生物質(zhì)資源能源化與高值利用研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景

王 芳，劉曉風(fēng)，陳倫剛，雷廷宙，易維明，李志合

·農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程·

生物質(zhì)資源能源化與高值利用研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景

王 芳1，劉曉風(fēng)2，陳倫剛3，雷廷宙4，易維明1※，李志合1

（1. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255000；2. 中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所，成都 610041；3. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510650；4. 河南省科學(xué)院，鄭州 450002）

生物質(zhì)是唯一能夠直接轉(zhuǎn)化為燃料的可再生能源，其開(kāi)發(fā)利用既可以彌補(bǔ)低碳能源的需求，減少環(huán)境污染，也是中國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的重要手段。該研究圍繞以秸稈為主的生物質(zhì)資源制備清潔能源和高值利用的總目標(biāo)，系統(tǒng)分析生物質(zhì)資源通過(guò)生物或熱化學(xué)等轉(zhuǎn)化途徑制備氣、液、固三相清潔能源的綜合利用技術(shù)和模式，重點(diǎn)論述厭氧消化制備生物燃?xì)?、水熱催化煉制醇烴燃料、裂解液化與生物油提質(zhì)和生物質(zhì)制備固體燃料4項(xiàng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與研究進(jìn)展。在4項(xiàng)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)中，厭氧消化制備生物天然氣工業(yè)化程度最高，由于其大都基于大型養(yǎng)殖場(chǎng)建立，可有效解決原料收集問(wèn)題，而且厭氧消化技術(shù)與沼氣凈化技術(shù)相對(duì)較為成熟，生物天然氣可直接作為燃料、電力和熱力來(lái)源供用戶使用；由于生物質(zhì)制備液體燃料中存在轉(zhuǎn)化過(guò)程成本較高、產(chǎn)物分離困難、提質(zhì)效率低、產(chǎn)品不穩(wěn)定等問(wèn)題，很難與當(dāng)前應(yīng)用端平穩(wěn)接軌，因此水熱催化煉制醇烴燃料、裂解液化制備生物油技術(shù)規(guī)?；l(fā)展水平較低；對(duì)于生物質(zhì)制備固體燃料，其成型技術(shù)較為成熟，配套爐具的研發(fā)也有效解決了成型燃料應(yīng)用端的問(wèn)題，其規(guī)?；瘧?yīng)用最大的難點(diǎn)在于原料的收集與存儲(chǔ)。文章最后對(duì)未來(lái)生物天然氣、生物質(zhì)液體燃料與固體成型燃料發(fā)展前景進(jìn)行展望，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生物質(zhì)資源高效制備清潔能源及高值利用提供借鑒。

生物質(zhì); 天然氣；碳減排；液體燃料；固體燃料

0 引 言

中國(guó)農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物總量為1.2×109t/a，量大面廣。傳統(tǒng)的粗放式管控，存在生態(tài)環(huán)境破壞與安全隱患等問(wèn)題，嚴(yán)重影響農(nóng)民生活質(zhì)量，阻礙“綠色宜居村鎮(zhèn)”和“美麗鄉(xiāng)村”的建設(shè)與發(fā)展，同時(shí)也造成資源浪費(fèi)。能源化、材料化、肥料化、飼料化和基料化等“五化”是處理生物質(zhì)的有效途徑，其中能源化是提升生物質(zhì)增量利用最有效、最現(xiàn)實(shí)的手段。生物質(zhì)是唯一能直接轉(zhuǎn)化為燃料的可再生能源，其開(kāi)發(fā)利用既能彌補(bǔ)能源需要，也是中國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的重要路徑[1]。

“碳中和”是指通過(guò)平衡或者消除CO2的排放，實(shí)現(xiàn)凈零CO2的排放，從而阻止其在大氣中濃度的增加而導(dǎo)致的全球變暖現(xiàn)象。到2020年，全球大氣中的CO2平均濃度已達(dá)到746.83 mg/m3，較1850年左右工業(yè)化前的512.88 mg/m3水平提升了45.6%。截至2021年2月，已有124個(gè)國(guó)家通過(guò)立法或承諾到2050或2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”，“碳中和”是人類共同發(fā)展的目標(biāo)，也成為人類發(fā)展的新約束[2]。因此，減少化石能源消耗，從源頭減少碳排放，用可再生能源替代化石能源是實(shí)現(xiàn)碳中和的根本途徑之一。生物質(zhì)不僅是一種重要的可再生能源，也是一種碳中性的載體[3]。生物質(zhì)蘊(yùn)含的碳能源是通過(guò)空氣中CO2和水通過(guò)光合作用形成的，直接利用生物質(zhì)原料通過(guò)各種轉(zhuǎn)化技術(shù)獲得國(guó)民經(jīng)濟(jì)中所需的能源，可以達(dá)到碳平衡，生物質(zhì)能技術(shù)的發(fā)展有利于建立良好的可持續(xù)性能源利用碳循環(huán)圈。開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)資源，可使其成為繼煤、石油、天然氣之后人類社會(huì)的第四大能源寶庫(kù)。

因此，無(wú)論從能源可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境改善方面，還是當(dāng)前“碳達(dá)峰”和“碳中和”國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方面，生物質(zhì)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用將會(huì)起到巨大促進(jìn)作用。本文圍繞以秸稈為主的生物質(zhì)資源制備清潔能源和高值利用的總目標(biāo)，系統(tǒng)分析秸稈資源通過(guò)生物或熱化學(xué)等轉(zhuǎn)化途徑制備氣、液、固三相清潔能源的綜合利用技術(shù)和模式。重點(diǎn)論述厭氧發(fā)酵制備生物燃?xì)?、水熱催化煉制醇烴燃料、裂解液化與生物油提質(zhì)和生物質(zhì)制備固體燃料四項(xiàng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與研究進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行展望，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生物質(zhì)資源高效制備清潔能源及高值利用提供借鑒。

1 厭氧消化制備生物天然氣

生物天然氣是以農(nóng)作物秸稈與畜禽糞污等有機(jī)廢棄物為原料，經(jīng)厭氧消化和凈化提純產(chǎn)生的綠色低碳清潔可再生的天然氣，同時(shí)厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)生的沼渣沼液可生產(chǎn)液態(tài)和固態(tài)有機(jī)肥等。生物質(zhì)厭氧消化制備生物天然氣在實(shí)現(xiàn)能源綜合利用的同時(shí)，有效促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)利用、減少化石能源消耗與溫室氣體排放。沼氣工程是以厭氧消化為核心的能源環(huán)保工程，以污染治理為主要目的，以有機(jī)廢物的資源化為效益保障，是廢棄物能源化利用為主要途徑的系統(tǒng)工程[4]，其技術(shù)進(jìn)程主要包括以下幾個(gè)方面。

1.1 原料預(yù)處理技術(shù)

對(duì)于以作物秸稈為原料的沼氣工程來(lái)講，通過(guò)預(yù)處理破壞纖維包裹結(jié)構(gòu)，促進(jìn)原料的降解和轉(zhuǎn)化，提高產(chǎn)氣率，可以有效縮短發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)間[5]。秸稈預(yù)處理方法主要有物理、化學(xué)和生物法。物理法通過(guò)機(jī)械粉碎、微波、輻射、水熱處理等，減小秸稈顆粒尺寸、增大比表面積、降低聚合度[6-8]?；瘜W(xué)法通過(guò)酸堿、離子液體等化學(xué)試劑使秸稈進(jìn)行水解，去除秸稈中的木質(zhì)素或半纖維素等[9-10]。生物法是利用微生物或酶提高底物水解效率，使用的降解木質(zhì)素的微生物種類有細(xì)菌、真菌和放線菌，真菌如白腐菌、褐腐菌等是最重要的一類[11-12]。工程常用的酶有纖維素酶和木質(zhì)素酶，具有專一性、溫和性等特點(diǎn)。目前，德國(guó)的沼氣工程普遍使用玉米青貯原料，其占沼氣廠能源作物總質(zhì)量的70%左右。中國(guó)秸稈沼氣工程通常以干秸稈經(jīng)預(yù)處理和黃貯為主要原料，目前還處于工業(yè)示范階段。

對(duì)于以畜禽糞便為原料的沼氣工程來(lái)講，預(yù)處理還包括除砂過(guò)程，因?yàn)椴糠中笄菁S便如牛羊和雞糞在生產(chǎn)或收集過(guò)程中不可避免會(huì)混入砂石。原料中的砂石會(huì)影響后續(xù)處理設(shè)備的運(yùn)行，導(dǎo)致設(shè)備磨損、管網(wǎng)堵塞，在厭氧罐中沉積，并干擾處理過(guò)程等。除砂工藝主要有平流沉砂、旋流沉砂和水解沉砂等。沼氣工程中應(yīng)用較多的是水解沉砂池，為圓形漏斗結(jié)構(gòu)，池中設(shè)攪拌器，在北方通常還設(shè)有蒸汽噴射加熱裝置，一方面有利于砂粒和有機(jī)物的分離，另一方面起到對(duì)料液增溫的作用。

1.2 厭氧消化技術(shù)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外厭氧消化技術(shù)圍繞多原料高濃度混合發(fā)酵、高負(fù)荷失穩(wěn)預(yù)警、生物強(qiáng)化和干發(fā)酵等技術(shù)開(kāi)展了大量研究，高濃度混合發(fā)酵具有產(chǎn)氣率高的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外沼氣工程中已得到廣泛應(yīng)用，失穩(wěn)預(yù)警、生物強(qiáng)化和干發(fā)酵技術(shù)為近期研究的熱點(diǎn)。

1.2.1 失穩(wěn)預(yù)警技術(shù)

厭氧消化系統(tǒng)中，由于產(chǎn)酸發(fā)酵型細(xì)菌與產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)周期和反應(yīng)速率均存在差異，因此高負(fù)荷條件下，底物與產(chǎn)物的平衡極易被破壞，導(dǎo)致消化系統(tǒng)的失穩(wěn)甚至崩潰。失穩(wěn)預(yù)警技術(shù)為厭氧消化系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要保證。

在失穩(wěn)預(yù)警指標(biāo)方面，發(fā)展趨勢(shì)是由單一預(yù)警指標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合性指標(biāo)，由傳統(tǒng)化學(xué)指標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)/生物復(fù)合指標(biāo)。目前，預(yù)警指標(biāo)按其賦存狀態(tài)可分為氣相預(yù)警參數(shù)、固相預(yù)警參數(shù)和液相預(yù)警參數(shù)，按其特性可分為化學(xué)預(yù)警參數(shù)和生物預(yù)警參數(shù)。氣相參數(shù)包括容積產(chǎn)氣率、產(chǎn)氣量、CH4/CO2，液相參數(shù)包括pH值、氧化還原電位（ORP，Oxidation-reduction Potential）、揮發(fā)性脂肪酸（VFAs，Volatile Fatty Acids）、VFAs/碳酸氫鹽堿度和碳酸氫鹽堿度/總堿度，是現(xiàn)階段較為常用的預(yù)警指標(biāo)，能夠提前20 d對(duì)系統(tǒng)可能的失穩(wěn)提前報(bào)警[13-15]。

在預(yù)警指標(biāo)檢測(cè)方面，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵預(yù)警參數(shù)在線檢測(cè)的集成，已開(kāi)發(fā)出集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和參數(shù)控制一體化的厭氧消化過(guò)程穩(wěn)定性檢測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果智能判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀況，完成遠(yuǎn)程報(bào)警，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)云管理。失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)以雞糞、餐廚垃圾、酒糟等為原料的厭氧發(fā)酵工程，通過(guò)失穩(wěn)預(yù)警技術(shù)能夠?qū)⒕圃銋捬跸娜莘e產(chǎn)氣率從1.3 m3/(m3·d)提高到2.7 m3/(m3·d)，將蔬菜垃圾穩(wěn)定厭氧消化的有機(jī)負(fù)荷率從1.5 m3/(m3·d)提高到3.5 g/(m3·d)[16]。

