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农业废弃生物质转化利用技术的研究进展

摘要：农业废弃生物质的合理利用，对降低环境污染、缓解能源危机具有重要意义。简述了国内外农业废弃生物质的转化利用技术，主要包括热解、液化（直接液化和间接液化）和超临界转化等，介绍了生物质加氢转化过程中催化剂的开发与应用，分析了各类转化技术在利用过程中的难点和问题,提出了温和条件下选择性转化生物质中有机质的新工艺，并对生物质的高附加值清洁利用进行了展望。

随着能源与化学品需求量的增加、化石能源的日益减少及它们作为能源利用带来的环境污染等问题，人类迫切需要寻找和开发新的可再生资源以促进生存和持续发展[1]。生物质作为分布广泛的清洁可再生资源，利用空间前景极为广阔，而农业废弃生物质是生物质能源中可以高效利用的重质碳资源之一，具有重要的利用价值[2]。开发合适的热化学转化技术，提高农业废弃生物质的增值化低碳化利用，形成农业废弃物高附加值利用的产业链，实现碳达峰和碳中和的绿色发展方式，具有深远的战略意义和重要的现实意义。

我国是个农业大国，农业废弃生物质数量大且分布广。农作物秸秆是一类典型的农业废弃生物质资源，诸如稻秆、麦秆、玉米秆和蔗渣等秸秆类废弃物在生物质资源中占很大的比重[3]。我国每年有大量的农业废弃物被就地焚烧，造成资源的极大浪费，且燃烧过程产生大量的烟雾、COx、NOx和SOx，严重污染环境。因此，利用合适的转化技术将农业废弃生物质转化为高附加值化学品和可替代化石燃料的高品质液体燃料是十分重要的可再生能源技术，可望让农业废弃物“变废为宝”，是解决后化石资源时代能源、材料和化学品短缺的重要途径。

近年来，将农业废弃生物质转化成含氧有机小分子化学品、生物燃料、液体燃料以及高附加值化学品的研究越来越受到化学工作者的关注。本文对当前农业废弃生物质转化利用技术的研究进展进行简要综述，并提出在温和条件下选择性转化生物质中有机质的新工艺，以期为后续农业废弃生物质定向转化提质提供可靠的理论支撑。

一、农业废弃生物质简介

废弃生物质是对用于生物质原料废弃物的统称，来源丰富成本低廉。农业废弃生物质的主要成分为木质纤维素，基本组成部分包含纤维素、半纤维素和木质素。从化学组成来看，木质纤维素分子主体之间通过复杂的物理缠绕、氢键/π-π复合和范德华力等相互连接，有机质大分子结构中通过不同类型的C-O桥链连接大量芳环，典型的化学键类型包括β-O-4、β-β、β-5、β-1、5-5等，组成结构十分复杂（图1），农业废弃生物质高值化利用研究的难点就在于其组成结构的复杂性和不确定性。

表1列出了作物秸秆（稻秆、麦秆、玉米杆和甜高粱杆）、蔗渣和玉米芯等的化学组成及含量[4]。了解生物质的组成结构特征，对于实现生物质的资源和能源化综合利用、开发生物质高附加值利用技术新工艺、获取增值下游产品具有十分重要的意义。

二、农业废弃生物质综合利用现状

我国的农业废弃生物质主要作为一次能源使用，大多用于直接燃烧发电和燃气生产，部分用于合成气、发电及制备生物燃料等，这些利用方式效率低、成本高、污染严重，难以大规模工业化。除作为一次能源使用外，现有的生物质利用技术包括热解、液化（直接液化和间接液化）和超临界转化（热溶）。生物质转化利用技术如图2所示。

1.热解

生物质热解特别是快速热解是获取生物油的有效手段[5]。传统的慢速热解反应温度高（400-700℃），时间长，能耗高，结焦严重。主要得到生物焦（半焦）和热解气，其中液体产物的收率一般低于20%且水和酸性成分的含量很高，主要用于制备活性炭类固体材料。快速热解和闪热解过程中所得的液体产物收率可高达50-80%，但存在反应温度高、对设备安全性要求苛刻等问题。实验装置多采用流化床类反应器，可显著提高热解转化率、产物收率和传质传热效率等。热解所得液体产物中富含醇、醛、酮和羧酸类化合物及水分，难以直接作为液体燃料利用，需要通过进一步催化加氢脱氧提质和快速富集分离才能获得液体燃料和高附加值化学品[6]。一般来说，生物质热解转化过程主要涉及解聚、脱水、脱氧、芳构化、异构化、脱羧和结焦等一系列复杂化学反应，故而导致所得液体产物的组成十分复杂，不利于后续的提质分离和利用。

2.液化

生物质液化包括直接液化和间接液化，其目的是通过化学转化方式将低品位固体燃料形式的生物质转化成高品位液体燃料或增值有机化学品的工艺过程。直接液化即通过高温反应将固体作物秸秆置于耐高压设备中，使其转化为液体产物的过程，该液体产物作为生产高附加值化学品的原料利用得天独厚。间接液化（即先通过气化生成合成气，再将合成气催化转化为液体燃料）是先通过气化反应将生物质转化为合成气（CO和H2），合成气再经费托合成低碳烷烃或者烯烃等液体燃料，也可通过催化转化合成甲醇。间接液化的