以生物質為原材料的化學化工技術與展望

趙志培 河套學院

引言：生物質通過熱化學轉化制備高品質生物油和高附加值精細化工品是未來工業發展的重要方向，是解決能源短缺，實現碳的閉路循環的有效方式，如何提升生物質熱化學轉化品質和效率是目前學術界和工業界關注的熱點。

一、概述

隨著化石能源的逐漸消耗和環境問題的日益嚴峻，發展清潔的可再生能源成為研究者們關注的主題，生物質能作為重要的綠色可再生能源，成為解決當前環境惡化、能源短缺的有效方式。關于生物質能轉化為燃料和高附加值生物基化學品的研究早已開展，主要包括微生物轉化、熱化學轉化和化學轉化等方式，熱化學轉化因其轉化成本低、轉化速度快、轉化品質好，易于工業化應用而成為生物質最具開發潛力的利用方式。熱化學轉化主要包括燃燒、熱解、水熱轉化、化學鏈轉化等，生物質直接燃燒是最簡便的能源利用方式之一，但因其利用率低、對環境污染大而逐漸不被人們推薦；生物質熱解是在少氧或絕氧條件下加熱致其生物質分子分解產生固體、液體和氣體的過程，根據反應條件的不同分為熱解炭化、熱解液化和熱解氣化等，生物質熱解是制備高品質生物油和高附加值精細化工品的重要方式之一；水熱轉化是指在一定壓力和溫度下將生物質與液體介質混合發生反應生成固體、液體和氣體的過程，水熱轉化利用亞臨界或超臨界水為反應介質，提高了反應速率且無需干燥處理而成為研究熱點；化學鏈轉化是指將一個化學反應通過循環介質作用分解為在不同時間或空間內的系列反應的過程，化學鏈轉化因其實現CO2內分離，能量梯級利用等特點而得到研究者們廣泛研究。

二、以生物質為原材料的化學化工技術與發展愿景

（一）以生物質為原材料的化學化工技術研發現狀

想要以生物質為原材料的化學化工健康發展，保證生物質化學化工的綠色性、情節性、經濟性，應基于生命周期的概念，從產品的原材料開始，到產品設計、使用以及廢棄物等整個過程進行綜合性的利用、經濟以及影響分析，保證生物質化學化工的發展過程中，生物質能源化、產業化發展。因此，生物質化學化工將技術研究重點，定位在熱化學法改進、生物技術應用上，致力于將生物質轉化成可燃性氣體、醇類燃料、發電能源等，特別是生物質氣化—聯產發電研究取得了階段性的突破，正在構建相應的發電站，還有些成果已經在工業中推廣，轉變了傳統的工業發電以及廢棄物處理方法。有些城市已經開始將城市廢棄物進行分類，通過分類將垃圾中的生物質能集中起來，在各種轉化技術與加工工藝的支持下，為城市供電。一是生物質是植物、動物以及微生物生命體所合成得到的物質，儲能豐富，可再生，將城市生物質廢棄物、草類以及農作物廢棄物作為原材料，制備燃料電池或是發電站等，就能合理實現能源的重新分配和利用，加快能源供應體系的革新。二是生物質資源是由生物直接或間接形成的有機物，其中95%都是可利用的碳水化合物，僅有3%～4%作為食物或者是非食物為人類所利用，新技術的研發有效提升生物質的利用效率和開發力度，制備碳基化學品或是燃料等，促進化學產業的轉型升級。三是現階段光催化生物質轉化的研究，進入了新的階段，借助太陽光光催化以及轉化生物質制備成可利用的燃料或化學品，在保證能源清潔的同時，還能將綠色理念貫穿到整個工藝以及流程中，合理利用太陽能與生物質能。故而，以生物質為原材料的化學化工技術研發，備受關注。特別是光催化生物轉化研究，現如今正在制備氫氣及化學品，通過三種途徑實現生物質能的轉化，一是利用太陽光催化重整制備氫氣，借助半導體催化劑將生物分子轉化成氫氣與二氧化碳;二是借助光催化氧化生物質，在反應在實現生物質部分氧化，制備中間產物;三是在催化生物質的同時，同時制備氫氣與化學品，用負載貴金屬氧化物—二氧化鈦作為催化物，通過導帶上光生電子的遷移，進行氫離子的還原反應。這三種方式，是利用生物質能的特點與催化物的特性，通過氧化還原反應制備化學品或是氫氣。

（二）生物炭催化重整脫除焦油

生物質熱解汽化生成的有機揮發分在冷卻過程中易形成焦油，這不僅降低汽化效率及氣體燃料產率，還會影響系統安全穩定性及后續利用。若能將具有較高能量的焦油高效重整轉化，便可較好地解決這一難題。用焦炭顆粒床對生物質熱解焦油進行重整，發現各溫度下生物炭催化產生焦油都比熱裂解少，其中800℃時焦油產率從24.8%降至13.7%。使用稻殼炭對稻殼熱解進行原位焦油催化重整，發現稻殼炭對生物質焦油脫除效率可達42%，且焦油脫除量與氫氣產率呈正相關關系。用生物炭催化甲苯轉化，發現甲苯熱裂解所需活化能降至無生物炭時的1/4，甲苯轉化率從62%提高至94%。綜上所述，生物炭在生物油提質、氣體燃料生產及焦油脫除等方面均表現出較好的催化性能，然而此過程的催化機理研究還不夠深入。

結語：綜上所述，新時代下以生物質作為化學化工的原材料，旨在改變以往化學化工對石油、天然氣以及煤炭等依賴性，通過生物質能的開發、利用、化學品制備等，緩解環境污染問題以及能源危機，替代非再生能源促進工業的現代化發展。