1.2.2 生物強(qiáng)化技術(shù)

沼氣工程生物強(qiáng)化技術(shù)是指向厭氧消化系統(tǒng)中添加某種或某幾種特定的功能微生物，從而使系統(tǒng)的性能得以提升[17-18]。目前對(duì)該技術(shù)的研究主要聚焦于厭氧消化過(guò)程中水解階段、產(chǎn)氫產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段。生物強(qiáng)化既能增加甲烷產(chǎn)量，也能有助于厭氧系統(tǒng)從中溫過(guò)渡到高熱，利于有機(jī)物的同時(shí)消化和消毒。生物強(qiáng)化技術(shù)按其類型可分為細(xì)菌強(qiáng)化、真菌強(qiáng)化、古菌強(qiáng)化、互營(yíng)菌強(qiáng)化和生物酶強(qiáng)化等；按其功能可歸類為強(qiáng)化發(fā)酵系統(tǒng)啟動(dòng)、強(qiáng)化失穩(wěn)系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行、強(qiáng)化難降解原料轉(zhuǎn)化、強(qiáng)化酸/氨抑制解除等[19-21]。生物強(qiáng)化技術(shù)已被應(yīng)用于強(qiáng)化木質(zhì)纖維素類原料水解，有研究向麥秸厭氧消化系統(tǒng)中添加纖維素降解菌，使甲烷產(chǎn)量提高了8%～13%。生物強(qiáng)化可使原料中纖維素去除率和產(chǎn)氣量提高，甲烷轉(zhuǎn)化率接近理論產(chǎn)氣率的59%[22]。對(duì)于易出現(xiàn)氨類/丙酸類物質(zhì)抑制的系統(tǒng)，生物強(qiáng)化系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷率比受氨氮抑制狀態(tài)體系提高40%，產(chǎn)甲烷率恢復(fù)至未添加氨抑制時(shí)的97%[23]。此外，一些研究通過(guò)向反應(yīng)器中加入碳布、磁鐵礦、生物炭等導(dǎo)電材料，強(qiáng)化產(chǎn)電細(xì)菌和產(chǎn)甲烷古菌之間直接電子傳遞，形成高效的電子傳遞通道，增強(qiáng)微生物間的協(xié)同代謝[24]。

1.2.3 厭氧干發(fā)酵技術(shù)

干發(fā)酵具有用水量少、能耗低、無(wú)浮渣、無(wú)沉淀、以及沼液少等優(yōu)勢(shì)，可廣泛用于秸稈、干清糞與廚余垃圾等[25]。近年來(lái)，在歐洲新建沼氣工程中應(yīng)用厭氧干發(fā)酵技術(shù)的比例逐漸增加。干法厭氧發(fā)酵反應(yīng)器根據(jù)其進(jìn)出料方式可分為序批式反應(yīng)器和連續(xù)式反應(yīng)器。典型的序批式干發(fā)酵反應(yīng)器有Bekon、Loock和Bioferm等。連續(xù)式干發(fā)酵中發(fā)酵底物固體含量可達(dá)到20%～40%，沼氣產(chǎn)量高達(dá)0.3～0.5 m3/kg，主流發(fā)酵設(shè)備有比利時(shí)的Dranco、法國(guó)的Valorga、瑞士的Komogas和德國(guó)的Linde-KCA等，該技術(shù)已在歐洲多個(gè)國(guó)家達(dá)到商業(yè)化生產(chǎn)程度[26]。

國(guó)內(nèi)連續(xù)式干法厭氧發(fā)酵工藝已從實(shí)驗(yàn)室研究及中試研究逐漸發(fā)展到工程實(shí)際應(yīng)用，已有推流式、立式、臥式、車庫(kù)式、覆膜槽式等厭氧干發(fā)酵裝置。目前，已建成黑龍江林甸以秸稈與牛糞為原料的連續(xù)推流式干發(fā)酵沼氣工程、廣東懷集以生活垃圾為原料的續(xù)批車庫(kù)式干發(fā)酵沼氣工程等。

1.3 沼氣脫硫脫碳技術(shù)

沼氣是一種混合氣體，其成分主要包括CH4（50%～75%）、CO2（25%～45%）、水分（1%～5%）以及少量的H2和H2S（小于1%）。傳統(tǒng)脫硫工藝有干法脫硫和濕法脫硫，新型工藝有生物脫硫、微氧脫硫等方法。生物脫硫技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的替代傳統(tǒng)脫硫工藝的新技術(shù)。中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所分離到一株高效脫硫鞘氨醇桿菌.DS-7，硫化物去除率達(dá)95%以上[27]。生物脫硫不需催化劑、無(wú)二次污染、效率高、處理成本低、且可回收單質(zhì)S0，有工程表明通過(guò)生物脫硫，沼氣中的H2S濃度可從41 720 mg/m3降至140 mg/m3。

沼氣提純分離的常見(jiàn)方法主要有物理吸收法、化學(xué)吸收法、吸附法、深冷分離法、膜分離法[28]。歐洲目前廣泛使用加壓水洗法，大約占到40%，其次是變壓吸附（PSA，Pressure Swing Adsorption）和化學(xué)吸收法。中國(guó)目前生物天然氣工程使用較多的為變壓吸附和膜分離法。對(duì)于變壓吸附法，具有選擇性吸附沼氣中二氧化碳功能的吸附劑是影響變壓吸附設(shè)備性能的關(guān)鍵因素。膜分離提純技術(shù)是利用氣體通過(guò)膜纖維的滲透率不同實(shí)現(xiàn)CH4和CO2分離。加氫甲烷化生物脫碳技術(shù)向反應(yīng)器內(nèi)通入氫氣，經(jīng)微生物代謝作用將沼氣中的CO2轉(zhuǎn)化為CH4，從而實(shí)現(xiàn)沼氣原位提純和碳減排[29-31]。凈化獲得的生物天然氣可直接作為燃料、電力和熱力來(lái)源供用戶使用，為生物天然氣的規(guī)?；瘧?yīng)用提供了必要條件。

1.4 沼渣及沼液的資源化利用

沼渣、沼液作為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥提供作物營(yíng)養(yǎng)，刺激和調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)，增強(qiáng)作物抗病性。施用沼肥，能顯著地改良土壤，減少農(nóng)藥、化肥的使用量。對(duì)于大型和特大型沼氣工程，沼渣沼液的完全消納是沼氣工程穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。沼渣經(jīng)堆肥后作為基肥或追肥并與化肥進(jìn)行配施可顯著提升作物產(chǎn)量和品質(zhì)，并使土壤品質(zhì)得以改善。沼渣的水熱炭化也是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，沼渣向碳基材料的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生的生物炭或活性炭可吸附廢水中的有害物質(zhì)[32]。此外，碳基材料還可以對(duì)沼液中N、P、K等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行富集，獲得富營(yíng)養(yǎng)生物炭，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[33]。

與沼渣類似，沼液中也含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和礦質(zhì)元素，是一種速效水肥。沼液既可作為葉面肥施撒，也可作為有機(jī)肥進(jìn)行灌溉，沼液作為葉面肥尤其適用于果樹(shù)。灌溉沼液可以為作物提供多種營(yíng)養(yǎng)與微量元素，促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育，有利于保持和提高土壤質(zhì)量[34-36]。利用沼液中的氨氮生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白是一種新型利用方式[37]。單細(xì)胞蛋白的蛋白質(zhì)含量高，氨基酸種類全，特別是含有較多谷物中較少的賴氨酸，被認(rèn)為是具有很大應(yīng)用前景的蛋白質(zhì)新資源之一。

2 水熱催化制備醇烴燃料

在眾多生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)中，生物質(zhì)液體燃料技術(shù)在中國(guó)“十三五”期間就已被列入重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象，近年來(lái)纖維素乙醇和合成油燃料技術(shù)發(fā)展較快，主要以生物發(fā)酵制乙醇和氣化-費(fèi)托合成油燃料技術(shù)為主。然而，針對(duì)木質(zhì)纖維素原料，雖然酶解-發(fā)酵法條件溫和，但具有轉(zhuǎn)化效率低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、反應(yīng)酶價(jià)格昂貴、生產(chǎn)工藝易致毒等問(wèn)題，而且存在理論收率（67%）和極限濃度（10%～12%）等生產(chǎn)瓶頸，使其技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[38-39]。在合成油技術(shù)方面，雖然氣化-費(fèi)托合成轉(zhuǎn)化率較高，但存在反應(yīng)條件苛刻、目標(biāo)產(chǎn)物選擇性差、油品品質(zhì)低，后續(xù)精制工藝復(fù)雜、成本高等問(wèn)題[40]。由于這些瓶頸問(wèn)題導(dǎo)致這兩類技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化方面進(jìn)展較慢，所以近年來(lái)人們針對(duì)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)和化學(xué)官能團(tuán)特性，提出了生物質(zhì)直接或間接（經(jīng)平臺(tái)分子）的方法來(lái)制備醇、烴燃料，開(kāi)拓了生物質(zhì)制備醇烴液體燃料的新途徑。

2.1 醇燃料技術(shù)

在水熱催化制備乙醇技術(shù)方面，中國(guó)的研究水平走在了國(guó)際前列。近年來(lái)中國(guó)率先報(bào)道了纖維素化學(xué)催化法制備乙醇的技術(shù)路線（圖1），中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、中國(guó)科技大學(xué)、廈門(mén)大學(xué)等單位在這一領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。2017年，張濤院士團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了纖維素催化轉(zhuǎn)化為乙醇的研究成果，包括了兩步法以及一步轉(zhuǎn)化法。兩步法使用的催化劑為0.1Pt-Cu/SiO2以及Cu/SiO2，乙醇產(chǎn)率約為30%[41]。一步轉(zhuǎn)化法使用Mo/Pt/WOx催化劑，產(chǎn)率為43.2%[42]。隨后，王野教授團(tuán)隊(duì)采用Pt/ZrO2和H2WO4催化劑實(shí)現(xiàn)了纖維素直接加氫制備乙醇的過(guò)程，產(chǎn)率達(dá)到32%[43]。此外，傅堯教授團(tuán)隊(duì)以及馬隆龍研究員團(tuán)隊(duì)采用Ru-WOx/HZSM-5和Ru/WOx 催化劑實(shí)現(xiàn)了纖維素一鍋轉(zhuǎn)化為乙醇，產(chǎn)率為87.5%[44]，此外，還開(kāi)發(fā)了非貴金屬Ni@C催化劑和磷酸水溶液的催化體系，將纖維素乙醇產(chǎn)率提升到為69.1%[45]。

對(duì)于纖維素原料，生物法在碳利用率方面有1/3的碳最終轉(zhuǎn)化為CO2（圖2），但是該過(guò)程不需要消耗氫氣[46]。而化學(xué)催化法雖然碳利用率較高，但該過(guò)程要消耗大量的氫氣，1 mol的葡萄糖要消耗6 mol的氫氣。同時(shí)，與生物法過(guò)程酶催化劑一樣，化學(xué)催化過(guò)程同樣面臨著金屬催化劑的制備成本與壽命問(wèn)題，這些因素直接關(guān)系到轉(zhuǎn)化過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。雖然在石油化工行業(yè)，固體金屬催化劑的使用提供了很多成功的經(jīng)驗(yàn)，但要把這些催化劑從憎水環(huán)境應(yīng)用到親水環(huán)境中也需要進(jìn)一步研究。此外，纖維素乙醇技術(shù)的開(kāi)發(fā)是一個(gè)系統(tǒng)工程，從原料收集到預(yù)處理，從催化劑的篩選到反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從工藝路線設(shè)計(jì)到工程化放大，涉及眾多的學(xué)科和領(lǐng)域，需要系統(tǒng)的技術(shù)集成。雖然化學(xué)催化法存在以上問(wèn)題，但相比生物法，化學(xué)催化法具有效率高、原料適應(yīng)性廣及與現(xiàn)有化工設(shè)備易對(duì)接等優(yōu)勢(shì)，能克服生物法存在的收率限制與濃度瓶頸，發(fā)展?jié)摿薮?，未?lái)能夠成為木質(zhì)纖維素高效轉(zhuǎn)化制備燃料乙醇的發(fā)展新趨勢(shì)。

