李 洋, 李 凱, 張鎮西, 馮時宇, 胡 斌, 陸 強
(華北電力大學 生物質發電成套設備國家工程實驗室,北京 102206)
快速熱解作為一種高效的生物質利用技術,可以將固體生物質轉化為液體生物油,極具發展前景[1]。然而,常規生物油成分極為復雜,具有熱穩定性差、熱值低、腐蝕性強、易老化等缺點,難以直接高效利用[2]。生物油品質的缺陷本質上是由其高含氧量造成的,因此,實現熱解過程的可控脫氧是提高生物油品質的關鍵[3]。催化熱解技術主要通過在熱解過程中加入合適的催化劑,強化脫氧和其他特定反應路徑將熱轉化過程中的氧元素脫除,從而獲得氧含量較低的生物油,達到從源頭上提高生物油品質的目的[4]。目前生物質催化熱解所采用的催化劑主要包括3類:可溶性無機鹽類、分子篩類以及金屬氧化物類[5]。其中,金屬氧化物類催化劑具備催化還原性、多價態和特殊的酸堿性質等特點,一般分為酸性、堿性和過渡金屬氧化物[6]。關于分子篩和酸性金屬氧化物類催化劑已有大量的研究,該類催化劑雖然具有優異的催化性能,但同時也有明顯的缺點:1) 無法降低酸類產物的生成,由此導致生物油酸性較高;2) 催化劑因積炭失活后,再生時表面焦炭燃燒會破壞其表面酸性結構,減少酸性活性位點,降低其催化性能[5]。與酸性催化劑相比,關于以氧化鎂(MgO)和氧化鈣(CaO)為代表的堿土金屬氧化物基催化劑的研究還相對較少[7-8],該類催化劑具有成本低且可回收利用等優點,能夠有效促進酮基化和羥醛縮合等反應,實現對酸、醛和酮類化合物脫氧[9-10],促進大分子含氧化合物裂解為小分子物質;此外,CaO還是一種良好的高溫CO2吸附劑[11],可以在熱解過程中捕集CO2,從而促進反應向生成CO2的方向進行,提高脫氧效率和生物油品質[12-13]。因此,作者通過對堿土金屬氧化物基催化劑催化熱解生物質進行綜述,闡述催化熱解反應機理,討論催化劑類型、生物質原料種類、催化劑用量、熱解溫度、停留時間、催化方式、催化劑失活等工藝參數對催化熱解的影響,以期為后續生物質選擇性熱解技術的改進與優化提供指導。
酮基化反應是兩分子羧酸脫去一個羰基生成酮、CO2和H2O的反應過程。該反應能有效減少有機羧酸的生成,降低生物油的腐蝕性,并提高其能量密度。
研究者們已發現多種金屬氧化物催化劑(MO,如MgO、BaO、CaO和ZrO2)可以有效地促進羧酸的酮基化反應[14-17],并認為MO催化劑表面—OH官能團是參與反應的主要活性組分。酮基化反應路徑主要有兩種[15]:1) 體相酮基化反應,羧酸反應物先在催化劑上生成羧酸鹽類物質,再通過羧酸鹽的熱分解生成酮等產物;2) 表面酮基化反應,吸附在催化劑表面的羧酸反應物先在α-H的作用下形成β-酮酸、烯酮等不同的中間體,再進行轉化生成酮。目前,學界普遍認同表面酮基化反應的關鍵中間體為β-酮酸[10,15-16],在反應過程中,兩分子羧酸先吸附在催化劑表面相鄰的活性位點上,其中一分子羧酸在α-H的作用下形成烯醇化合物,另一分子羧酸則形成酰陽離子;然后酰陽離子進攻烯醇化合物中的H,生成β-酮酸中間體;最后再經過C—C鍵斷裂形成酮以及H2O和CO2,如圖1所示。

圖1 羧酸的酮基化反應[10]
