现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (S2) : 345-349. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.S2.056

工业技术

生物质连续水热液化制油中试平台研究

程肖帝 ¹^,² ,
艾仙斌 ¹^,² ,
阙志刚 ¹^,² ,
蒋海伟 ¹^,² ,
黄蓉 ¹^,² ,
张珂 ¹ ,
石金明 ¹^,²^,^*

作者信息 +

Study on a continuous-flow hydrothermal liquefaction pilot platform used for biocrude oil production from biomass

CHENG Xiao-di ¹^,² ,
AI Xian-bin ¹^,² ,
QUE Zhi-gang ¹^,² ,
JIANG Hai-wei ¹^,² ,
HUANG Rong ¹^,² ,
ZHANG Ke ¹ ,
SHI Jin-ming ¹^,²^,^*

Author information +

文章历史 +

Received		Published
2026-04-01		2026-10-31
Issue Date	Revised Date
2026-10-21	2026-04-01

PDF (5423K)

摘要

开发了一种连续HTL中试平台(c-HTL),集成了预处理、进料控制、温度控制、压力控制、多级分步分离以及微负压旋蒸-萃取联用技术为一体,能实现100 kg/h级生物质油连续生成和分离。以餐厨垃圾制油为例,产油率达到28%,分离成本大大降低。进一步推广到城市污泥、畜禽粪便、木质素等原料高值化利用。有望实现更高的经济效益,推动生物质能源的工业化应用进程。

Abstract

A pilot-scale continuous-flow hydrothermal liquefaction (c-HTL) platform was developed,which incorporates raw material pretreatment,feed control,temperature control,pressure control,multi-stage stepwise separation,and a combined technology of rotary evaporation under slight negative pressure and extraction.This platform enables the continuous production and separation of biocrude oil at a scale of 100 kg/h.Taking the production of biocrude oil from food waste as an example,the oil yield reaches 28% with a significant reduction in separation costs.The technology has been further extended to the high-value utilization of other feedstocks including municipal sludge,livestock and poultry manure,and lignin.It is expected to achieve higher economic benefits and accelerate the industrial application of biomass energy.

Graphical abstract

关键词

生物质 / 水热液化 / 连续反应和分离 / 中试平台 / 生物质油

Key words

biomass / hydrothermal liquefaction / continuous reaction and separation / pilot-scale platform / biocrude oil

引用本文

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程肖帝,艾仙斌,阙志刚,蒋海伟,黄蓉,张珂,石金明. 生物质连续水热液化制油中试平台研究[J]. 现代化工, 2026, 46(S2): 345-349 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.S2.056

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随着全球可再生能源需求的不断增加,生物质资源利用的重要性日益凸显^[1-2]。生物质水热液化(HTL)制取生物质油是满足全球能源需求和减少碳排放的重要途径^[3]。然而,现有的实验室规模技术难以满足HTL工业化需求,亟待开发更高规模技术^[4-6]。间歇反应器具有设备简单、成本低下的优势,但存在持续性和安全性的不足。连续管式反应器对设备和工艺要求更高^[7-8]。对生物质原料进行预处理,降低颗粒硬度和尺寸,以更好地适应动力设备和连续管式反应器的结构要求^[9]。此外,目前的HTL反应后处理方法也难以实现连续性的要求,消耗了大量的人力成本。因此,开发一种高效、稳定的中试平台及工艺,对推动HTL工业化应用具有重要意义。

因此,开发了一种反应和分离工艺均连续的HTL(c-HTL)中试平台,并深入探讨了3个关键模块:预处理、连续反应和后处理。在预处理模块,生物质原料的颗粒大小和浓度至关重要。在连续反应模块中,温度和压力是关键因素。在后处理模块,采用了多步分级分离技术。从c-HTL中试平台运行中积累的数据和经验,对推动生物质HTL技术的大规模工业应用起着至关重要的作用。

1 实验部分

1.1 预处理模块

根据不同生物质原料的特性,采用适宜的预处理手段^[10-11]。

1.1.1 含水率≤75%的生物质

如畜禽粪便,采用烘干、粉碎、过筛等步骤进行预处理,以降低颗粒尺寸,从而提高流动性及反应活性。先将生物质原料烘干至含水量≤1%,再将干物料切断及破碎,过筛10~80目,将过筛后的粉末物料兑水配成1%~20%固含率的料液,等待后续反应。