2.2 烴燃料技術(shù)

前面介紹的醇燃料屬于含氧燃料，將其用于內(nèi)燃機(jī)燃料，在使用方面會(huì)受到摻混比以及一些副作用的限制。比如乙醇汽油的親水性強(qiáng)、熱值低、蒸發(fā)潛熱大等缺點(diǎn)，容易導(dǎo)致氣阻、存儲(chǔ)怕水、保質(zhì)期短、產(chǎn)生乙酸腐蝕金屬等應(yīng)用問(wèn)題[47]。因此，近年來(lái)由生物質(zhì)直接或間接通過(guò)糖醇等平臺(tái)分子經(jīng)水相催化合成脂肪烴和芳烴的研究受到廣泛關(guān)注。2004年，美國(guó)威斯康辛大學(xué)Dumesic團(tuán)隊(duì)率先提出通過(guò)生物質(zhì)解聚平臺(tái)分子經(jīng)過(guò)催化轉(zhuǎn)化，制備各類燃料和化學(xué)品，被認(rèn)為是一種綠色高效的合成可再生燃料的新路徑，從此拉開(kāi)了生物質(zhì)烴類燃料技術(shù)的研究序幕[48]。針對(duì)葡萄糖到己烷轉(zhuǎn)化過(guò)程中原料和中間產(chǎn)物的鍵能變化計(jì)算了整個(gè)反應(yīng)的能量平衡，在完全脫氧的情況下產(chǎn)物能夠保留原料中90%的能量（圖3）[48]。隨后，國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)相繼展開(kāi)了生物質(zhì)糖醇水相催化制備C5/C6 烷烴、C6～C15長(zhǎng)鏈烷烴和芳烴的研究，包括法國(guó)Cabiac團(tuán)隊(duì)[49]、日本Tomishige團(tuán)隊(duì)[50]、比利時(shí)Sels團(tuán)隊(duì)[51]、國(guó)內(nèi)的張濤團(tuán)隊(duì)[52]和馬隆龍團(tuán)隊(duì)等[53]。

2010年，世界上第一套將糖醇轉(zhuǎn)化生物汽油的驗(yàn)證裝置在美國(guó)威斯康辛州麥迪遜投入運(yùn)轉(zhuǎn)。該技術(shù)整合了水相重整技術(shù)與常規(guī)的催化加氫技術(shù)，主要通過(guò)在一系列并聯(lián)的反應(yīng)器中使用專有的多相催化劑，以減少生物質(zhì)原料的氧含量生產(chǎn)生物汽油類產(chǎn)品[54]。該工藝主要的反應(yīng)溫度在450～573 K之間，反應(yīng)壓力介于10～90 bar。在國(guó)內(nèi)，自2010起，許多研究機(jī)構(gòu)也陸續(xù)展開(kāi)對(duì)生物質(zhì)水相催化制備烴類燃料的中試試驗(yàn)研究。其中，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所在遼寧營(yíng)口研建了以玉米秸稈為原料生產(chǎn)汽油輕烴組分（C5/C6烷烴）的中試試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工藝流程圖如圖4所示[55]。

由于生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元主要是含5或6個(gè)碳，制備的C5/C6烷烴在交通燃料方面的使用非常受限。因此，經(jīng)平臺(tái)分子催化合成長(zhǎng)鏈烷烴的技術(shù)也得到了較快發(fā)展[56]：首先通過(guò)水熱解聚等催化轉(zhuǎn)化工藝，如水解、脫水-水合、汽提或加氫-水解，獲得相關(guān)的平臺(tái)分子，主要是五碳糖和六碳糖的脫水產(chǎn)物，如糠醛、5-羥甲基糠醛、乙酰丙酸等。由于這些平臺(tái)分子只含5個(gè)或6個(gè)碳，要合成長(zhǎng)碳鏈的分子必須要進(jìn)行碳鏈構(gòu)建，如：堿催化的羥醛縮合[57]、酸催化的羥烷基化或烷基化以及水相重整/芳構(gòu)化均可以得到碳鏈為C8～C16的長(zhǎng)鏈含氧化合物[58-59]。最后一步就是脫氧工藝，由于長(zhǎng)鏈含氧化合物含有大量的氧，要通過(guò)一系列的脫氧及提質(zhì)工藝進(jìn)行油品煉制，脫氧工藝主要包括加氫脫氧、加氫脫羧/脫羰、加氫裂化/異構(gòu)等[60]。目前發(fā)展的有4類技術(shù)途徑：1）羥烷基化/烷基化途徑；2）羥醛縮合途徑；3）水相重整途徑；4）烯烴聚合途徑。

表1 生物質(zhì)平臺(tái)分子合成長(zhǎng)鏈烷烴4條技術(shù)路徑的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

中國(guó)在生物質(zhì)水熱解聚、平臺(tái)化合物后續(xù)轉(zhuǎn)化、以及航油特性測(cè)試等研究領(lǐng)域做了大量研究，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所以糠醛為原料通過(guò)C-C耦合反應(yīng)合成了單一族類多環(huán)烷烴[61]。中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所成功打通了纖維素類生物質(zhì)到生物航油（C8～C16烷烴）的技術(shù)路線[62]，于2015年率先建立并運(yùn)行了國(guó)際首個(gè)秸稈類生物質(zhì)水相催化制備生物航油的百噸級(jí)中試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生物航油的連續(xù)穩(wěn)定制取，設(shè)計(jì)制備的加氫脫氧催化劑壽命已達(dá)到3 500 h，實(shí)現(xiàn)10 t干基秸稈生物質(zhì)生產(chǎn)1 t生物航油，以東北地區(qū)的玉米、高粱秸稈為原料生產(chǎn)出的航油產(chǎn)品質(zhì)量均達(dá)到美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM-D7566標(biāo)準(zhǔn)的全部指標(biāo)[63]。

目前發(fā)展的生物質(zhì)水熱催化制備液體烴類燃料技術(shù)，主要是通過(guò)來(lái)自纖維素的平臺(tái)化合物（葡萄糖、山梨醇、5-羥甲基糠醛、乙酰丙酸和-戊內(nèi)酯等），然后針對(duì)平臺(tái)化合物設(shè)計(jì)化學(xué)反應(yīng)和工藝來(lái)制備烴燃料。這種選擇性合成方法的目標(biāo)是降低生物質(zhì)原料的氧含量以提高能量密度，同時(shí)構(gòu)筑C-C鍵以制備合適碳鏈長(zhǎng)度的生物質(zhì)基汽油、柴油和航空燃料烴類化合物等。但這種經(jīng)過(guò)平臺(tái)化合物的選擇性轉(zhuǎn)化制備長(zhǎng)鏈烴燃料需要經(jīng)過(guò)多步化學(xué)反應(yīng)，過(guò)程比較冗長(zhǎng)[64]。因此，簡(jiǎn)化中間步驟，耦合多步過(guò)程縮短工藝流程，將是這種選擇性合成方法制備液體燃料所面臨的重要挑戰(zhàn)。此外，這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)均涉及到酸水解過(guò)程反應(yīng)設(shè)備的腐蝕問(wèn)題。同時(shí)，在加氫脫氧生產(chǎn)烷烴過(guò)程需要消耗大量氫氣，要獲得烴類高品質(zhì)燃料，必須要投入相當(dāng)量的氫氣才能實(shí)現(xiàn)。加氫脫氧這個(gè)過(guò)程還面臨著工程放大的熱效應(yīng)以及催化劑的積碳、水熱穩(wěn)定性等諸多影響金屬催化劑壽命的難題，這也是決定工業(yè)化是否成功的至關(guān)重要因素。

3 裂解液化與生物油提質(zhì)

快速熱解液化是生物質(zhì)高效制備液體燃料的主要方法之一，通過(guò)分散液化-集中提質(zhì)生產(chǎn)模式，既可實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)燃油和高值化學(xué)品的制取，又有規(guī)?；幚砩镔|(zhì)的優(yōu)勢(shì)?？焖贌峤庖夯侵冈谌毖鯕夥障吕脽崮艽驍嗌镔|(zhì)中的部分化學(xué)鍵，使其發(fā)生熱解構(gòu)，并在短時(shí)間內(nèi)析出大量有機(jī)揮發(fā)分，冷凝以得到生物油的過(guò)程[65]。生物質(zhì)熱解液化制備生物油技術(shù)具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、全組分利用、轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)分散的低能量密度的農(nóng)林生物質(zhì)向高能量密度液體產(chǎn)物的集中轉(zhuǎn)化[66-67]，制得的生物油可經(jīng)后續(xù)酯化改性、加氫脫氧等提質(zhì)手段轉(zhuǎn)化為液體燃料[68]。

3.1 裂解液化工藝研究

生物質(zhì)熱解液化是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，其熱解產(chǎn)物分布及生物油成分受加熱溫度、升溫速率、氣相滯留時(shí)間、反應(yīng)壓力等因素影響[69]，而不同熱解液化工藝對(duì)影響因素調(diào)控也有很大差別。生物質(zhì)熱解液化工藝的核心是熱解反應(yīng)器，目前常見(jiàn)的熱解反應(yīng)器主要有流化床熱解反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器、下降管反應(yīng)器、燒蝕式反應(yīng)器、真空反應(yīng)器與螺旋反應(yīng)器等[69-70]。

在生物質(zhì)熱裂解制備生物油技術(shù)工藝中，流化床以其結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，操作方便，在目前的生物質(zhì)快速熱解液化研究中應(yīng)用最為廣泛。流化床反應(yīng)器屬于混合式反應(yīng)器，主要借助熱氣流或氣固多相流對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行加熱，常見(jiàn)的反應(yīng)器類型有鼓泡流化床反應(yīng)器、循環(huán)流化床反應(yīng)器、導(dǎo)向管噴動(dòng)流化床反應(yīng)器等。加拿大的滑鐵盧大學(xué)是最早使用流化床進(jìn)行熱裂解液化實(shí)驗(yàn)研究的機(jī)構(gòu)，并且一直在該領(lǐng)域保持技術(shù)領(lǐng)先；加拿大的Dynamotive公司2007年在安大略建立了日處理量達(dá)到200 t，生物油產(chǎn)率達(dá)65%～75%的熱裂解液化裝置；中國(guó)科技大學(xué)自主研發(fā)了自熱式流化床熱裂解液化裝置；隨后安徽易能生物能源有限公司采用該技術(shù)，建立了20 kg/h熱裂解液化實(shí)驗(yàn)裝置，并通過(guò)對(duì)該技術(shù)的不斷改進(jìn)完善研制出產(chǎn)量為1 000 kg/h的工業(yè)裝置[69]。

旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器是由荷蘭Twente大學(xué)在1989—1993期間研制成功，可極大限度地增加生物油的產(chǎn)量。經(jīng)過(guò)干燥的生物質(zhì)顆粒與經(jīng)過(guò)預(yù)熱的載體砂子混合后送入旋轉(zhuǎn)錐底部，在旋轉(zhuǎn)錐的帶動(dòng)下螺旋上升，在上升過(guò)程中被迅速加熱并裂解。裂解產(chǎn)生的揮發(fā)物經(jīng)過(guò)導(dǎo)出管進(jìn)入旋風(fēng)分離器分離出炭，然后通過(guò)冷凝器凝結(jié)成生物油。分離出的炭再次回到預(yù)熱器燃燒加熱原料。在此過(guò)程中，傳熱速率可達(dá)1 000 ℃/s，裂解溫度500 ℃左右，原料顆粒停留時(shí)間約0.5 s，熱解氣停留時(shí)間約0.3 s，生物油產(chǎn)率為60%～70%[71]。旋轉(zhuǎn)錐式反應(yīng)器運(yùn)行中所需載氣量比流化床少得多，這樣就可以減少裝置的容積，減少冷凝器的負(fù)荷從而降低裝置的制造成本。

下降管反應(yīng)器生物質(zhì)熱裂解液化工藝由山東理工大學(xué)自主研制開(kāi)發(fā)。2016年，山東理工大學(xué)建立了處理量為300 kg/h的套管式陶瓷球熱載體加熱生物質(zhì)熱裂解液化工業(yè)示范裝置。其工藝過(guò)程為：利用煙氣發(fā)生爐產(chǎn)生的800 ℃左右高溫?zé)煔饧訜釤彷d體換熱器中的陶瓷球到設(shè)定溫度，陶瓷球在反應(yīng)器內(nèi)與生物質(zhì)粉混合，在重力作用下沿反應(yīng)管向下運(yùn)動(dòng)，期間生物質(zhì)顆粒受熱發(fā)生熱裂解反應(yīng)；熱解氣和固體產(chǎn)物（炭粉）進(jìn)入熱載體/炭粉分離裝置，其中陶瓷球落在傾斜放置的篩板上并流入熱載體循環(huán)系統(tǒng)；炭粉落入炭粉收集箱中，熱解氣被羅茨風(fēng)機(jī)引入旋風(fēng)除塵器進(jìn)一步除塵，潔凈的熱解氣在氣體冷凝系統(tǒng)中急劇冷卻得到液體生物油[72]。

3.2 催化熱解技術(shù)

目前，雖然國(guó)內(nèi)外已建成了多套規(guī)?；镔|(zhì)熱解液化裝置，但是其商業(yè)化路途依然阻礙重重，主要是因?yàn)闊峤馍镉推焚|(zhì)低，難以直接利用，很難與當(dāng)前應(yīng)用平穩(wěn)接軌。常規(guī)熱解獲得的生物油成分復(fù)雜，僅含氧化合物的種類就超過(guò)300種，包括酸類、醛類、酮類、糖類及酚類低聚物等[73]。生物質(zhì)催化快速熱解技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)生物油組分的在線調(diào)控，降低其含氧量。其中，沸石分子篩，尤其是HZSM-5，憑借其適宜的酸性位強(qiáng)度與分布，具有良好的擇形催化效果，在生物質(zhì)催化熱解反應(yīng)過(guò)程中，能夠很好地實(shí)現(xiàn)部分小分子含氧產(chǎn)物的完全脫氧與芳構(gòu)化，從而選擇性生成以芳香烴為主的烴類產(chǎn)物[74-75]。但是，沸石分子篩等強(qiáng)酸性催化劑在生物質(zhì)熱解過(guò)程中存在著催化劑易失活的問(wèn)題，熱解過(guò)程中的含氧、氮、磷以及堿/堿土金屬等組分容易造成活性位點(diǎn)中毒，不利于脫氧反應(yīng)的進(jìn)行[76]；同時(shí)，分子篩還存在水熱穩(wěn)定性差等問(wèn)題，影響催化劑的活性和壽命[77]。在催化脫氧過(guò)程中，部分碳元素以CO2和CO等氣相產(chǎn)物形式流失；同時(shí)，脫水反應(yīng)也顯著降低了有機(jī)組分中H/C比，使得焦炭產(chǎn)率增加，最終，導(dǎo)致液體生物油產(chǎn)率的降低[78]，因此，若將沸石分子篩類強(qiáng)酸型催化劑在快速熱解推廣應(yīng)用，還需對(duì)其解構(gòu)和催化熱解機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步研究。

由于強(qiáng)酸性固體催化劑在生物質(zhì)熱解液化過(guò)程中的限制，弱酸性或者弱堿性催化劑主導(dǎo)下的催化熱解反應(yīng)體系也成為研究熱點(diǎn)。其中，氧化物尤其是金屬氧化物，如Al2O3、SiO2、CaO、MgO、ZnO、ZrO2、CeO2和TiO2等研究較為常見(jiàn)[79-81]，它們?cè)谏镔|(zhì)熱解過(guò)程均呈現(xiàn)出一定的脫氧特性，能夠降低生物油中酸類、酮類和醛類等含氧化合物的含量，部分金屬氧化物在催化熱解過(guò)程中具有較高的抗失活特性。此外，金屬氧化物催化劑可以同時(shí)對(duì)生物油品質(zhì)和產(chǎn)率進(jìn)行較為平衡的調(diào)控[82]。然而，由于金屬氧化物種類繁多、具有多種價(jià)態(tài)屬性和酸/堿性，導(dǎo)致對(duì)這種相對(duì)溫和的催化熱解的共性認(rèn)知不足，催化機(jī)理尚不明確，而且，由于金屬氧化物在催化熱解過(guò)程中不僅具有催化特性，還有可能作為吸附劑或者反應(yīng)物等參與到熱解過(guò)程中，這也使得對(duì)其催化機(jī)理的研究變得更加復(fù)雜，需進(jìn)一步研究。

近兩年，在重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“村鎮(zhèn)生物質(zhì)資源制備清潔能源及高值利用關(guān)鍵技術(shù)研究”支持下，山東理工大學(xué)與東南大學(xué)分別進(jìn)行了催化型熱載體在線催化熱解與產(chǎn)物定向調(diào)控研究。由于赤泥中含有多種金屬氧化物，山東理工大學(xué)研究了赤泥催化型陶瓷球熱載體的制備工藝，結(jié)果表明赤泥中Al2O3能夠促進(jìn)醇類化合物的生成；Fe2O3能夠抑制苯并呋喃類和醛類化合物的生成；CaO能夠促進(jìn)苯并呋喃類、酮類和酚類化合物的生成，抑制酸類和醛類化合物的生成，通過(guò)這些因素的調(diào)變，可提高秸稈定向轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)物選擇性[83-85]。東南大學(xué)開(kāi)發(fā)了廉價(jià)的木質(zhì)素碳基催化劑，木質(zhì)素炭可促進(jìn)生物質(zhì)解聚，酚類化合物的產(chǎn)量明顯增加，芳烴收率提升1倍，顯著提高了生物油品質(zhì)[86]。在兩種催化型熱載體研究基礎(chǔ)上，山東理工大學(xué)開(kāi)展了基于副產(chǎn)物加熱的6 000 t/a（生物油）下降管式秸稈熱解液化集成系統(tǒng)工藝示范工程建設(shè)；東南大學(xué)與江西金糠新材料科技有限公司合作，開(kāi)展了4 000 t/a（生物油）生物質(zhì)熱裂解裝置示范工程，實(shí)現(xiàn)了固體碳負(fù)載催化、熱解副產(chǎn)物可燃?xì)馊紵?發(fā)電耦聯(lián)熱解自供能技術(shù)的熱解液化制備高品質(zhì)液體產(chǎn)品新工藝。

3.3 生物油提質(zhì)技術(shù)

生物質(zhì)熱解液化所得生物油的組成和性質(zhì)與生物質(zhì)原料及熱裂解工藝條件等密切相關(guān)。雖然生物質(zhì)熱解液化工藝與催化快速熱解技術(shù)等得到廣泛研究與發(fā)展，但是目前制得的大部分生物油成分仍以含氧化合物為主，含酸量高，存在貯存和熱穩(wěn)定性差、熱值低、黏度大等問(wèn)題。

生物油酯化改性是降低其酸度和腐蝕性，提高穩(wěn)定性的有效途徑。它是指將生物油中的羧酸類化合物通過(guò)添加醇類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高熱值的酯類化合物，以此來(lái)提升生物油品質(zhì)。但是單純添加溶劑不能有效改善生物油含氧量、含水率和熱值等燃燒性能，因此有研究通過(guò)添加固體酸或固體堿催化劑促進(jìn)酯化、縮醛等反應(yīng)進(jìn)一步提高生物油品質(zhì)。生物油通常含有20%～45%的水分，盡管水的存在可以降低生物油的粘度，但對(duì)常壓下的酯化反應(yīng)影響較大。在超臨界條件下，會(huì)減小水對(duì)酸酯化的抑制作用，研究表明在超臨界條件進(jìn)行混酸酯化時(shí)，比在常壓液相中更具有優(yōu)勢(shì)，會(huì)使得較難酯化的丙烯酸比乙酸易于酯化[69]。

生物油催化加氫是指在高壓（10～20 MPa）和存在供氫溶劑的條件下，通過(guò)催化劑作用對(duì)生物油進(jìn)行加氫處理，生物油中的氧以H2O或CO2的形式去除，同時(shí)可以顯著地降低其中的醛、酮、烯等不飽和化合物的含量，抑制縮合、聚合反應(yīng)的進(jìn)行，可以顯著改善生物油的貯存和熱穩(wěn)定性。目前生物油在催化加氫等改性方面在很多借鑒了石化工藝中的改性技術(shù)，然而，由于生物油和石油在理化性質(zhì)上存在極大差異，粗生物油與石化行業(yè)現(xiàn)有的提質(zhì)工藝匹配性差，其直接改性面臨嚴(yán)重困難。對(duì)粗生物油直接進(jìn)行催化加氫，催化劑會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)焦現(xiàn)象，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率較低[87]。對(duì)生物油族類化合物的氣相催化改性研究發(fā)現(xiàn)，酮和酸等化合物具有向烴類轉(zhuǎn)化的潛力，而大分子酚類聚合物和糖類則具有明顯的向焦炭轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，并導(dǎo)致催化劑的快速失活[88]。因此，在改性前對(duì)生物油中不易轉(zhuǎn)化的組分進(jìn)行分離和富集，將催化活性較差的大分子酚類聚合物和糖類移除，得到適于后續(xù)改性的生物油組分，對(duì)于提高改性過(guò)程的效率和經(jīng)濟(jì)性都是有利的[89]。

水萃取和蒸餾是兩種常用的生物油預(yù)分離技術(shù)。水萃取雖然可以將生物油中的酚類聚合物移除，但仍殘余大量的糖類，并且大量水的引入對(duì)后續(xù)改性過(guò)程中催化劑的水熱穩(wěn)定性會(huì)造成不利影響[90]。由于生物油具有熱敏性，受熱非常容易結(jié)焦縮合，因此，常規(guī)的高溫蒸餾也不適于生物油分離。近年來(lái)，一些研究將分子蒸餾技術(shù)應(yīng)用于生物油分離。分子蒸餾是一種高效的分離技術(shù)，可以在較低溫度下將生物油分離為反應(yīng)活性較高的蒸出餾分和難以轉(zhuǎn)化的殘余餾分[91]。蒸出餾分富集了酮類、酸類和少量單酚類，而裂化活性較差的酚類聚合物和糖類主要保留在殘余餾分中[92]。催化活性較高的蒸出餾分可以通過(guò)催化裂化或加氫等改性技術(shù)制取高品位液體燃料。