Mekhemer等[18]在研究MgO催化乙酸酮基化反應時發現,MgO堿性較強,當反應溫度低于220 ℃時易形成羧酸鹽,遵循體相反應路徑;而隨著反應溫度的升高,乙酸在MgO上先吸附形成中間體,此時反應又遵循表面催化反應路徑。Zeng等[19]在棉花秸稈熱解過程中引入MgO基催化劑(MgO和MgO-K2CO3)并考察了其脫氧效果,結果表明:與非催化熱解相比,MgO-K2CO3催化熱解過程中酸類物質的選擇性由21%降低至2%,而酮類產物的選擇性則由16%提升至29%。Lu等[20]以CaO為催化劑催化熱解楊木,不僅降低了酸類產物含量,同時還促進了酮類產物的生成。此外,Lin等[21]研究發現CaO與白松熱解過程中形成的羧基產物發生反應生成羧酸鈣,產物中酸類物質的選擇性大幅下降(其中乙酸由10.40%降低至1.41%)。
羥醛縮合反應是指具有α氫原子的醛或酮形成的烯醇化合物,與羰基化合物發生加成反應生成β-羥基醛或β-羥基酮,之后進一步脫水生成α,β-不飽和羰基化合物的反應[22],見式(1)和(2)。
(1)
(2)
生物質熱解產物中含有大量的醛酮類小分子物質(C1~C5),可參與多種羥醛縮合反應,通常會產生C4~C8的縮合產物。例如,丙酮可通過羥醛縮合反應生成亞異丙基丙酮,兩個乙醛通過羥醛縮合反應生成(z)-巴豆醛[10]。二羰基類化合物甚至可通過分子內的醇醛縮合反應生成更穩定的五元或者六元非飽和環酮產物,如圖2所示,2,5-己二酮通過分子內醇醛縮合反應生成3-甲基-2-戊烯-1-酮。

圖2 2,5-己二酮的分子內羥醛縮合反應[10]
Case等[23]研究發現采用干混法對纖維素進行負載CaO預處理,有利于生成甲基環戊烯酮等環酮類產物,并推測是由于CaO的引入促進了環化和脫水反應。Kalogiannis等[10]證實了環戊烯酮、環己烯酮以及相關環酮類衍生物也是MgO催化熱解生物質,使之發生羥醛縮合反應,生成的主要產物。Lin等[21]也發現了CaO催化熱解白松有利于環戊烯酮類產物的生成,其選擇性由1.15%提升至3.46%。


圖3 β-D-吡喃葡萄糖(a)和纖維素(b)熱解的開環反應[24-25]
Lu等[20]發現與楊木的普通快速熱解相比,加入CaO顯著降低了產物中糖類產物的含量,增加了環戊酮、烴類等小分子化合物的產率,說明CaO促進了吡喃環結構物質的斷裂。Chen等[26]研究表明,CaO可以促進左旋葡聚糖(LG)等脫水糖類物質發生開環反應,生成呋喃、醇和酮類等小分子產物。Case等[23]也證實了CaO催化熱解纖維素的產物中LG等脫水糖類物質的消失。Yuan等[27]通過實驗表明,MgO也具有相似的催化作用,通過開環反應顯著降低了脫水糖類產物產率。
側鏈斷裂反應是指木質素苯環支鏈上的醚鍵發生斷裂生成小分子物質和酚類產物的反應[28]。如圖4所示,愈創木酚類衍生物的苯環上的甲氧基發生了斷裂,并伴隨著從愈創木酚的苯氧自由基開始的異位重排,最終生成兒茶酚類衍生物以及CH4和CH3OH等小分子產物[29]。

圖4 愈創木酚類衍生物的側鏈斷裂反應[29]
Chen等[26]研究了CaO催化熱解木質素的特性,發現CaO有利于木質素熱解過程中自由基反應的發生,促進酚類支鏈的斷裂,提高單羥基酚類和烴類產物的產率。Che等[30]也發現CaO的加入可以有效促進分子質量較大的酚類物質O—C鍵的斷裂,降低了熱解產物中含甲氧基酚類化合物的產率,促進芳烴和CH4的生成。
綜上,在生物質快速熱解過程中,引入特定的堿土金屬氧化物基催化劑可以促進多類反應的發生,具體包括:1)促進綜纖維素熱解形成的低聚糖和木質素熱解形成的低聚物發生裂解,以及脫水糖類產物的開環和酚類物質支鏈的斷裂[31],從而形成低分子質量的熱解產物;2)促進羧酸類產物的酮基化反應,生成酮類化合物以及CO2和H2O[5];3)促進醛酮類物質的羥醛縮合反應,生成不飽和羰基化合物和H2O[5];4)促進CO2與催化劑反應生成碳酸鈣(CaO基催化劑)[32],促使反應朝CO2生成的方向進行,進一步強化脫氧。
