yè)發(fā)展中使用。對(duì)于生物質(zhì)來(lái)說(shuō)，其屬于再生能源的開(kāi)發(fā)與利用中，價(jià)值非常明顯的一種綠色可再生能源，其已經(jīng)繼風(fēng)電、水電以及太陽(yáng)能后，成為一個(gè)新的專(zhuān)題，被列入到我國(guó)再生能源的研究序列中。

1 生物質(zhì)

對(duì)于生物質(zhì)來(lái)說(shuō)，其作為未來(lái)發(fā)展中，能夠替代化石能源的一種可再生類(lèi)型資源，可以按照不同的類(lèi)型，提供不同形式的可再生類(lèi)能源，在這其中主要包括燃料、熱能、電能和其他各種類(lèi)型的化學(xué)物質(zhì)，在這其中，電能與熱能可以通過(guò)太陽(yáng)能、風(fēng)能的方式獲得，而利用生物質(zhì)來(lái)產(chǎn)生燃料化學(xué)品則成為了目前科學(xué)研究的主要方向，而且也是一個(gè)極具挑戰(zhàn)力和吸引力的課題。

在生物質(zhì)能的實(shí)際利用方式中，秸稈生物質(zhì)可以進(jìn)行直接燃燒，這也是一種最為簡(jiǎn)單化的生物質(zhì)能利用方法，但是，如果采用傳統(tǒng)的燃燒方法，不僅燃燒效率比較低，容易導(dǎo)致能源浪費(fèi)[1]，甚至還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，所以，應(yīng)該合理的采用生化法、熱化學(xué)法、物理化學(xué)法以及化學(xué)法等多種技術(shù)，將秸稈生物質(zhì)燃燒轉(zhuǎn)化成為更加具有價(jià)值的再生能源，以此來(lái)提高再生能源的利用效率。

2 秸稈生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料化學(xué)品的工藝技術(shù)

2.1 生物質(zhì)的快速熱裂解工藝技術(shù)

就生物質(zhì)的快速熱裂解工藝技術(shù)而言，其已經(jīng)具有上百年的研究歷史，主要研究?jī)蓚€(gè)方面的內(nèi)容，一方面則是對(duì)芳香族生物高聚物內(nèi)在的結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述，另一方面則是對(duì)單酚類(lèi)化合物的形成路徑進(jìn)行研究。在早些年間，就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了利用快速熱裂解工藝技術(shù)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為液體燃料，而后也從實(shí)驗(yàn)室研究逐漸推廣到實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中。

利用快速熱裂解工藝技術(shù)對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行加工處理時(shí)，需要在無(wú)菌的條件下，對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行熱降解，可以將木質(zhì)素、纖維素以及半纖維素作為降解介質(zhì)，而后完成裂解，通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，采用木質(zhì)素進(jìn)行熱解，其對(duì)溫度的要求比較廣泛，實(shí)際的熱解效果也比較好。

通過(guò)快速熱裂解工藝對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化后，可以得到生物油，該物質(zhì)屬于一種顏色為棕色的、自由流動(dòng)的液體燃料，其主要構(gòu)成成分為苯甲醛、苯酚、二甲氧基苯酚、愈創(chuàng)木酚以及丁子香酚等?？焖贌崃呀夤に嚰夹g(shù)的主要應(yīng)用對(duì)象就是含有木質(zhì)素的生物質(zhì)，在標(biāo)準(zhǔn)化的熱裂解溫度范圍內(nèi)，使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)合應(yīng)用分析方法，能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)出高達(dá)50余種的降解產(chǎn)物，在這其中，溫度在600℃以下的降解后獲取的酚類(lèi)化合物種類(lèi)比較多[2]，實(shí)際產(chǎn)出率可以達(dá)到17%。

使用快速裂解工藝對(duì)木材進(jìn)行加處理后，所獲得的生物油產(chǎn)品，其含碳量比較低，且含水量、含氧量以及酸度值比較高，這樣一來(lái)就會(huì)對(duì)生物油的熱量值、催化過(guò)程、穩(wěn)定性以及抗腐化性能造成比較嚴(yán)重的影響，只有在提質(zhì)后，才可以將其轉(zhuǎn)化為能夠用于工業(yè)生產(chǎn)的燃料油。

在提取生物油時(shí)，可以通過(guò)多種途徑進(jìn)行提取，在這其中，比較常用的就是催化裂解脫氧工藝、加氫提質(zhì)脫氧工藝兩種。催化裂解脫氧工藝主要就是根據(jù)催化裂解反應(yīng)，使氧原子可以按照CO、H2O 以及CO2的方式完成脫除[3]，與此同時(shí)，也可以將長(zhǎng)型的碳鏈轉(zhuǎn)化成為短型的碳鏈，實(shí)際的產(chǎn)物中，包含比較多的不飽和烴類(lèi)。對(duì)于，加氫提質(zhì)脫氧工藝來(lái)說(shuō)，主要以加氫飽和反應(yīng)與加氫脫氧反應(yīng)為主，一般情況下會(huì)出現(xiàn)裂解反應(yīng)，而后得到比較長(zhǎng)型碳鏈的飽和烴類(lèi)產(chǎn)物。