4 生物質(zhì)制備固體燃料

生物質(zhì)資源雖然具有來(lái)源廣泛、產(chǎn)量豐富等優(yōu)點(diǎn)，但是仍受限于產(chǎn)地分散、能量密度低、儲(chǔ)運(yùn)成本高等問(wèn)題，將村鎮(zhèn)生物質(zhì)廢棄物經(jīng)過(guò)壓縮制備成型燃料，是推動(dòng)生物質(zhì)大規(guī)模利用的重要技術(shù)之一[93]，固體成型技術(shù)解決了生物質(zhì)原料多樣、理化特性差別大、不易大規(guī)模利用的缺點(diǎn)。生物質(zhì)成型燃料經(jīng)歷了技術(shù)引進(jìn)與吸收、設(shè)備研發(fā)與創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)推廣與應(yīng)用，在河南、山東、遼寧、河北、廣東、黑龍江等地建成多條生產(chǎn)線，進(jìn)行了示范推廣，已初具規(guī)模[94]。但是，由于秸稈難以保證粉碎均勻性，導(dǎo)致流動(dòng)性差，成型過(guò)程電耗高、模具壽命短等問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展水平均較低。

4.1 固體燃料成型機(jī)制

松散的生物質(zhì)原料在高壓條件下，依靠機(jī)械與生物質(zhì)之間及其生物質(zhì)相互之間摩擦產(chǎn)生的熱量或外部加熱，使木質(zhì)素軟化，生物質(zhì)顆粒經(jīng)過(guò)重新排列位置關(guān)系、顆粒機(jī)械變形和塑性流變等階段，體積大幅減小，密度顯著增大。顆粒之間的作用力主要有液橋力、范德華力和機(jī)械摩擦力等。固體燃料成型機(jī)理較為復(fù)雜，其品質(zhì)主要受生物質(zhì)理化特征、成型工藝、壓縮條件、模具類型與壓縮方式等諸多因素影響[95]。目前，生物質(zhì)固體燃料壓縮成型技術(shù)主要有常溫濕壓成型、熱壓成型、炭化成型和冷壓成型[96]。

秸稈類和木制類是制備固體燃料利用最為廣泛的生物質(zhì)原材料，主要含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、淀粉與蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)，這些組分可以成為天然粘結(jié)劑[97]。Kaliyan等[98]研究發(fā)現(xiàn)玉米秸稈顆粒之間是通過(guò)固體橋形式粘結(jié)的，并且成型過(guò)程中較高的溫度能夠充分發(fā)揮水分的作用，激活生物質(zhì)內(nèi)部木質(zhì)素、淀粉、蛋白質(zhì)與脂肪等物質(zhì)，使之成為天然粘結(jié)劑，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)添加劑的熱壓成型。

4.2 生物質(zhì)烘焙成型燃料

生物質(zhì)本身熱值低、均勻性差、吸濕性高、易發(fā)生腐爛分解等缺點(diǎn)，不利于工業(yè)應(yīng)用及其儲(chǔ)存、運(yùn)輸。近年來(lái)，為了進(jìn)一步改善成型燃料品質(zhì)，提出了將熱化學(xué)轉(zhuǎn)化與物理法相結(jié)合，通過(guò)烘焙預(yù)處理后進(jìn)行壓縮成型的方法制備烘焙成型燃料。烘焙是指將生物質(zhì)秸稈在200～300 ℃惰性氣氛下進(jìn)行的低溫?zé)峤忸A(yù)處理，與原料直接干燥處理不同，烘焙過(guò)程發(fā)生了三大素的部分熱分解，脫除了輕質(zhì)揮發(fā)分[99]。秸稈烘焙成型燃料的生產(chǎn)工藝流程圖如圖6所示。

由于烘焙處理可以對(duì)生物質(zhì)顆粒儲(chǔ)存、運(yùn)輸、處理等方面的具有直接或間接的有益影響，可以降低成型燃料生產(chǎn)成本[100]。Phanphanich等[101]研究發(fā)現(xiàn)300 ℃烘焙處理后的松木屑和伐木剩余物粉碎能耗僅為原料粉碎能耗的1/10和1/8，分別減少至23.9和37.6 kW·h/t；Peng等[102]探究了不同條件對(duì)軟木類生物質(zhì)烘焙和成型過(guò)程及燃料品質(zhì)的影響，結(jié)果表明當(dāng)成型條件中模具溫度為170～230 ℃，或調(diào)節(jié)含水率至10%，模具溫度可降低至110 ℃，烘焙過(guò)程使原料質(zhì)量損失不超過(guò)30%，成型燃料熱值可提高20%，并伴有良好的疏水性。合適的烘焙預(yù)處理不僅能夠提高生物質(zhì)的流化特性，而且增加了物料的易磨性[103]，大幅度減少了系統(tǒng)的粉碎能耗，降低了物料熱化學(xué)反應(yīng)活化能，使得烘焙生物質(zhì)能夠更容易發(fā)生燃燒或熱解反應(yīng)，有利于物料進(jìn)一步應(yīng)用。

生物質(zhì)經(jīng)烘焙提質(zhì)后再制備成型燃料，能夠明顯改善燃料品質(zhì)[104-105]，降低了氧碳比和氫碳比，提高了熱值和疏水性[106-107]，形成內(nèi)部疏松多孔的結(jié)構(gòu)，保證了原料的長(zhǎng)期儲(chǔ)存和含水率調(diào)節(jié)的要求。同時(shí)，烘焙成型燃料的燃燒穩(wěn)定性也得到了提高。Cao等[108]研究了烘焙預(yù)處理對(duì)混合成型對(duì)燃料品質(zhì)的影響，添加蓖麻油餅?zāi)軌蚪档秃姹荷镔|(zhì)成型能耗，提高顆粒密度；徐嘉昱等[109]對(duì)比了烘焙和水熱制備棉稈炭的理化特性，分析了兩種處理方法制備成型燃料的能耗、松弛密度和燃燒特性等，發(fā)現(xiàn)兩種方法處理的棉稈炭含量、熱值和燃燒熱穩(wěn)定性均有所提高，棉稈烘焙成型燃料的松弛密度減小。

2021年，河南省科學(xué)院在河南省魯山縣，完成了年產(chǎn)4×104t以玉米秸稈、花生殼等農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)為原料的烘焙成型燃料示范工程建設(shè)，其工藝為：原料在230～250 ℃缺氧條件下烘焙30 min，降溫粉碎后，利用環(huán)模顆粒機(jī)生產(chǎn)直徑6～8 mm的烘焙秸稈成型燃料。秸稈烘焙成型燃料具有較高的能量密度和穩(wěn)定的燃燒特性，可應(yīng)用于清潔能源集中供熱和村鎮(zhèn)戶用供暖，也可應(yīng)用于直燃、混燃發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)。近年來(lái)，國(guó)家出臺(tái)一系列政策支持生物質(zhì)成型燃料供暖、發(fā)電等應(yīng)用，2021年1月國(guó)家能源局印發(fā)《國(guó)家能源局關(guān)于因地制宜做好可再生能源供暖工作的通知》，強(qiáng)調(diào)因地制宜發(fā)展生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)供暖，合理發(fā)展以成型燃料等為燃料的生物質(zhì)集中供暖[110]。烘焙成型燃料還可以繼續(xù)進(jìn)行熱解、氣化應(yīng)用，烘焙過(guò)程脫除了大部分的氧，減少了焦油含量，使熱解生物油成分更均勻[111]，提高了氣化過(guò)程的能源效率和合成氣的質(zhì)量[112-113]。

基于對(duì)以上4種生物質(zhì)資源能源化轉(zhuǎn)化技術(shù)分析，其技術(shù)成本、技術(shù)成熟度、開(kāi)發(fā)難點(diǎn)與應(yīng)用潛力總結(jié)于表2。

表2 生物質(zhì)資源能源化轉(zhuǎn)化技術(shù)對(duì)比

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié) 論

生物質(zhì)資源制備清潔能源是實(shí)現(xiàn)能源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的有效措施之一。生物質(zhì)資源利用要走綜合化、高值化的路徑。生物天然氣、生物質(zhì)液體燃料與固體成型燃料作為未來(lái)生物質(zhì)能源化轉(zhuǎn)化發(fā)展的主要領(lǐng)域，其規(guī)?；瘧?yīng)用，至少需要具備以下3個(gè)基本要素：一是生物質(zhì)原料在較低成本下的規(guī)?；占c處置；二是高效穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化和提質(zhì)技術(shù)；三是終端燃料產(chǎn)品能夠與當(dāng)前的應(yīng)用平穩(wěn)接軌。對(duì)于上述生物質(zhì)規(guī)?；瘧?yīng)用三要素的第一條，過(guò)去的關(guān)注度不夠，也是目前制約生物質(zhì)資源規(guī)?；玫那爸谜系K，任何生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)如果沒(méi)有解決原料規(guī)?；占茈y做到規(guī)?；l(fā)展。第二條高效轉(zhuǎn)化與提質(zhì)技術(shù)是目前研究工作的熱點(diǎn)，相繼有新的技術(shù)方案出現(xiàn)，但無(wú)論是傳統(tǒng)技術(shù)還是新技術(shù)都有待應(yīng)用端的檢驗(yàn)。第三條終端產(chǎn)品與當(dāng)前應(yīng)用平穩(wěn)接軌，就是要求生物質(zhì)清潔能源生產(chǎn)者要提供方便當(dāng)前用戶使用的燃料種類，而不能要求用戶做出巨大改變。

1）厭氧消化制備生物天然氣技術(shù)是目前生物質(zhì)資源能源化轉(zhuǎn)化技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的，其大都是基于大型養(yǎng)殖場(chǎng)建立，可有效解決原料收集問(wèn)題，而且厭氧消化技術(shù)與沼氣凈化技術(shù)相對(duì)較為成熟，可直接獲得生物天然氣，生物天然氣通過(guò)并入天然氣管網(wǎng)或進(jìn)行發(fā)電等，可直接供用戶使用，達(dá)到了與當(dāng)前用戶平穩(wěn)接軌的要求。

2）生物質(zhì)制備液體燃料技術(shù)雖然通過(guò)分散熱解液化-集中提質(zhì)生產(chǎn)模式可以解決原料收集問(wèn)題，但仍存在轉(zhuǎn)化過(guò)程成本較高、產(chǎn)物分離困難、提質(zhì)效率低、產(chǎn)品不穩(wěn)定等問(wèn)題，很難與當(dāng)前應(yīng)用端平穩(wěn)接軌，因此產(chǎn)業(yè)化程度較低。

3）對(duì)于生物質(zhì)制備固體燃料，其成型技術(shù)較為成熟，配套爐具的研發(fā)也有效解決了成型燃料應(yīng)用端的問(wèn)題，目前，其規(guī)?；瘧?yīng)用最大的難點(diǎn)在于原料的收集與存儲(chǔ)。

5.2 展 望

未來(lái)生物天然氣、生物質(zhì)液體燃料與固體成型燃料發(fā)展的重點(diǎn)方向如下：

1）在生物天然氣方面，進(jìn)行多原料厭氧消化過(guò)程生物強(qiáng)化研究，提高厭氧發(fā)酵效率，建立高濃度厭氧消化穩(wěn)定控制系統(tǒng)，提高厭氧發(fā)酵穩(wěn)定性；探究沼氣高效脫硫脫碳研究，實(shí)現(xiàn)沼氣向生物天然氣轉(zhuǎn)化過(guò)程中CO2原位捕集及再利用；開(kāi)展沼渣沼液綜合利用研究，探究沼液濃縮制備水溶肥等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)沼液養(yǎng)分回收利用，沼渣制備生物有機(jī)肥或是炭基肥等，實(shí)現(xiàn)保氮固碳。

2）在液體燃料方面，首先考慮原料規(guī)模化收集方式和手段，然后探究木質(zhì)纖維素高效、綠色解聚到呋喃類、糖類等平臺(tái)化合物，同時(shí)實(shí)現(xiàn)這些平臺(tái)化合物的高效分離與提質(zhì)；在提質(zhì)過(guò)程中，結(jié)合多功能催化劑體系，偶合多步反應(yīng)，縮短工藝流程，進(jìn)而提高反應(yīng)效率；同時(shí)，在進(jìn)行液體燃料轉(zhuǎn)化過(guò)程中要發(fā)展生物質(zhì)資源高效轉(zhuǎn)化為燃料、化學(xué)品、材料等多種產(chǎn)品形式的技術(shù)理論體系，以提高產(chǎn)品價(jià)值。

3）在固體成型燃料方面，深入研究烘焙秸稈成型過(guò)程的傳熱與粘結(jié)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)成型燃料的低能耗和高品質(zhì)；開(kāi)發(fā)新型高效成型設(shè)備與配套爐具，提高成型燃料生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性，推進(jìn)烘焙、成型與燃燒設(shè)備制造標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和成套化，降低設(shè)備成本；完善生物質(zhì)原料收儲(chǔ)運(yùn)和成型、燃燒設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，形成符合中國(guó)國(guó)情的從秸稈原料收集、儲(chǔ)存、運(yùn)輸成型、配送到高效轉(zhuǎn)化的生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)業(yè)鏈。

[1] 常世彥，康利平. 國(guó)際生物質(zhì)能可持續(xù)發(fā)展政策及對(duì)中國(guó)的啟示[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(11)：1-10.

