《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Recent developments and progress on thermal pyrolysis of biomass towards high quality bio-oil: Mechanisms, comparison of conventional and recent technological advances and the potential of using non-lignocellulosic biomass as feedstock
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本综述系统阐述了生物质热解制取生物油的技术前沿，聚焦于提升生物油产量与品质的机理、工艺优化及创新反应器（如流化床、烧蚀式）设计。文章深入探讨了木质纤维素与非木质纤维素（如藻类、污泥）两类原料的热解特性，分析了微波辅助热解（MAP）、太阳能热解（SPP）等先进技术及机器学习（ML）/AI在产率预测中的应用。同时，详述了生物油因高氧（O）高水（H2O）含量导致的低热值（HHV）、高酸度、不稳定性等关键挑战，并综述了物理与化学提质升级策略。本文为开发生物油作为替代化石燃料的高品质能源与化学品指明了研发方向与产业化潜力。
生物质热解：通往可持续能源与化学品的关键路径
化石燃料的持续消耗及其对环境的负面影响，加速了人类向可再生资源——生物质的探索。作为一种废弃资源，生物质通过热解技术可转化为能源。热解是在无氧（O2）条件下对生物质进行高温（500–900°C）热分解，主要生成生物油、沼气和生物炭。其中，生物油作为一种复杂的液态混合物，被视为替代传统燃料的潜力候选，但因其高氧含量、高水分、高酸度、低热值（HHV）及化学不稳定性，必须经过提质升级才能成为具有燃料特性或富含高价值化学品（如酚类）的高品质产品。
生物质原料的多样性：从木质纤维素到废弃油脂
生物质原料主要分为木质纤维素和非木质纤维素两大类。前者包括林业和农业残余物（如木材、秸秆），其主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。研究显示，原料的组分显著影响产物分布。例如，高灰分和高半纤维素含量会促进焦炭和气体生成，从而降低生物油产率。非木质纤维素生物质则包括藻类、市政污泥（SS）、畜禽粪便和废弃油脂等。这类原料通常富含脂质、蛋白质，其热解产生的生物油可能含有较高的硫（S）和氮（N），带来腐蚀和排放问题，但其作为废弃资源利用的价值日益受到关注。
热解工艺类型：瞄准目标产物的精准调控
根据加热速率、温度和停留时间，热解可分为慢速、中速、快速和闪速热解。慢速热解以生产生物炭为主；而快速和闪速热解则旨在最大化生物油产率。催化热解通过在反应体系中引入催化剂（如H-ZSM-5、Ni基催化剂），可有效促进脱氧反应，提高生物油中烃类和酚类化合物的选择性，从而显著提升其热值和品质。
反应器技术：从固定床到前沿的烧蚀式反应器
反应器的选择对热解效率和产物品质至关重要。固定床反应器（PBR）结构简单但存在温度不均的问题。流化床反应器（FBR）及其子类（如鼓泡流化床BFBR、循环流化床CFBR、锥形喷动床CSBR）通过强化颗粒混合与传热，能实现更高的生物油产率。螺杆反应器（AR）则能灵活处理不同形状和尺寸的原料。近年来备受关注的烧蚀式反应器（ABR）允许使用大尺寸原料，通过将生物质压向高温壁面实现快速热解，展现了独特的优势。
生物油的局限性与提质升级策略
原生生物油的性质使其难以直接用作运输燃料。与柴油相比，其氧含量高达35–40%，水分含量15–35%，pH值低（2–3.7），热值仅15–20 MJ/kg，且粘度高、稳定性差，易发生“老化”。为了满足工业燃烧器（如ASTM标准）甚至车用燃料的标准，必须对生物油进行提质。物理提质方法包括过滤、离心、溶剂萃取等，旨在去除固体颗粒、水分并分离高价值化学品。化学提质方法则更为深入，如催化加氢脱氧（HDO）、催化裂化和酯化等，核心目标是降低氧含量，提高H/C比，从而改善其燃料特性。
前沿技术：微波、太阳能与人工智能的融合
为了克服传统电加热热解能耗高、碳排放大的缺点，先进热解技术应运而生。微波辅助热解（MAP）利用微波对生物质进行选择性体内加热，升温迅速、能耗低，且能改善生物油品质。太阳能热解（SPP）则直接利用聚光太阳能作为热源，是一种极具前景的零碳排放热解方式。尽管这些技术目前面临设备投资高和放大挑战，但其环境效益显著。此外，机器学习（ML）和人工智能（AI）工具正被用于建立模型，预测不同原料和工艺条件下的生物油产率与性质，为工艺优化和放大提供了强有力的数据驱动手段。
结论与展望
生物质热解技术是将废弃生物质转化为高价值能源和化学品的关键桥梁。通过深入理解热解机理、优化反应器设计、开发高效催化剂以及集成微波、太阳能等绿色能源，我们能够持续提升生物油的产量与品质。同时，利用人工智能进行过程模拟与预测，将加速该技术从实验室走向工业化应用的进程。尽管在反应动力学认知、催化剂失活、技术经济性等方面仍存在挑战，但生物质热解作为实现碳中和与资源循环利用的重要途径，其发展前景广阔。
