管道水力输送木质纤维素生物质的水热液化制取生物燃料：工艺优化与产物特性研究

本研究针对生物质大规模运输成本高和传统转化技术能耗大的双重挑战，创新性地将管道水力输送技术与水热液化（HTL）工艺相结合，通过响应面法优化关键参数（水料比15、温度294°C、初始压力3.2 MPa），实现生物原油产率31.34%和能量回收率46.18%，为第二代生物燃料的工业化生产提供了技术集成新范式。

　　

在全球碳中和目标的推动下，生物燃料作为交通领域脱碳的关键解决方案备受关注。然而，传统生物质运输依赖卡车运输，成本占比高达总成本的44%，且第一代生物燃料存在与粮争地的伦理争议。更棘手的是，现有生物质转化技术面临两难困境：湿法生化转化需要复杂的预处理，而热化学转化又需耗能干燥。这些瓶颈严重制约了木质纤维素等第二代生物原料的大规模应用。

加拿大阿尔伯塔大学（University of Alberta）的研究团队独辟蹊径，提出将管道水力输送与水热液化（Hydrothermal Liquefaction, HTL）技术联用的创新方案。他们发现管道运输后生物质含水率高达70-82%，恰好契合HTL技术直接处理湿物料的特性。通过五因素三水平中心复合旋转设计实验，研究人员系统考察了水料比（5-15）、温度（250-350°C）、初始压力（2.1-4.1 MPa）、停留时间（0-30 min）和粒径（0.381-0.860 mm）的交互影响，最终在《Biological Psychiatry Global Open Science》发表的研究成果揭示了技术集成的可行性。

研究采用三大关键技术：1）模拟管道运输的24小时生物质水饱和预处理；2）响应面法（RSM）优化HTL工艺参数；3）联合GC-MS（气相色谱-质谱联用）和热重分析（TGA）对生物原油进行全组分表征。实验使用250 mL高压反应釜，以丙酮为萃取溶剂，通过旋转蒸发和真空过滤分离产物，并采用元素分析仪、弹式量热仪等设备测定产物理化性质。

3.1 原料特性分析
北阿尔伯塔地区的云杉、松木等软木残渣经表征显示：纤维素含量55.8%，木质素28.9%，饱和吸水后粒径<0.381 mm的物料含水率高达78%。这种高含水特性使其成为HTL的理想原料。

3.3 工艺参数影响机制
水料比对产率起主导作用，从5增至15时生物原油产率提升181%，但会产生大量需处理的废水相。温度升高至350°C反而使产率下降45.4%，这与多数研究中"先升后降"的趋势不同，研究者归因于高温下二次分解反应加剧。

3.5 优化验证结果
最优条件（水料比15、294°C、3.2 MPa、0 min）下，实际管道运输物料的HTL转化获得31.34%产率，HHV达27.26 MJ/kg。模型预测与实验结果的误差<10%，证实了工艺可靠性。

3.7 生物原油组分
GC-MS分析显示产物含46%酚类化合物（如2-甲氧基苯酚）、38.57%棕榈酸等长链脂肪酸，以及呋喃衍生物。这些含氧化合物导致总酸值（TAN）高达194.5 mg KOH/g，需进一步催化提质。

3.8 物理特性
黑色蜡状生物原油具有7.5%低含水量（显著优于热解油）和1.6064折射率，但热重分析显示28.8%的残炭率，暗示其重质组分较多。

这项研究首次证实了管道水力输送与HTL技术集成的可行性，通过工艺优化使生物原油能量回收率达到46.18%。尽管产物需要后续提质处理，但该方案成功解决了生物质运输成本高和湿料处理难的双重痛点。特别值得注意的是，研究者发现水料比在技术集成中具有特殊重要性——这与传统HTL研究聚焦温度/压力的范式形成鲜明对比。该成果为构建"采收-运输-转化"一体化的生物燃料产业链提供了关键技术支撑，对实现交通领域碳中和目标具有重要实践意义。