Chang Shiyan, Kang Liping. Global bioenergy sustainability initiatives and implications for policy making in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(11): 1-10. (in Chinese with English abstract)

[2] Chen J M. Carbon neutrality: Toward a sustainable future[J]. The Innovation, 2021, 2(3): 100127.

[3] 馬隆龍. 生物質(zhì)資源化利用重在“負(fù)碳排放”[N]. 中國(guó)科學(xué)報(bào)，[2021-01-06].

[4] 李偉，吳樹(shù)彪，HamidouBah，等. 沼氣工程高效穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(7)：187-196.

Li Wei, Wu Shubiao, HamidouBah, et al. Status analysis and development prospect of biogas engineering technology[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(7): 187-196. (in Chinese with English abstract)

[5] 劉曉風(fēng)，李東，孫永明. 我國(guó)生物燃?xì)飧咝е苽浼夹g(shù)進(jìn)展[J]. 新能源進(jìn)展，2013，1(1)：38-44.

Liu Xiaofeng, Li Dong, Sun Yongming. The progress of technology on biogas production in China[J]. Advances in New and Renewable Energy, 2013, 1(1): 38-44. (in Chinese with English abstract)

[6] Li D, Wang Q, Li J, et al. Mesophilic–hydrothermal– thermophilic(M–H–T) digestion of green corn straw[J]. Bioresource Technology, 2016, 202: 25-32.

[7] Li D, Huang X, Wang Q, et al. Kinetics of methane production and hydrolysis in anaerobic digestion of corn stover[J]. Energy, 2016, 102: 1-9.

[8] Theuretzbacher F, Lizasoain J, Lefever C, et al. Steam explosion pretreatment of wheat straw to improve methane yields: Investigation of the degradation kinetics of structural compounds during anaerobic digestion[J]. Bioresource Technology, 2015, 179: 299-305.

[9] Taherdanak M, Zilouei H. Improving biogas production from wheat plant using alkaline pretreatment[J]. Fuel, 2014, 115: 714-719.

[10] Zhu J, Wan C, Li Y. Enhanced solid-state anaerobic digestion of corn stover by alkaline pretreatment[J]. Bioresource Technology, 2010, 101(19): 7523-7528.

[11] Wen B, Yuan X, Li Q, et al. Comparison and evaluation of concurrent saccharification and anaerobic digestion of Napier grass after pretreatment by three microbial consortia[J]. Bioresource Technology, 2015, 175: 102-111.

[12] Gao Z, Mori T, Kondo R. The pretreatment of corn stover with Gloeophyllum trabeum KU-41 for enzymatic hydrolysis[J]. Biotechnology for Biofuels, 2012, 5: 28.

[13] Li D, Ran Y, Chen L, et al. Instability diagnosis and syntrophic acetate oxidation during thermophilic digestion of vegetable waste[J]. Water Research, 2018, 139: 263-271.

[14] Li D, Chen L, Liu X, et al. Instability mechanisms and early warning indicators for mesophilic anaerobic digestion of vegetable waste[J]. Bioresource Technology, 2017, 245: 90-97.

[15] Ao T, Chen L, Chen Y, et al. The screening of early warning indicators and microbial community of chicken manure thermophilic digestion at high organic loading rate[J]. Energy, 2021, 224: 120201.

[16] Li D, Sun J, Cao Q, et al. Recovery of unstable digestion of vegetable waste by adding trace elements using the bicarbonate alkalinity to total alkalinity ratio as an early warning indicator[J]. Biodegradation, 2019, 30(1): 87-100.

[17] 吳樹(shù)彪，李穎，董仁杰，等. 生物強(qiáng)化在厭氧發(fā)酵過(guò)程中的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45(5)：145-154.

Wu Shubiao, Li Ying, Dong Renjie, et al. Application of bioaugmentation in anerobic desgestion[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(5): 145-154. (in Chinese with English abstract)

[18] Kovacs K, Acs N, Kovacs E, et al. Improvement of biogas production by bioaugmentation[J]. Biomed Research International, 2013, 2013: 482653.

[19] Li Y, Yang G, Li L, et al. Bioaugmentation for overloaded anaerobic digestion recovery with acid-tolerant methanogenic enrichment[J]. Waste Management, 2018, 79: 744-751.

[20] Li Y, Li L, Sun Y, et al. Bioaugmentation strategy for enhancing anaerobic digestion of high C/N ratio feedstock with methanogenic enrichment culture[J]. Bioresource Technology, 2018, 261: 188-195.

[21] 王碩. 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸優(yōu)勢(shì)菌群構(gòu)建及其對(duì)厭氧消化系統(tǒng)的強(qiáng)化效應(yīng)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

Wang Shuo. Construction of Dominant Hydrogen-Producing Acetogens and the Bioaugmentation for Developing the Efficacy of Anaerobic Wastewater Treatment System[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2009. (in Chinese with English abstract)

[22] Peng X, B?rner R A, Nges I A, et al. Impact of bioaugmentation on biochemical methane potential for wheat straw with addition of[J]. Bioresource Technology, 2014, 152: 567-571.

[23] Li Y, Zhang Y, Sun Y, et al. The performance efficiency of bioaugmentation to prevent anaerobic digestion failure from ammonia and propionate inhibition[J]. Bioresource Technology, 2017, 231: 94-100.

[24] 司哺春，劉凱強(qiáng)，林新宇，等. 直接種間電子傳遞對(duì)緩解厭氧消化抑制效應(yīng)的研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(24)：227-235.

Si Buchun, Liu Kaiqiang, Lin Xinyu, et al. Research progress of the relief of anaerobic digestion inhibitions based on direct interspecies electron transfer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(24): 227-235. (in Chinese with English abstract)

[25] 蔣滔，韋秀麗，肖璐，等. 玉米秸稈固態(tài)和液態(tài)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能與微生物種類比較研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(3)：227-235.

Jiang Tao, Wei Xiuli, Xiao Lu, et al. Comparison of biogas production and microbial species of corn straw in solid-state anaerobic digestion (SS-AD) and liquid anaerobic digestion (L-AD)[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(3): 227-235. (in Chinese with English abstract)

[26] 李冰峰，張大雷. 干式厭氧發(fā)酵技術(shù)現(xiàn)狀與國(guó)內(nèi)應(yīng)用項(xiàng)目簡(jiǎn)介[J]. 可再生能源，2021，39(3)：294-299.

Li Bingfeng, Zhang Dalei. Research and application progress of dry anaerobic fermentation technology[J]. Renewable Energy Resources, 2021, 39(3): 294-299. (in Chinese with English abstract)

[27] 趙鵬，李東，周一民，等. 一株脫硫菌株的分離鑒定及其對(duì)硫化物的去除效果驗(yàn)證[J]. 新能源進(jìn)展，2016，4(6)：425-430.

Zhao Peng, Li Dong, Zhou Yimin, et al. Isolation and identification of a desulfurization strain and its sulfide removal performance[J]. Advances in New and Renewable Energy, 2016, 4(6): 425-430. (in Chinese with English abstract)

[28] 甄峰，李東，孫永明，等. 沼氣高值化利用與凈化提純技術(shù)[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012，35(11)：103-108.

Zhen Feng, Li Dong, Sun Yongming, et al. High value application and purification technology of biogas[J]. Environmental Science & Technology, 2012, 35(11): 103-108. (in Chinese with English abstract)

[29] Zhu X, Chen L, Chen Y, et al. Effect of H2addition on the microbial community structure of a mesophilic anaerobic digestion system[J]. Energy, 2020, 198: 117368.

[30] Zhu X, Chen M, Chen Y, et al. Differences of methanogenesis between mesophilic and thermophilic in situ biogas-upgrading systems by hydrogen addition[J]. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 2019, 46(11): 1569-1581.

[31] Zhu X, Cao Q, Chen Y, et al. Effects of mixing and sodium formate on thermophilic in-situ biogas upgrading by H-2 addition[J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 216: 373-381.

[32] Parmar K R, Ross A B. Integration of hydrothermal carbonisation with anaerobic digestion: Opportunities for valorisation of digestate[J]. Energies, 2019, 12(9): 1-17.

[33] Zheng X, Yang Z, Xu X, et al. Characterization and ammonia adsorption of biochar prepared from distillers' grains anaerobic digestion residue with different pyrolysis temperatures[J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2018, 93(1): 198-206.

[34] 靳紅梅，常志州，葉小梅，等. 江蘇省大型沼氣工程沼液理化特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(1)：291-296.

Jin Hongme, Chang Zhizhou, Ye Xiaomei, et al. Physical and chemical characteristics of anaerobically digested slurry from large-scale biogas project in Jiangsu Province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(1): 291-296. (in Chinese with English abstract)

[35] 隋倩雯，董紅敏，朱志平，等. 沼液深度處理技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2011(1)：83-87.

Sui Qianwen, Dong Hongmin, Zhu Zhiping, et al. Present status of biogas effluent treatment technology research and application[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2011(1): 83-87. (in Chinese with English abstract)

[36] 楊懷. 養(yǎng)豬場(chǎng)沼液轉(zhuǎn)化液體有機(jī)肥及應(yīng)用研究[D]. ?？冢汉Ｄ洗髮W(xué)，2011.

Yang Huai. Study on Turning Biogas Slurry of Pig Farm into the Liquid Organic Fertilizer and Applications[D]. Haikou: Hainan University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[37] Dou J, Huang Y, Ren H, et al. Autotrophic, heterotrophic, and mixotrophic nitrogen assimilation for single-cell protein production by two hydrogen-oxidizing bacterial strains[J]. Appl Biochem Biotechnol, 2019, 187(1): 338-351.

[38] 曹蓮瑩，李凱，李凡，等. 木質(zhì)纖維素乙醇關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)，2018，4：25-32.

Cao Lianying, Li Kai, Li Fan, et al. Progress on key technology of lignocellulosic ethanol[J]. Biotechnology & Business, 2018, 4: 25-32. (in Chinese with English abstract)

[39] 陳倫剛，趙聰，張淺，等. 國(guó)外生物液體燃料發(fā)展和示范工程綜述及其啟示[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(13)：8-15.

