【科學(xué)網(wǎng)】生物質(zhì)熱化學(xué)過程氮組分演化與源端調(diào)控獲進展
10月15日，記者從中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所獲悉，近兩年來，該所研究員王新明團隊的詹昊博士及其合作者莊修政博士等人，聚焦氮組分含量較高的農(nóng)業(yè)和工業(yè)生物質(zhì)，解析了生物質(zhì)熱化學(xué)過程氮組分的演化與源端調(diào)控。相關(guān)研究發(fā)表于《化學(xué)工程》《清潔生產(chǎn)》《燃料》《燃料過程技術(shù)》，并獲授權(quán)國家發(fā)明專利1項和實用新型專利1項。
目前，大氣活性氮（NH3、NOx等）在影響大氣環(huán)境變化、生態(tài)系統(tǒng)演化和公共健康安全等方面扮演日趨重要的角色。“生物質(zhì)燃燒”是大氣活性氮的重要來源之一。研究生物質(zhì)（特別是富氮含量種類）有邊界燃燒過程燃料氮到大氣活性氮的轉(zhuǎn)化和調(diào)控，對指導(dǎo)生物質(zhì)能清潔利用和大氣活性氮區(qū)域循環(huán)演化均具有重要現(xiàn)實意義。
詹昊表示，燃燒過程大氣活性氮的形成和演化與脫揮發(fā)分階段燃料氮的分布、氧化階段揮發(fā)分氮和半焦氮的轉(zhuǎn)化因素相關(guān)。綜合考慮生物質(zhì)燃料屬性、燃燒供熱規(guī)模、末端處理投入等現(xiàn)實因素，對生物質(zhì)而言，特別是富氮生物質(zhì)，研究基于燃燒前降氮的大氣活性氮控排機制和手段更為直接，也有必要。
基于上述背景，研究人員聚焦在氮組分含量較高的農(nóng)業(yè)和工業(yè)生物質(zhì)，關(guān)注于與熱能利用密切相關(guān)的熱化學(xué)過程，對過程氮組分的演化和調(diào)控，進行了一系列研究，在源端（燃燒前）控氮思路方面取得一些新認識：
一是，定位于熱化學(xué)的基礎(chǔ)——熱解過程，解析了典型農(nóng)業(yè)和工業(yè)生物質(zhì)源于燃料氮轉(zhuǎn)化的大氣活性氮組分形成機理，明確了各組分的來源路徑。NH3和HCN既是熱解過程的主要大氣活性氮組分，也是后續(xù)燃燒NOx的關(guān)鍵前體物，過程總產(chǎn)率水平在20~45 wt.%范圍，取決于生物質(zhì)燃料氮類型（以胺、蛋白質(zhì)有機氮和無機氮為體系）的熱穩(wěn)定性，也與熱解不同階段的過程參數(shù)條件相關(guān)。
二是，基于形成機理，探討了干濕碳化預(yù)處理-熱解聯(lián)用手段，對燃料氮到大氣活性氮組分轉(zhuǎn)化的調(diào)控能力。發(fā)現(xiàn)相比直接熱解，經(jīng)干濕碳化后再熱解，通過碳化預(yù)處理對燃料氮官能團的去除和穩(wěn)定機制，可調(diào)控?zé)峤膺M程中兩階段大氣活性氮組分形成路徑的強度，從而有效降低燃料氮到大氣活性氮的轉(zhuǎn)化。進而提出分級熱轉(zhuǎn)化制備低氮高值燃料（燃氣和炭）的技術(shù)路線。
三是，基于形成機理，針對特定種類的富氮工業(yè)生物質(zhì)（廢棄人造板），通過綜述熱解過程各相氮組分特征及性能規(guī)律，提出燃料氮向固液相氮富集，進而調(diào)控其向氣相氮轉(zhuǎn)化的研究思路。通過進一步的熱轉(zhuǎn)化研究發(fā)現(xiàn)：廢棄人造板組分由于熱穩(wěn)定性差異，使三相產(chǎn)物之于選擇性熱解呈現(xiàn)特征化規(guī)律，體現(xiàn)在三相氮組分上。氣相氮為大氣活性氮組分，通過干法碳化預(yù)處理可有效去除；固相氮組分（雜環(huán)氮）使固相產(chǎn)物呈現(xiàn)價值化潛力，表現(xiàn)出良好的吸附和電化學(xué)性能。
研究人員依據(jù)多類碳化方式相關(guān)試驗結(jié)果，提出了一種由廢棄人造板制備富氮活性炭材料的方法，通過燃料氮組分價值化利用，是實現(xiàn)生物質(zhì)熱化學(xué)過程氮組分源端調(diào)控的新穎方式。該方法制備的富氮活性炭氮保留率可高達90%以上，比表面積可至1500~1800 m2/g，對苯酚的吸附能力為500~700 mg/g，制成電極后其比電容為250~280 F/g。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.117706
https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.05.122
https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.124727
https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2020.106462