1.1.2 含水率>75%的生物质

如城市污泥,进行球磨和压滤处理,以保持物料的湿度并减小颗粒尺寸。先使用行星球磨机将生物质球磨1~8 h,静置去除沉淀物。再使用压滤机进行压滤,滤布10~80目。滤液泵至c-HTL中试平台料液储罐内,等待后续反应。

c-HTL中试平台实验中餐厨垃圾取自南昌洪城环境股份有限公司脱油后的餐厨垃圾,含水率80%、孔径10目满足要求,不用进一步预处理,可直接用双液压缸螺杆泵输送入反应系统。

1.1.3 其他生物质

如纤维质或木质纤维质材料,通常先采用试剂浸渍处理,增加生物质内部的有效接触面积,再根据固含率大小选择合适预处理方法。

1.2 连续反应模块

c-HTL中试平台主要包含了进料控制系统、温度控制系统和压力控制系统。各控制系统通过计算机程序整合在同一操作界面上,实现实时检测和控制^[12]。

1.2.1 进料控制系统

如图1所示,进料系统由2个带搅拌器的料液储罐、双液压缸螺杆泵、高压变频泵、液体流量计、电磁阀、手动阀、阻尼器、单向阀等组成。通过料液储罐调节固含率并充分搅拌。进料管设有自下而上流动的扩径段或空腔结构,使较大颗粒通过重力沉降分离^[13]。

1.2.2 温度控制系统

采用多级加热策略^[14],包括预加热器、一级预加热器、二级预加热器等,确保物料逐步升温至300℃左右,随后进入生物质液化器进行HTL反应,再进入冷却系统回收热量。

1.2.3 压力控制系统

c-HTL中试平台反应压力的控制主要通过气液分离系统实现,使二级冷却液化后的料液在稳定压力下,进入气液分离系统中不间断地分离出液相产物和气相产物^[15-16]。

1.3 后处理模块

后处理模块包含气液分离、固液分离、萃取分离、旋蒸分离等步骤。本研究引入了多级分步分离技术、微负压旋蒸-萃取联用技术,以提升生物质油的分离质量和效率。

1.3.1 多级分步连续分离技术^[17]

c-HTL中试平台反应后得到固含率为2.5%~20%的混合物,先通过气液分离釜对混合物进行气液分离,获得气相产物和初级液相产物;再通过离心分离设备对固含率>15%的初级液相产物进行固液预分离,获得预分离固相产物和固含率≤5%的次级液相产物;然后通过过滤设备对固含率≤15%的初级液相产物和固含率≤5%的次级液相产物的混合物进行分离,得到过滤后固相产物和固含率≤1%的过滤后液相产物;再选择合适的萃取设备进行萃取分离、富集。最后对萃取后有机相进行分离得到生物质油,并回收溶剂循环用于萃取。

1.3.2 微负压旋蒸-萃取联用技术

在微低于大气压条件下,选择合适的有机溶剂对过滤后液相产物进行连续萃取和旋蒸,以获得生物质油和水相产物。具体步骤见图2^[18]。

过滤后液相产物和萃取溶剂分别通过液位差或离心泵形成的压力差进入萃取塔进行连续萃取,并不断分离输出为萃取相和萃余相;萃取塔中设有一个使萃取相连接外界大气的气压通道,通过此气压通道稳定萃取塔中萃取相和萃余相的分层位置,从而保证萃取过程的稳定性,并通过这个通道维持萃取塔输出的萃取相与旋蒸瓶之间的压力差,从而实现通过压力差输送萃取溶剂至旋蒸瓶中,并回收萃取相的挥发组分至旋蒸瓶中;萃取相通过旋蒸瓶与

萃取塔形成的压力差进入旋蒸仪中进行连续旋蒸,分离出生物质油,并不断冷凝输出回收溶剂。

2 结果与分析

2.1 c-HTL中试平台关键技术研究

反应原料以餐厨垃圾为例,研究c-HTL中试平台关键技术。

2.1.1 餐厨垃圾制油关键技术参数

c-HTL中试平台所用餐厨垃圾原料的含油率低于0.5%,含水率79.0%,粒径小于10目。表1、表2展示了餐厨垃圾的工业分析和元素分析。

由于c-HTL中试平台运行规模较大,先通过间歇釜实验研究生物质水热制油关键技术参数^[19]。如图3所示,反应时间30 min、固含率10%的餐厨垃圾生物原油的产率随反应温度升高呈现先增加后降低的趋势,在反应温度300℃最高达到48.9%。