Chen Lungang, Zhao Cong, Zhang Qian, et al. Progress of liquid biofuel development and demonstration facilities in foreign countries and its inspiration for China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(13): 8-15. (in Chinese with English abstract)

[40] 陳凱，錢(qián)璟，楊智淵，等. 航空生物燃料生產(chǎn)工藝研究進(jìn)展[J]. 石油化工，2012，41(8)：974-978.

Chen Kai, Qian Jing, Yang Zhiyuan, et al. Advances in aviation biofuel production technology[J]. Petrochemical Technology, 2012, 41(8): 974-978. (in Chinese with English abstract)

[41] Xu G, Wang A, Pang J, et al. Chemocatalytic conversion of cellulosic biomass to methyl glycolate, ethylene glycol, and ethanol[J]. ChemSusChem, 2017, 10(7): 1390-1394.

[42] Yang M, Qi H, Liu F, et al. One-pot production of cellulosic ethanol via tandem catalysis over a multifunctional Mo/Pt/WOx catalyst[J]. Joule, 2019, 3(8): 1937-1948.

[43] Song H, Wang P, Li S, et al. Direct conversion of cellulose into ethanol catalysed by a combination of tungstic acid and zirconia-supported Pt nanoparticles[J]. Chem Commun (Camb), 2019, 55(30): 4303-4306.

[44] Li C, Xu G, Wang C, et al. One-pot chemocatalytic transformation of cellulose to ethanol over Ru-WOx/HZSM-5[J]. Green Chemistry, 2019, 21(9): 2234-2239.

[45] Liu Q, Wang H, Xin H, et al. Selectivecellulose hydrogenolysis to ethanol using Ni@C combined with phosphoric acid catalysts[J]. ChemSusChem, 2019, 12(17): 3977-3987.

[46] 張俊，許超，張宇，等. 纖維素酶降解機(jī)理的研究進(jìn)展[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2019，47(9)：121-130.

Zhang Jun, Xu Chao, Zhang Yu, et al. Research progress on cellulase biodegradation mechanism[J]. Journal of South China University of Technology: Natural Science Edition, 2019, 47(9): 121-130. (in Chinese with English abstract)

[47] 婁志剛. 乙醇汽油及其應(yīng)用性能研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2008.

Lou Zhigang. Study on Ethanol-Gasoline Blended Fuel and Application Properties[D]. Chongqing: Chongqing University, 2008. (in Chinese with English abstract)

[48] Huber G W, Cortright R D, Dumesic J A. Renewable alkanes by aqueous-phase reforming of biomass-derived oxygenates[J]. Angewandte Chemie-International Edition, 2004, 43(12): 1549-1551.

[49] Vilcocq L, Koerin R, Cabiac A, et al. New bifunctional catalytic systems for sorbitol transformation into biofuels[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2014, 148/149: 499-508.

[50] Liu S, Tamura M, Nakagawa Y, et al. One-pot conversion of cellulose into n-hexane over the Ir-ReOx/SiO2catalyst combined with HZSM-5[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2014, 2(7): 1819-1827.

[51] Beeck B Op de, Dusselier M, Geboers J, et al. Direct catalytic conversion of cellulose to liquid straight-chain alkanes[J]. Energy & Environmental Science, 2015, 8(1): 230-240.

[52] Li G, Li N, Li S, et al. Synthesis of renewable diesel with hydroxyacetone and 2-methyl-furan[J]. Chem Commun (Camb), 2013, 49(51): 5727-5729.

[53] 劉勇. 金屬-酸水相催化木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為烴燃料的研究[D]. 廣州：中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，2012.

Liu Yong. Study on Metal-acid Water Phase Catalyzing the Conversion of Lignocellulose into Hydrocarbon fuel[D]. Guangzhou: Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, 2012. (in Chinese with English abstract)

[54] 張利雄，閔恩澤. 從近期美國(guó)在生物質(zhì)煉油化工廠建設(shè)的投入思考其在我國(guó)的發(fā)展[J]. 石油學(xué)報(bào)（石油加工），2011，27(2)：155-161.

Zhang Lixiong, Min Enze. Some thoughts on development of biorefineries in China through US government’s investment in construction of biorefineries in recent years[J]. Acta Petrolei Sinica(Petroleum Processing Section), 2011, 27(2): 155-161. (in Chinese with English abstract)

[55] 翁育靖. 金屬/酸催化劑結(jié)構(gòu)與催化糖醇制生物汽油的性能研究[D]. 廣州：中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，2017.

Weng Yujing. Study on the Structure of Metal/acid Catalyst and Catalytic Glycoalcohol to Biogasoline[D]. Guangzhou: Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, 2017. (in Chinese with English abstract)

[56] 陳倫剛，張興華，張琦，等. 木質(zhì)纖維素解聚平臺(tái)分子催化合成航油技術(shù)的進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展，2019，38(3)：1269-1282.

Chen Lungang, Zhang Xinghua, Zhang Qi, et al. Progress in aviation biofuel technology by catalysis synthesis of platform molecules from lignocelluloses depolymerization[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2019, 38(3): 1269-1282. (in Chinese with English abstract)

[57] Olcay H, Subrahmanyam A V, Xing R, et al. Production of renewable petroleum refinery diesel and jet fuel feedstocks from hemicellulose sugar streams[J]. Energy Environ. Sci., 2013, 6(1): 205-216.

[58] Corma A, Torre O, Renz M. Production of high quality diesel from cellulose and hemicellulose by the sylvan process_ catalysts and process variables[J]. Energy Environ. Sci., 2012, 5(4): 6328-6344.

[59] Corma A, Torre O de la, Renz M, et al. Production of high-quality diesel from biomass waste products[J]. Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50: 2375-2378.

[60] Li G, Li N, Yang J, et al. Synthesis of renewable diesel range alkanes by hydrodeoxygenation of furans over Ni/Hβ under mild conditions[J]. Green Chem., 2014, 16(2): 594-599.

[61] Li G, Li N, Wang Z, et al. Synthesis of high-quality diesel with furfural and 2-methylfuran from hemicellulose[J]. ChemSusChem, 2012, 5(10): 1958-1966.

[62] 張琦，李宇萍，陳倫剛. 百噸/年規(guī)模生物質(zhì)水相合成航油類烴過(guò)程的物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2017，50(1)：13-18.

Zhang Qi, Li Yuping, Chen Lungang, et al. Material and energy conversion of integrated 100, t/a-Scale Bio-Jet fuel-range hydrocarbon production system via aqueous conversion of biomass[J]. Journal of Tianjin University: Science and Technology, 2017, 50(1): 13-18. (in Chinese with English abstract)

[63] 陳倫剛，馬隆龍，王鐵軍，等. 一種秸稈生產(chǎn)交通燃料用油的方法：CN201610304296[P]. 2017-09-29.

[64] 張家仁，鄧甜音，劉海超. 油脂和木質(zhì)纖維素催化轉(zhuǎn)化制備生物液體燃料[J]. 化學(xué)進(jìn)展，2013，25：192-208.

Zhang Jiaren, Deng Tianyin, Liu Haichao. Catalytic production of liquid biofuels from triglyceride feedstocks and lignocellulose[J]. Progress in Chemistry, 2013, 25: 192-208. (in Chinese with English abstract)

[65] Bridgwater A V, Peacocke G V C. Fast pyrolysis processes for biomass[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2000, 4: 1-73.

[66] Kan K, Strezov V, Evans T, et al. Catalytic pyrolysis of lignocellulosic biomass: A review of variations in process factors and system structure[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2020, 134: 110305.

[67] Sharifzadeh M, Sadeqzadeh M, Guo M, et al. The multi-scale challenges of biomass fast pyrolysis and bio-oil upgrading: Review of the state of art and future research directions[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2019, 71: 1-80.

[68] Kumar R, Strezov V. Thermochemical production of bio-oil: A review of downstream processing technologies for bio-oil upgrading, production of hydrogen and high value-added products[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2021, 135: 110152.

[69] 易維明. 生物質(zhì)熱裂解及合成燃料技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2020.

[70] 胡二峰，趙立欣，吳娟，等. 生物質(zhì)熱解影響因素及技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(14)：212-220.

Hu Erfeng, Zhao Lixin, Wu Juan, et al. Research advance on influence factors and technologies of biomass pyrolysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(14): 212-220. (in Chinese with English abstract)

[71] Janse A M C, Biesheuvel P M, Prins W, et al. A novel interconnected fluidised bed for the combined ash pyrolysis of biomass and combustion of char[J]. Chemical Engineering Journal, 1999, 75: 121-130.

[72] Li Z, Li N, Yi W, et al. Design and operation of a down-tube reactor demonstration plant for biomass fast pyrolysis[J]. Fuel Processing Technology, 2017, 161: 182-192.

[73] Liu R, Sarker M, Rahman M M, et al. Multi-scale complexities of solid acid catalysts in the catalytic fast pyrolysis of biomass for bio-oil production – A review[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2020, 80: 100852.

[74] Ren X, Cai H, Zhang Q, et al. Evaluation of zeolite catalysts on product distribution during sweet sorghum bagasse catalytic pyrolysis[J]. Energy, 2021, 214: 118799.

[75] Che Q, Yang M, Wang X, et al. Influence of physicochemical properties of metal modified ZSM-5 catalyst on benzene, toluene and xylene production from biomass catalytic pyrolysis[J]. Bioresource Technology, 2019, 278: 248-254.

[76] Mullen C A, Boateng A A. Accumulation of inorganic impurities on HZSM-5 zeolites during catalytic fast pyrolysis of switchgrass[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013, 52(48): 17156-17161.

[77] Liu C, Wang H, Karim A M, et al. Catalytic fast pyrolysis of lignocellulosic biomass[J]. Chemical Society Reviews, 2014, 43(22): 7594-7623.

[78] Chen X, Che X, Li S, et al. Recent developments in lignocellulosic biomass catalytic fast pyrolysis: Strategies for the optimization of bio-oil quality and yield[J]. Fuel Processing Technology, 2019, 196: 106180.

[79] Mante O D, Dayton D C, Carpenter J R, et al. Pilot-scale catalytic fast pyrolysis of loblolly pine over γ-Al2O3 catalyst[J]. Fuel, 2018, 214: 569-579.

[80] Mochizuki T, Atong D, Chen S Y, et al. Effect of SiO2pore size on catalytic fast pyrolysis of Jatropha residues by using pyrolyzer-GC/MS[J]. Catalysis Communications, 2013, 36: 1-4.

[81] Kaewpengkrow P, Atong D, Sricharoenchaikul V. Catalytic upgrading of pyrolysis vapors from Jatropha wastes using alumina, zirconia and titania based catalysts[J]. Bioresource Technology, 2014, 163: 262-269.

[82] Chen X, Chen Y, Yang H, et al. Catalytic fast pyrolysis of biomass: Selective deoxygenation to balance the quality and yield of bio-oil[J]. Bioresource Technology, 2019, 273: 153-158.

[83] Wang L, Yi W, Zhang A, et al. Catalytic fast pyrolysis of corn stalk for phenols production with solid catalysts[J]. Frontiers in Energy Research, 2019, 7: 1-9.

[84] Wang S, Li Z, Bai X, et al. Catalytic pyrolysis of lignin in a cascade dual-catalyst system of modified red mud and HZSM-5 for aromatic hydrocarbon production[J]. Bioresource Technology, 2019, 278: 66-72.

[85] Wang S, Li Z, Bai X, et al. Catalytic pyrolysis of lignin with red mud derived hierarchical porous catalyst for alkyl-phenols and hydrocarbons production[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2018, 136: 8-17.

[86] 趙勃，吳凱，仲惟鵬，等. 木質(zhì)素炭與ZSM-5 聯(lián)合催化熱解木質(zhì)素制備芳烴實(shí)驗(yàn)研究[J]. 燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，2021，49(3)：303-310.