2.1.1CaO和MgO催化劑 作為典型堿土金屬氧化物,CaO和MgO在催化熱解過程中可以有效促進脫氧反應,而且CaO本身還是一種良好的高溫CO2吸附劑[11],因此其在改善生物油品質方面受到廣泛重視[13]。Wang等[9]利用熱重-傅里葉紅外聯用(TG-FTIR)技術研究了CaO對玉米芯熱解的影響,結果表明:在熱解過程的兩個主要失重階段中,CaO的催化作用使第一失重階段(235~310 ℃)的溫度范圍變窄,并且第二失重階段(650~800 ℃)中CaO吸收了較低溫度下玉米芯熱解產生的CO2;同時,CaO促使熱解產物分布發生了巨大的變化,烴類物質的摩爾分數提高了19.83%,而酸類物質的摩爾分數降低了75.88%。Han等[12]利用TG-FTIR對CaO催化熱解麥秸的過程進行了更深一步的研究,發現在第二失重階段(580~730 ℃)中,CaO的添加不僅有利于吸收熱解氣中CO2,還能抑制CO和CH4的生成,并促進焦油還原反應的發生。
由于TG-FTIR技術無法對含相同官能團的不同有機物做更深層次的分析,Yuan等[27]利用快速熱解-氣相色譜/質譜聯用(Py-GC/MS)技術研究了MgO對稻殼熱解的催化作用,結果表明:MgO顯著抑制了含氧化合物(如醇類、酚類)的生成,提高了烴類物質的產率,但生物油中烴類含量依然很低。Veses等[33]采用CaO基催化劑(CaO以及CaO與MgO的混合物)催化熱解松木,不僅實現了CO2的有效固定,而且提高了生物油的pH值和熱值。此外,Park等[34]通過在CaO制備過程中加入添加劑MgO,有效抑制了CaO在吸附和再生過程中的凝聚和燒結。但是,在催化熱解過程中,由于脫氧方式是以生成H2O和CO2為主,且提高了生物質的傳熱效率,因此堿土金屬氧化物的添加會降低生物油的產量[13]。Wang等[35]研究了CaO催化熱解玉米秸稈過程中三相產物的產率變化,在催化作用下,熱解炭的產率提高,生物油的產率下降,且生物油中水分含量依然偏高,而有機物含量較低。總的來說,典型堿土金屬氧化物會促進熱解過程中含氧中間體向著生成CO2的方式脫氧[36],同時又可以作為吸附劑來固定CO2,使氫元素得到較大程度的保存,從而提高生物油的氫碳比和pH值。
2.1.2基于堿土金屬氧化物的分子篩催化劑 針對單一堿土金屬氧化物催化熱解制備的生物油熱值相對較低、醛類化合物較高等問題,將堿土金屬氧化物與分子篩催化劑結合,形成基于堿土金屬氧化物的分子篩催化劑。通過催化協同作用能夠有效地降低生物油的含氧量,并增加芳烴的含量[37],從而改善生物油的品質。目前,采用的協同方式主要包括分層布置、直接摻混和負載。
Ding等[38]使用CaO和HZSM-5為催化劑填充雙層床料(CaO層靠近原料)對木聚糖和低密度聚乙烯進行非原位催化共熱解,熱解產生的酸首先在CaO的作用下轉化為酮,進而在HZSM-5的催化作用下轉化為芳烴。這種方式在一定程度上緩解了HZSM-5的積炭問題,提高了催化劑活性和壽命,將芳烴產物的選擇性由27%(僅HZSM-5催化)大幅提高到40%。Wang等[39]也證實CaO和HZSM-5雙床層催化系統能夠有效抑制酸類等物質的生成,提高生物油中芳烴和烯烴類產物的含量,增加生物油的氫碳比和熱值。
