生物质规模化制备液体燃料和炭材料，是缓解我国石油对外依存度和碳减排压力的关键举措之一。生物质热解是规模化制备液体燃料和炭材料的有效途径，但目前该技术路径存在热解不可控、工艺路线长、核心反应装备落后等问题，产业化困难。东南大学、中国林业科学研究院林产化学工业研究所等合作完成的“生物质短流程可控热解制取高品质液体燃料和炭材料关键技术与应用”技术成果为解决这一难题带来了曙光，于近日获得了2024年度中国石油和化学工业联合会科技奖科技进步一等奖。
该成果是由东南大学肖睿教授领衔的项目组，历经近二十年的技术攻关开发完成。首先，技术团队建立了基于有效氢碳比调控的生物质可控热解技术。他们发现了热解过程含氧自由基缩聚成炭的关键链式诱导效应，明晰了氧—碳自由基的交换机理和相互作用，揭示了以碳中心偶联含氧自由基缩聚机制。项目团队还建立了通过废弃富氢原料与生物质共热解提高有效氢碳比抑制缩聚、通过生物炭回喷增炭促进大分子焦油缩聚成炭等基于有效氢碳比的调控技术。热解蒸汽中重质焦油含量降低10倍以上，轻质羰基化合物含量增加2倍，生物炭产率提高40%。
其次，技术团队独创了热解油蒸气和热解炭短流程原位提质新技术。他们独创了利用热解油蒸气活泼含氧羰基原位偶联增碳和催化分级脱氧异构新技术，高效合成生物航油直/支链组分，碳产率达28%。技术团队基于氧位置与燃烧特性的相互关系进行燃料设计，将热解油蒸气中氧从支链定向转移至主链制备长链醇醚类含氧燃料，添加10%到柴油中可减少60%以上碳烟排放。他们还创制了具有“吸氧”功能的氧空位多级孔道催化剂，实现对含氧基团的定向调控，发现了高温下含氧自由基快速刻蚀热解炭的作用机理，首创利用自产二氧化碳和水活化热解炭新方法。与传统工艺相比，该方法活化时间缩短了10倍，活性炭制备成本降低60%以上。
最后，技术团队创制了生物质紧凑式一体化装备。他们发明了反应器分区耦联一体化构建新方法，通过颗粒在不同反应区循环流动与反应，将不同反应耦合集成，实现了可控热解—热解炭自活化和热解油蒸气原位催化转化制备高品质液体燃料等一体化工艺。技术团队还开发了高速射流、热炭循环等流动—传热—反应耦合强化技术，提高了反应效率和单位体积处理能力，反应器结构更加紧凑。据此，技术团队创制出适合不同场景的单床流化床内循环、双流化床外循环等多种类型紧凑式一体化反应装备，并形成系列化产品，进而研制出热解移动车，建立了“分散处理、集中精制”新模式，破解了生物质收储运难题。
石化联合会组织的专家鉴定显示，该项目整体技术达到国际先进水平，其中生物质定向热解制备生物航油和醚酯类含氧燃料、内循环串行床反应器技术处于国际领先水平。截至目前，该项目成果获授权发明专利71件，其中美国专利2件；牵头制订行业、团体标准5项，发表论文200余篇。项目成果在江苏、安徽、河南等20多个省份实现了产业化应用，并推广到捷克、西班牙等8个国家，建成生产线19条，每年可转化生物质320余万吨，减排二氧化碳520余万吨。液体燃料和炭材料产品已经应用到能源、储能、化工等多个领域，推动了我国生物质高值化利用产业化进程。
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