Zhao Bo, Wu Kai, Zhong Weipeng, et al. Experimental study on catalytic pyrolysis of lignin under char and ZSM-5 for preparation of aromatics[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2021, 49(3): 303-310. (in Chinese with English abstract)

[87] Pinho A d R, Almeida M B B de, Mendes F L, et al. Fast pyrolysis oil from pinewood chips co-processing with vacuum gas oil in an FCC unit for second generation fuel production[J]. Fuel, 2017, 188: 462-473.

[88] Zacher A H, Olarte M V, Santosa D M, et al. A review and perspective of recent bio-oil hydrotreating research[J]. Green Chem., 2014, 16(2): 491-515.

[89] Wang S, Cai Q. Bio-oil graded upgrading and utilization based on separation[J]. Biofuels, 2013, 4: 135-137.

[90] Vispute T P, Zhang H, Sanna A, et al. Renewable chemical commodity feedstocks from integrated catalytic processing of pyrolysis oils[J]. Science Foundation in China, 2010, 330: 1222-1227.

[91] Rong W, Cai Q, Zhang F, et al. A review on the upgradingof bio-oil based on separation[J]. Science Foundation in China, 2017, 25(1): 57-80.

[92] Wang S, Gu Y, Liu Q, et al. Separation of bio-oil by molecular distillation[J]. Fuel Processing Technology, 2009, 90(5): 738-745.

[93] 何丙輝，曾成. 中國(guó)能源作物產(chǎn)業(yè)特征及環(huán)境效應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2020，39(4)：882-890.

He Binghui, Zeng Cheng. Industrial characteristics and environmental effects of energy crops in China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2020, 39(4): 882-890. (in Chinese with English abstract)

[94] 張百良. 生物質(zhì)成型燃料技術(shù)與工程化[M]. 北京：科學(xué)出版社，2012.

[95] 袁振宏，吳創(chuàng)之，馬隆龍. 生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[96] 胡建軍，雷廷宙，沈勝?gòu)?qiáng)，等. 秸稈顆粒冷態(tài)壓縮成型過(guò)程的比能耗回歸分析[J]. 可再生能源，2010，28(1)：29-35.

Hu Jianjun, Lei Tingzhou, Shen Shengqiang, et al. Regression analysis on specific energy consumption in the pelletizing process of straw[J]. Renewable Energy Resources, 2010, 28(1): 29-35. (in Chinese with English abstract)

[97] 劉正光. 谷稈固體燃料物理性能及燃燒特性研究[D]. 太原：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

Liu Zhengguang. Study on Physical Properties and Combustion Characteristics of Straw Stalk Solid Fuel[D]. Taiyuan: Shanxi Agricultural University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[98] Kaliyan N, Morey R V. Factors affecting strength and durability of densified biomass products[J]. Biomass and Bioenergy, 2009, 33(3): 337-359.

[99] 雷廷宙，辛?xí)苑?，李在峰，? 烘焙預(yù)處理制備生物質(zhì)清潔成型燃料的研究進(jìn)展[J]. 林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2021，41(2)：110-118.

Lei Tingzhou, Xin Xiaofei, Li Zaifeng, et al. A Review of torrefaction pretreatment for preparation biomass clean briquette fuels[J]. Chemistry and Industry of Forest Products, 2021, 41(2): 110-118. (in Chinese with English abstract)

[100] Chen W H, Peng J, Bi X T. A state-of-the-art review of biomass torrefaction, densification and applications[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 44: 847-866.

[101] Phanphanich M, Mani S. Impact of torrefaction on the grindability and fuel characteristics of forest biomass[J]. Bioresource Technology, 2011, 102(2): 1246-1253.

[102] Peng J, Bi X, Sokhansanj S, et al. Torrefaction and densification of different species of softwood residues[J]. Fuel, 2013, 111: 411-421.

[103] 徐貴玲，李夢(mèng)慧，盧平. 烘焙林業(yè)廢棄物生物質(zhì)與煤粉不同配比混合顆粒的流化特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(3)：218-225.

Xu Guiling, Li Menghui, Lu Ping. Fluidization characteristics of torrefied forest waste biomass and pulverized coal mixture particles with different mixing ratios[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 218-225. (in Chinese with English abstract)

[104] Mamvura T A, Danha G. Biomass torrefaction as an emerging technology to aid in energy production[J]. Heliyon, 2020, 6(3): e03531.

[105] Barskov S, Zappi M, Buchireddy P, et al. Torrefaction of biomass: A review of production methods for biocoal from cultured and waste lignocellulosic feedstocks[J]. Renewable Energy, 2019, 142: 624-642.

[106] Singh S, Chakraborty J P, Mondal M K. Torrefaction of woody biomass (): Investigation of fuel and flow properties to study its suitability as a good quality solid fuel[J]. Renewable Energy, 2020, 153: 711-724.

[107] 郝宏蒙，楊海平，劉汝杰，等. 烘培對(duì)典型農(nóng)業(yè)秸稈吸水性能的影響[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(8)：90-94.

Hao Hongmeng, Yang Haiping, Liu Rujie, et al. Influence of torrefaction on typical agricultural straw hydrophilic property[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(8): 90-94. (in Chinese with English abstract)

[108] Cao L, Yuan X, Li H, et al. Complementary effects of torrefaction and co-pelletization: Energy consumption and characteristics of pellets[J]. Bioresour Technol, 2015, 185: 254-262.

[109]徐嘉昱，朱廣闊，高英，等. 不同預(yù)處理溫度對(duì)棉稈焦炭理化及成型燃燒特性的影響[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2021，42(4)：46-52.

Xu Jiayu, Zhu Guangkuo, Gao Ying, et al. Effects of temperature on characteristics and combustion behaviors of biochars produced from the hydrothermal carbonization (htc) and torrefaction of cotton stalk[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2021, 42(4): 46-52. (in Chinese with English abstract)

[110] 國(guó)家能源局. 國(guó)家能源局關(guān)于因地制宜做好可再生能源供暖工作的通知[Z]. nea.gov.cn/2021-02/08/C_139728134.htm [2021-01-27].

[111] Chen W, Wang C, Kumar G, et al. Effect of torrefaction pretreatment on the pyrolysis of rubber wood sawdust analyzed by Py-GC/MS[J]. Bioresour Technol, 2018, 259: 469-473.

[112] 余維金，應(yīng)浩，王燕杰. 原料烘焙預(yù)處理對(duì)生物質(zhì)氣化的影響綜述[J]. 生物質(zhì)化學(xué)工程，2013，47(6)：41-45.

Yu Weijin, Ying Hao, Wang Yanjie. Influence of torrefaction pretreatment on biomass gasification[J]. Biomass Chemical Engineering, 2013, 47(6): 41-45. (in Chinese with English abstract)

[113] 謝騰，叢宏斌，趙立欣，等. 烘焙對(duì)生物質(zhì)理化特性影響綜述與秸稈烘焙研究前景分析[J]. 應(yīng)用化工，2020，49(11)：2841-2846.

Xie Teng, Cong Hongbin, Zhao Lixin, et al. A review of the effects of torrefaction on biomass physicochemical properties and analysis of research prospects for straw torrefaction[J]. Applied Chemical Industry, 2020, 49(11): 2841-2846. (in Chinese with English abstract)

Research status and development prospect of energy and high value utilization of biomass resources

Wang Fang1, Liu Xiaofeng2, Chen Lungang3, Lei Tingzhou4, Yi Weiming1※, Li Zhihe1

(1.,,255000,; 2.,,610041,;3.,,510650,;4.,450002,)

Biomass has been the only renewable energy that can be directly converted into fuel. The full utilization of biomass can effectively alleviate energy needs in an eco-friendly way. It is also an important path for China to achieve the goal of "carbon neutrality". Therefore, this study aims to focus mainly on the general goal of clean energy production and high-value utilization for straw-based biomass resources in recent years. A systematic analysis was made to evaluate the comprehensive utilization technology and mode of producing gas, liquid, and solid clean energy in the biological or thermo-chemical way. The development status and research progress were concentrated upon the anaerobic digestion for biogas, hydrothermal catalysis for alcohol and hydrocarbon fuel, pyrolysis liquefaction and bio-oil upgrading, and solid fuel production. Particularly, an attempt was addressed on the prospect of biogas, liquid fuel, and solid fuel. More importantly, no matter what biomass conversion technology was adopted, biomass resources utilization should be comprehensive and of high value. Correspondingly, the large-scale application required at least three basic elements. The first was the scale collection and disposal of biomass raw materials at a low cost. The second was the efficient and stable transformation, as well as quality improvement technology. The last was that the terminal fuel products needed to connect smoothly with the current application. Among them, anaerobic digestion for biogas presented the highest level of industrialization in recent years, due mainly to effectively solving raw materials collection in large breeding farms. It infers that the anaerobic digestion and biogas purification technology were relatively mature during this time. As such, biogas was directly used as a source of fuel, power, and thermal production. By contrast, hydrothermal catalysis for alcohol and hydrocarbon fuel, together with pyrolysis liquefaction for bio-oil was relatively difficult to connect with the current application, due mainly to the high conversion cost, difficult product separation, low-quality improvement efficiency, and unstable products. Therefore, the large-scale development level of the two technologies was relatively low during this time. Nevertheless, the technology of biomass preparation was relatively mature for solid fuels. The research and development of supporting stoves also effectively implemented the application of molding fuel. But the biggest difficulty in the scale application lay in the collection and storage of raw materials. Finally, the development prospects were proposed for the biomass conversion technologies. In terms of biogas, the anaerobic digestion was enhanced by multi-ingredients and bio-strengthen to improve biogas production efficiency. A precise control system should be established for the high concentration anaerobic digestion for better stability. Particularly, the comprehensive utilization of biogas slurry was carried out to realize the nutrient recycling, and biological organic fertilizer, or carbon-based fertilizer for nitrogen and carbon fixation, with emphasis on the efficiency of desulfurization and decarbonization. In terms of liquid fuel, the unpolluted depolymerization can be explored from lignocellulose to platform compounds, especially how to realize the efficient separation and quality improvement of platform compounds. During the quality upgrading process, the multi-step reaction combined catalyzer can be used to shorten the process and improve the reaction efficiency. In addition, the efficient conversion of biomass resources into fuel, chemicals, and materials should be developed synchronously for higher-value products. In terms of solid fuel, the heat transfer and bonding mechanism of torrefaction straw should be studied during the molding process, further to realize the low energy consumption and high quality. New efficient molding and combustion equipment needed to be improved the reliability of solid fuel production, particularly on the standardization, series, and package of torrefaction, molding, and combustion equipment. Consequently, the standard production of biomass collection, storage, and combustion should be improved to form biomass solid fuel industry chain from collection, storage, transportation, molding, and distribution. This research can provide a strong reference for the efficient preparation of clean energy and high-value utilization in rural biomass.

biomass; biogas; carbon abatement; liquid fuel; solid fuel

王芳，劉曉風(fēng)，陳倫剛，等. 生物質(zhì)資源能源化與高值利用研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(18)：219-231.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.026 http://www.tcsae.org

Wang Fang, Liu Xiaofeng, Chen Lungang, et al. Research status and development prospect of energy and high value utilization of biomass resources[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(18): 219-231. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.026 http://www.tcsae.org

2021-08-13

2021-09-13

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助（2019YFD1100600）

王芳，博士，講師，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能生物化學(xué)與熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)。Email：wangfang1987711@126.com

易維明，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能綜合利用技術(shù)。Email：yiweiming@sdut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.026

S216；TK6

A

1002-6819(2021)-18-0219-13