還有學者研究了CaO和分子篩直接摻混對生物質熱解的影響。Zhang等[40]以小球藻多糖為原料,通過TG和GC/MS研究了CaO和HZSM-5混合催化劑對生物油產率和化學組成的影響,結果表明:與CaO相比,混合催化劑不僅降低了呋喃類化合物的選擇性,而且顯著地抑制了CO等含氧氣體的生成。Rahman等[41-42]研究了HZSM-5和CaO摻混比對非原位催化熱解松木制備生物油的影響,結果表明:隨著混合催化劑中CaO含量的增加,芳烴產率有一定程度的下降,而酚類化合物產率卻隨之增加。Liu等[37]也得到了相似的結論,并且發現當CaO和HZSM-5的質量比為1 ∶4時,芳烴產物的產率可達35.77%,比僅使用HZSM-5時提高了17%。
然而,簡單的直接摻混并不能充分地提高堿土金屬氧化物的催化性能,有學者通過濕混法將堿土金屬氧化物負載于分子篩,即將兩者在溶液中均勻混合后,再經烘干和高溫焙燒。以這種方式制備的催化劑可以進一步提高協同作用和芳烴產物的產率。Sun等[43]采用濕混法制備了CaO/ZSM-5催化劑,發現其可以顯著降低反應活化能,有效促進生物質的熱轉化。Zheng等[44]也證實,以CaO/HZSM-5為催化劑,能夠大幅提高生物質的轉化率,在最佳工況條件下,熱解產物中甲苯和二甲苯的選擇性分別為27%和35%。
堿土金屬氧化物和分子篩協同作用不僅可以調整分子篩的活性,避免熱解產物過度裂解,提高生物油中有機化合物含量,還可以有效地抑制積炭的生成[45],使得熱解過程中酸類物質減少,促使揮發分更易向芳烴進行轉化[6]。
2.1.3基于堿土金屬氧化物的活性炭催化劑 活性炭(AC)具有發達的微孔結構、較大的比表面積以及豐富的表面官能團,具備良好的吸附特性和表面化學特性,通常作為催化劑載體,可以減少催化劑的中毒現象。將堿土金屬氧化物和活性炭結合,形成基于堿土金屬氧化物的活性炭催化劑,通過兩種組分的協同作用,有利于提高催化劑性能,提升生物油的品質。
Chen等[46]將AC與CaO進行機械混合,并用于杜氏鹽藻的微波催化熱解實驗,考察混合催化劑對熱重特性的影響。結果表明:CaO可以提高微波熱解的總失重率,但同時會抑制熱解速率;而使用混合催化劑時,由于AC高度發達的孔隙結構,具有很強的吸收微波能力,能夠顯著提高杜氏鹽藻的熱解速率。除機械混合外,有研究者用AC負載的堿土金屬氧化物催化劑對生物質進行催化熱解研究。Ryu等[47]將MgO負載于AC并對木質素進行催化熱解,發現MgO/AC具有較大的比表面積和孔隙體積,其酸堿性強度適中不易失活;相比于MgO而言,MgO/AC能夠增加產物中芳烴的產率,并且抑制含氧化合物和不飽和脂肪烴的生成。
2.1.4其他催化劑 為了提高生物油熱值和品質,也有學者通過活性金屬鹽浸漬或制備二元復合金屬氧化物來提高堿土金屬氧化物基催化劑的催化性能,如Ni/CaO、Fe/CaO和鎂鋁復合金屬氧化物等。Vichaphund等[48]基于浸漬法采用硝酸鐵和硝酸鎳對工業廢石灰進行改性,經煅燒后分別制備了Fe/CaO 和Ni/CaO兩種催化劑,并考察了其用于催化熱解麻風樹屑的性能,研究表明:Fe/CaO和Ni/CaO催化劑均可以在減少醛類生成的同時提高對脂肪烴的選擇性,當以Ni/CaO為催化劑時,烴類產物選擇性可高達47.5%。Xu等[49]采用等體積浸漬法制備了Ni/CaO催化劑,發現Ni的加入可以有效增強對CO2的吸附,顯著提高生物油的低位熱值。此外,在降低酸類物質生成、促進酚類物質支鏈斷裂以及提高呋喃類和烴類物質產率等方面,Fe/CaO催化劑比CaO具有更強的促進作用[50]。二元復合金屬氧化物通常采用先合成水滑石然后再焙燒的方法制備,具有不同于單金屬氧化物成分的催化性能,不同的金屬比例會導致催化熱解產物的不同分布[51-52]。Kim等[53]制備了鎂鋁復合金屬氧化物催化劑,并應用于纖維素催化熱解,結果表明:與MgO相比,所得生物油的氧含量較低,且呋喃類產物的產率大幅提高。