經(jīng)相關(guān)的研究結(jié)果表明，雖然使用木質(zhì)素進(jìn)行熱解后得到的生物油產(chǎn)率比較低，而且也會(huì)產(chǎn)生很多生物質(zhì)焦，但是，在經(jīng)過(guò)提質(zhì)后，也可以降低其內(nèi)部化學(xué)元素的實(shí)際含氧量，從而就可以獲取更加高的能量密度。

2.2 生物質(zhì)的熱解氣化工藝技術(shù)

對(duì)于生物質(zhì)的熱解氣化工藝技術(shù)來(lái)說(shuō)，其屬于一種熱化學(xué)的反應(yīng)技術(shù)，利用該技術(shù)，可以將原本低品位的固體生物進(jìn)行處理，使其能夠轉(zhuǎn)化成為更加高品位的可燃?xì)?。使用熱解氣化工藝?duì)秸稈生物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，獲取到的可燃?xì)猓軌蛑苯佑米饔阱仩t燃料，進(jìn)而替代煤炭提供熱能，在經(jīng)過(guò)凈化處理后，可以用作燃?xì)猓瑸橛脩?hù)提供集中供熱，或者也可以用于燃?xì)鈨?nèi)燃和驅(qū)動(dòng)燃?xì)獾陌l(fā)電機(jī)中。

在傳統(tǒng)形式的秸稈生物質(zhì)熱解氣工藝的處理過(guò)程中，主要就是在恰當(dāng)?shù)臍饣瘻囟葪l件下，將秸稈生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為含有CO、H2以及低分子烴類(lèi)的可燃類(lèi)氣體[4]，在這過(guò)程中，對(duì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中所產(chǎn)生的混合氣體進(jìn)行處理屬于該工藝技術(shù)中最薄弱的環(huán)節(jié)，如果采用常規(guī)的水洗技術(shù)進(jìn)行處理，不僅會(huì)在一定程度上降低效率，甚至還會(huì)產(chǎn)生具有焦油結(jié)構(gòu)的污水，所以說(shuō)，在使用熱解氣化工藝技術(shù)時(shí)，應(yīng)該做好污水處理和裂解焦油兩方面的處理。

為了能夠有效地避免與解決這兩方面的問(wèn)題，研究出了超臨界水氣化工藝技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)自身具有的超強(qiáng)溶解例，能夠溶解秸稈生物質(zhì)中存在的有機(jī)物，進(jìn)而形成低粘度、高密度的液體，而后再經(jīng)過(guò)高溫高壓處理，對(duì)其進(jìn)行氣化處理，這樣一來(lái)就可以形成氫氣含量豐富的混合氣體，相比于傳統(tǒng)的熱解氣化工藝，超臨界水氣化工藝具有非常獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其能夠直接將含水量比較高的生物質(zhì)進(jìn)行氣化轉(zhuǎn)化，節(jié)省了干燥過(guò)程，而且也不會(huì)形成二次污染。

2.3 生物質(zhì)的水熱處理工藝技術(shù)

采用水熱處理工藝技術(shù)對(duì)秸稈生物質(zhì)進(jìn)行處理時(shí)，主要指的就是在密封的環(huán)境下或者是壓力容器中，將水資源作為溶解劑，使生物質(zhì)可以在中溫、第壓力的情況下完成脫水、水解以及縮合等化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過(guò)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)水熱處理工藝技術(shù)可以對(duì)木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)進(jìn)行水解與破壞[5]，在其形成的產(chǎn)物中，除了生物原油以外，其他產(chǎn)物都可以通過(guò)增值回收的方法得到蛋白質(zhì)、氨基酸以及單糖類(lèi)等物質(zhì)，這樣一來(lái)就能夠?qū)崿F(xiàn)資源的統(tǒng)一化回收。相比于其他工藝，該工藝能夠節(jié)省烘干處理等成本比較高的工藝步驟，降低成本，同時(shí)也可以對(duì)獲得的產(chǎn)物進(jìn)行多樣化的利用。

熱水處理工藝技術(shù)主要分為兩種，分別為無(wú)催化水熱處理工藝技術(shù)以及催化水熱處理工藝技術(shù)，對(duì)于前者來(lái)說(shuō)，其能夠直接對(duì)生物質(zhì)在中溫低壓的環(huán)境下進(jìn)行降解，操作比較簡(jiǎn)便，而且還具有產(chǎn)物豐富、反應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。后者，屬于近些年新興起的一種生物質(zhì)燃料平臺(tái)，在添加相應(yīng)的催化劑后，可以獲取更加高質(zhì)量的生物柴油等產(chǎn)物。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用多種先進(jìn)的工藝對(duì)秸稈生物質(zhì)進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化成為燃料化學(xué)品，不僅能夠緩解能源不足方面的壓力，而且還具有更高的生物可用性以及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。所以，在節(jié)能減排的發(fā)展策略下，應(yīng)深入地研究生物質(zhì)轉(zhuǎn)化燃料化學(xué)品工藝技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)資源再生與資源循環(huán)利用的目的。