餐厨垃圾原料热值仅约为12.51 MJ/kg,水热液化后生物原油热值大幅提升,在300℃下生物原油热值为33.61 MJ/kg。因为生物原油中C和H含量明显增加,O含量降低。

如图4所示,温度过低主要发生水热炭化反应,有机质转为生物炭。温度过高更容易发生水热气化反应,进一步验证生物原油产率随温度呈现先增后降的趋势。

2.1.2 c-HTL平台制油产品分析

c-HTL平台实验表明,反应温度300℃、停留时间30 min、反应压力10 MPa下,固含率10%餐厨垃圾c-HTL制油产油率可达到28%。反应产物经多级分离去除固体残渣和水相,最终清洗得到油相,油相回收率可达9%^[20]。餐厨垃圾c-HTL中试产物如图5所示。

进一步对餐厨垃圾生物质油进行检测见表3、表4。餐厨垃圾生物质油的密度为1 140 kg/m³,酸值49.44,芳香指数1 094,主要成分以脂类、酮类为主。以上数据为优化餐厨垃圾反应参数和进一步应用于污泥、畜禽粪便、木质素等生物质原料中试制油提供指导。

2.1.3 餐厨垃圾生物原油升级提质

生物原油的升级提质包括催化加氢、脱氧脱氮和酯化降酸等^[21]。如表5所示,c-HTL中试餐厨垃圾生物原油加氢脱氧提质后油品氧含量减少26.89%,而热值增加15.8%^[22]。

2.2 c-HTL中试平台性能评估

平台性能评估从以下3个模块展开,图6全面展示猪粪中试制油3个模块。

2.2.1 预处理模块的性能评估

针对生物质原料的物料特性,选择合适的预处理手段,比如浸渍处理,粉碎、过滤等技术联用,或球磨、压滤技术联用,并提高预处理过程的连续化水平。

2.2.2 连续反应模块的性能评估

c-HTL平台生物油产率:污泥8%、猪粪10%、木质素14%、餐厨垃圾28%。其他反应参数以单位质量的餐厨垃圾干料为例,详见表6。连续反应模块自动化控制具有提升工作效率、降低成本和高安全性等特点。

2.2.3 后处理模块的性能评估

后处理模块采用气液分离、固液分离、油水分离、溶剂分离和产物提纯等步骤,取得高效、降本、环保和提质的处理效果。此外,与现有技术相比,连续微负压旋蒸-萃取联用具有显著优势。如表7所示,以分离40 L油水混合物为例,采用微负压旋蒸-萃取联用,萃取和旋蒸总时间40 min,不受设备容积限制,可一次性连续进料并分离出油相,有效提升了分离效率,并在分离过程中极大地减少溶剂使用和溶剂排放,也减少了人力投入和环境影响。

3 绿色化与经济性分析

3.1 技术绿色化分析

技术绿色化评价指标包括碳足迹、污染物排放和资源利用率等。碳足迹分析从全生命周期评估技术路线的碳排放情况。c-HTL平台目前反应和分离的全过程能耗采用电能,单位时间运行的碳排放为57.8 kg CO₂。技术资源利用率主要包括废水循环利用率、溶剂回收效率。c-HTL平台具有高效资源利用率,废水循环利用率100%、溶剂回收效率82.1%。同时,生物质原料的能源化利用也具有重要减碳和降污价值。

3.2 技术经济性分析

c-HTL平台的成本核算包括建设成本和运行成本。初建建设成本和折旧成本200~300万元,但长期运行和规模化生产后,初期建设成本和折旧成本分摊比例下降。运行成本主要包括能耗成本和溶剂成本等。其中,原料多为廉价的生物质废弃物,成本可忽略不计。以处理脱油后的餐厨垃圾为原料,c-HTL平台生产生物原油的能耗成本约为21.4元/kg,溶剂成本约为33.5元/kg。此外,生物质废弃物的资源化利用间接减少了污染物的处置成本,还能创造高价值产品的额外收入,具有长远的社会和经济价值。

4 结论

集成预处理、进料控制、温度控制、压力控制、多级分步分离以及微负压旋蒸-萃取联用技术为一体的c-HTL中试平台,用于生物质HTL制油。并以餐厨垃圾中试制油为例,产油率达到28%,分离成本大大降低。平台能进一步拓展应用到城市污泥、畜禽粪便、木质素等生物质原料,扩大了生物质原料的适用应用范围。c-HTL平台具备100 kg/h连续反应和分离HTL制油能力,对推动生物质水热液化制油规模化应用和能源绿色转化具有重要意义。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

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