表1匯總并總結了催化劑類型對催化熱解生物質的催化效果的影響。

表1 堿土金屬氧化物基催化劑催化熱解生物質的實驗研究
2.2.1生物質原料 原料是影響生物油化學組成和產率的主要因素。木質纖維類生物質原料主要是由纖維素、半纖維素和木質素組成,3種組分熱解特性差異較大,且在熱解過程中存在交互作用。因此,不同的生物質原料由于組分含量和化學結構的不同,其熱解特性勢必也存在差異[54]。為獲得高品質的生物油,學者們以不同的原料開展了堿土金屬氧化物基催化劑催化熱解實驗,研究發現以松木為代表的木本植物熱解產物中烴類和酚類含量較高[30,44],而以玉米秸稈為代表的禾本植物催化熱解產物中酮類和呋喃類產物較多[39],這是由木本植物的木質素含量較高所致。因此,以木本植物為原料所制備的生物油具有更高的氫碳比和熱值。
2.2.2熱解溫度 溫度對催化劑催化性能以及生物油產率和化學組成的影響最為明顯[55],隨著溫度升高,催化劑的脫氧作用增強,生物油的產率也會發生相應變化。Chireshe等[56]采用響應曲面法研究了催化劑類型(CaO和MgO)和熱解溫度(444~656 ℃)對生物油熱值和品質的影響。結果表明:與非催化相比,MgO和CaO可將生物油高位熱值(HHV)提高20%以上,并且隨著熱解溫度的升高,HHV均先增后降,這是因為過高的溫度不利于酮基化反應的進行,卻促進了脫甲基和脫氫等其他反應,導致大分子有機物的催化裂解,釋放大量的烷烴和H2,使得生物油品質降低;當熱解溫度為500~560 ℃時,所制備生物油的HHV最高,為26.9 MJ/kg。Zheng等[44]考察了不同溫度(450~650 ℃)對CaO/HZSM-5性能的影響,結果發現:當熱解溫度較低(450 ℃以下)時,由于傳熱傳質的限制,使含氧化合物聚合并附在HZSM-5的表面,造成催化劑表面結焦失活;而較高的熱解溫度(650 ℃以上)則會促進二次裂解反應發生,生物油產率降低,不凝結氣體產率增加。綜合分析,堿土金屬氧化物基催化劑催化熱解生物質的適宜溫度為500~600 ℃。
2.2.3催化劑用量 催化劑用量是影響生物油產率和化學組成的另一個主要因素。Chireshe等[56]研究表明隨著催化劑用量的增加,可以促進脫氧反應,HHV隨之增加,但催化劑用量增加一定程度之后,HHV反而開始降低,這是因為過量的催化劑會促進脫甲基和脫氫反應的發生,使得生物油品質降低。Chen等[13]考察了CaO用量對生物質原位催化熱解的影響,結果表明:當CaO與生物質的質量比在0.2~0.4時,熱解產物的成分開始發生明顯變化,氫氣含量增多而CO2含量急劇減少;當CaO與生物質的質量比大于0.4后,生物油中酯類產物開始降低,呋喃類產物和烴類產物相應地增加。
2.2.4停留時間 停留時間對生物油的產率和化學組成同樣具有很大的影響。在生物質熱解過程中,熱解氣在反應器內所停留時間越長,二次裂解反應越劇烈,導致生物油產率越低。王敬茹等[57]研究了不同停留時間對玉米秸稈熱解的影響,結果發現:當停留時間從0.2 s提高至1.8 s內,氣體的產率由37.9%增加至54.3%,延長停留時間促進了熱解氣中焦油組分的催化裂解反應和水煤氣反應,提高了H2的產率和焦油的轉化率。Wang等[58-59]研究發現較長的停留時間有利于ZSM-5催化熱解生物質過程中的脫氧效果,獲得更多的輕質烴類化合物,但同時會帶來生物油的產率和品質降低的問題。
