生物質規模化制備液體燃料和炭材料，是緩解我國石油對外依存度和碳減排壓力的關鍵舉措之一。生物質熱解是規模化制備液體燃料和炭材料的有效途徑，但目前該技術路徑存在熱解不可控、工藝路線長、核心反應裝備落后等問題，產業化困難。東南大學、中國林業科學研究院林產化學工業研究所等合作完成的“生物質短流程可控熱解制取高品質液體燃料和炭材料關鍵技術與應用”技術成果為解決這一難題帶來了曙光，于近日獲得了2024年度中國石油和化學工業聯合會科技獎科技進步一等獎。
該成果是由東南大學肖睿教授領銜的項目組，歷經近二十年的技術攻關開發完成。首先，技術團隊建立了基于有效氫碳比調控的生物質可控熱解技術。他們發現了熱解過程含氧自由基縮聚成炭的關鍵鏈式誘導效應，明晰了氧—碳自由基的交換機理和相互作用，揭示了以碳中心偶聯含氧自由基縮聚機制。項目團隊還建立了通過廢棄富氫原料與生物質共熱解提高有效氫碳比抑制縮聚、通過生物炭回噴增炭促進大分子焦油縮聚成炭等基于有效氫碳比的調控技術。熱解蒸汽中重質焦油含量降低10倍以上，輕質羰基化合物含量增加2倍，生物炭產率提高40%。
其次，技術團隊獨創了熱解油蒸氣和熱解炭短流程原位提質新技術。他們獨創了利用熱解油蒸氣活潑含氧羰基原位偶聯增碳和催化分級脫氧異構新技術，高效合成生物航油直/支鏈組分，碳產率達28%。技術團隊基于氧位置與燃燒特性的相互關系進行燃料設計，將熱解油蒸氣中氧從支鏈定向轉移至主鏈制備長鏈醇醚類含氧燃料，添加10%到柴油中可減少60%以上碳煙排放。他們還創制了具有“吸氧”功能的氧空位多級孔道催化劑，實現對含氧基團的定向調控，發現了高溫下含氧自由基快速刻蝕熱解炭的作用機理，首創利用自產二氧化碳和水活化熱解炭新方法。與傳統工藝相比，該方法活化時間縮短了10倍，活性炭制備成本降低60%以上。
最后，技術團隊創制了生物質緊湊式一體化裝備。他們發明了反應器分區耦聯一體化構建新方法，通過顆粒在不同反應區循環流動與反應，將不同反應耦合集成，實現了可控熱解—熱解炭自活化和熱解油蒸氣原位催化轉化制備高品質液體燃料等一體化工藝。技術團隊還開發了高速射流、熱炭循環等流動—傳熱—反應耦合強化技術，提高了反應效率和單位體積處理能力，反應器結構更加緊湊。據此，技術團隊創制出適合不同場景的單床流化床內循環、雙流化床外循環等多種類型緊湊式一體化反應裝備，并形成系列化產品，進而研制出熱解移動車，建立了“分散處理、集中精制”新模式，破解了生物質收儲運難題。
石化聯合會組織的專家鑒定顯示，該項目整體技術達到國際先進水平，其中生物質定向熱解制備生物航油和醚酯類含氧燃料、內循環串行床反應器技術處于國際領先水平。截至目前，該項目成果獲授權發明專利71件，其中美國專利2件；牽頭制訂行業、團體標準5項，發表論文200余篇。項目成果在江蘇、安徽、河南等20多個省份實現了產業化應用，并推廣到捷克、西班牙等8個國家，建成生產線19條，每年可轉化生物質320余萬噸，減排二氧化碳520余萬噸。液體燃料和炭材料產品已經應用到能源、儲能、化工等多個領域，推動了我國生物質高值化利用產業化進程。
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