锯末变航空燃油：常压催化加氢热解开启生物质转化新篇

为解决生物质热解制生物航空燃油（BJF）过程中催化剂易失活、产物选择性低等问题，研究人员开展了通过常压催化加氢热解（CHP）将锯末转化为 BJF 前驱体的研究。结果表明该方法有效，为生物质转化提供新途径。

　　在当今能源领域，传统化石燃料日益枯竭，寻找可持续的替代能源成为全球关注的焦点。生物质作为一种丰富的可再生资源，将其转化为生物航空燃油（Bio Jet Fuel，BJF）备受瞩目。然而，生物质热解制备 BJF 面临诸多挑战。一方面，用于热解蒸汽升级的催化剂容易因原位生成的焦炭沉积在活性位点而失活，导致催化剂通道和孔隙堵塞，影响反应效率和产物质量；另一方面，如何提高热解产物对 BJF 的选择性，同时保证整个过程的高效性和稳定性，是亟待解决的难题。在这样的背景下，开展相关研究对于推动生物质能源的有效利用、减少对化石燃料的依赖具有重要意义。

为了攻克这些难题，研究人员进行了一系列探索。他们开展了通过常压催化加氢热解（Catalytic Hydropyrolysis，CHP）过程将锯末直接转化为生物航空燃油前驱体的研究。研究结果表明，采用由保护催化剂（Guard Catalyst，CatG）和加氢转化催化剂（Hydroconversion Catalyst，CatH）组成的催化剂床，能够有效提高锯末热解蒸汽转化为 BJF 的选择性。该研究为生物质转化为航空燃油提供了新的技术路线和理论依据，有助于推动生物质能源在航空领域的应用，对于实现能源的可持续发展具有重要意义。此研究成果发表在《Biomass and Bioenergy》上。

研究人员在实验过程中用到了多种关键技术方法。在催化剂制备方面，采用湿浸渍法制备加氢转化催化剂 Mo/TiO₂（CatH），并对商业 Beta 沸石进行脱硅处理得到保护催化剂（CatG）。通过氮吸附 - 脱附等温线、氨程序升温脱附、X 射线衍射、扫描电子显微镜等技术对催化剂的物理化学性质进行表征。在热解实验中，利用连续滴流床炉热解器与固定床催化反应器联用，在不同的热解气氛（N₂、H₂/N₂、air/N₂）、催化剂床温度（350°C 和 400°C）等条件下进行热解反应，并对热解产物进行全面分析。

研究结果主要分为以下几个部分：

1. 催化剂性质：对商业 Beta 沸石进行碱性脱硅处理后，保护催化剂（CatG1）的结构发生变化，总孔体积增加 13%，微孔体积减小，Si/Al 质量比降低 43%，但未改变其结晶度。CatG1 在四次再生和再应用后仍保持酸性位点活性，而加氢转化催化剂（CatH）在循环测试中酸位点有所损失。
2. 实验特征对锯末转化为 BJFs 的影响
   • 保护催化剂结构和催化剂床温度：相较于商业保护催化剂（CatG0），碱性预处理的 CatG1 促进了裂解反应，提高了对 BJF 的选择性。400°C 时使用 CatG1 作为保护催化剂，BJF 的生成量增加了 40%。降低催化剂床温度至 350°C，会导致热解液体产量下降，催化焦炭和含氧化合物气体产量增加。
   • 热解气氛：与 N₂气氛相比，H₂/N₂气氛下生成的含氧化合物气体减少，C1 - C7 烃类气体生成量提高 2.3 倍，且有机热解液体中脱氧化合物含量更高，对 BJF 的选择性比中性和氧化热解高约 6 倍。air/N₂气氛则使反应向生成二氧化碳和一氧化碳等碳氧化物气体的方向移动。
   • 催化剂活性位点与反应物的比例：当 CatG1 在总催化剂质量中的比例从 8% 增加到 17% 时，BJF 的产量显著提高约 50%；但进一步增加到 33% 和 50% 时，BJF 的选择性降低。综合分析得出，CatG1 与 CatH 的最佳质量比为 17/83 w/w%。
   
   
3. 催化剂再生和可重复使用性：在 550°C 氧化气氛下再生废催化剂，能够消除碳质物种并恢复催化剂活性。经过四次再生和再应用后，CatG1 和 CatH 的晶体结构保持不变，催化剂的活性和对 BJF 的选择性在多次再生后保持稳定，尽管第一次再生后催化活性损失了 41%，但后续三次再生中保持恒定。
4. 不同热解技术对锯末增值的碳效率：催化加氢热解（CHP）显著降低了热解有机液体的含水量，与热解（TP）相比，氧含量降低 61.39%，高热值（HHV）提高 68.67%，但总碳回收率降低。催化热解（CP）的碳回收率最高，达到 90.3 wt%，而催化氧化热解（COP）使热解气体中的碳化合物增加最多。

研究结论表明，通过合理设计催化剂和反应条件，采用保护催化剂和加氢转化催化剂的组合进行锯末的常压催化加氢热解是一种有效的生产 BJF 前驱体的方法。氢气在生物质转化为 BJF 的过程中起着关键作用，尽管 CHP 牺牲了一定的碳效率，但显著提高了热解液体的质量和对 BJF 的选择性，相比催化热解（CP）和催化氧化热解（COP），其生产 BJF 的效率分别提高了六倍和五倍。再生后的催化剂在四次循环使用中表现稳定，为该技术的实际应用提供了一定的可行性依据。然而，研究也存在局限性，如未进行更多次的循环测试。未来研究可利用内标或外标法对 GC - MS/FID 结果进行量化，为工艺建模提供更准确的数据支持，进一步推动生物质转化为航空燃油技术的发展和应用。