根據催化劑的放置位置,可分為原位和非原位催化熱解兩種方式。與原位催化方式相比,非原位催化過程中催化劑與原料沒有直接接觸,可以防止原料中無機殘留物對催化劑活性位點的毒化,使其使用壽命更長且更易于回收,有效降低了催化熱解成本[56]。還有研究發現:由于反應溫度不均勻導致催化劑與原料接觸較差,原位催化方式脫氧率較低(23%);而在非原位催化方式下,相同催化劑的脫氧率為31%,非原位催化熱解的脫氧性能明顯優于原位催化方式[60]。
催化劑失活是制約生物質催化熱解制備生物油經濟性的重要影響因素。催化劑失活的原因主要有兩種:1) 催化劑表面因積炭導致失活,可通過焙燒碳質沉積物而再生;2) 在催化熱解和再生循環過程中因燒結或中毒導致失活[61]。為提高堿土金屬氧化物基催化劑抗失活和循環使用性能,目前主要通過改進制備工藝和引入酸性物質(如Al2O3和分子篩)改善催化劑表面的酸堿度等方法。Li等[62]在CaO制備過程中加入KMnO4,所得催化劑在焙燒后具有更大的氣孔,且氣孔相互連接形成網絡,有利于CO2在催化劑內部的擴散,提高了CO2的捕集效率;此外,摻雜KMnO4制備的CaO具有更強的熱穩定性,內部的孔道受循環使用次數的影響較小,顯著提高了其循環使用壽命,降低了新鮮催化劑的用量。Yi等[63]研究發現采用有機鈣前驅體制備的CaO具備更大的孔徑(10~100 nm),遠大于以Ca(OH)2等傳統前驅體所制備CaO的孔徑(3~5 nm),這有利于大分子含氧化合物進入內部,緩解在CaO表面的縮聚積炭,降低了表面堿性位點的強度和數量的損失,大幅提高催化劑的抗失活能力。Keshavarz等[64]研究發現,添加Al2O3有助于通過改變催化劑Al2O3/CaO的表面堿度,以抑制催化熱解過程中CaO表面積炭的形成。然而,較高的比表面積和適宜的表面堿度雖有利于堿土金屬氧化物基催化劑對熱解產物品質的提升,但循環利用過程中的熔融現象會降低催化劑的比表面積并覆蓋活性位點,從而降低其循環使用壽命和催化性能。Fermoso等[65]研究了ZSM-5分子篩負載MgO在快速催化熱解過程中的性能,結果表明:雖然MgO在ZSM-5分子篩載體上的分散度很高,但仍造成了ZSM-5部分孔道的堵塞,使分子篩載體酸性發生了很大的變化,Br?nsted和Lewis酸的濃度均大幅降低,避免了熱解產物的過度裂解,提高了生物油中有機化合物的產量,并減少了多環芳烴和焦炭的形成。此外,堿土金屬氧化物在分子篩載體表面的沉積,還形成了新的堿性位點,提高了催化劑的抗積炭性能[66]。
總的來說,為了提高催化劑循環效率和使用壽命,使用有機金屬化合物前驅體制備的堿土金屬氧化物和基于堿土金屬氧化物的分子篩或活性炭催化劑,可以提高催化劑的抗積炭性能,增加其循環使用壽命。
堿土金屬氧化物基催化劑因具有脫氧能力強、價格低廉、容易獲得等特點,在生物質催化熱解制備高品質生物油過程中受到廣泛關注。基于現有的研究,堿土金屬氧化物基催化劑催化熱解生物質制備高品質生物油的技術可以從以下幾個方面進行優化:1) 在堿土金屬氧化物基催化劑的制備過程中,前驅體的選擇非常重要,因其結構會直接影響堿土金屬氧化物催化劑的孔隙結構和催化性能。以有機金屬化合物為前驅體,可提高催化劑的比表面積和抗積炭性能,延長其使用壽命;2) 單一堿土金屬氧化物的脫氧效率相對較低,熱解所得生物油品質仍有待提高。基于堿土金屬氧化物的復合催化劑,可以有效地提高生物油中芳烴或酚類化合物的含量;3) 在催化熱解提升生物油的品質時,會不可避免地造成生物油產率的降低,因此今后還需對熱解設備和工藝進一步優化改進,以實現對生物油產率和品質的可調可控。