生物质废弃物水热液化理论与技术

能源是保障人类生存发展和衣食住行的基础，随着物质生活水平和科学技术水平的不断提高，人类社会对于能源的需求也越来越大，传统化石能源由于其形成条件复杂、形成过程缓慢等不可再生的特点而日渐枯竭。此外，自工业革命以来，煤炭、石油和天然气等传统化石能源的大规模开发和利用加剧了温室气体的排放，导致全球气候变暖，引发了严重的环境污染和气候变化问题，严重威胁了人们的生活健康。据国际能源署（IEA）统计，2019 年全球与能源相关的二氧化碳排放量中，中国碳排放量为98亿吨。其中煤炭、石油、天然气、其他消费所排放的二氧化碳量分别占总排量的 44%、34%、21%、1%。我国是能源大国，预计在未来30年，可再生能源将以年均8%左右的速率增长直至占我国一次能源消费分布的50%左右。以生物质废弃物为原料的生物质能源作为一种可再生能源，近年来备受世界各国的重视，并成为可再生能源研究领域中的一个热点。虽然我国的废弃生物质资源很丰富，如农作物秸秆、食品加工残渣、林业废弃物等，每年的产量相当于4.6亿吨标准煤，但其有效利用率并不高，这不但造成了生物质资源的浪费，而且若处理不当，如废弃生物质的露天焚烧等，还会造成大气环境污染、土壤环境恶化等一系列危害人类生命健康的严重问题。
水热液化技术的出现，为资源化利用生物质废弃物并改善生态环境提供了一种全新理念。水热液化（hydrothermal liquefaction, HTL）是将生物质快速转化为高能量密度液体燃料（生物原油）的可再生能源转化技术，具有无须干燥、全有机组分转化、适用原料宽泛、反应迅速等特点，是未来发展生物质能源的关键可再生能源转化技术。经过水热液化技术处理后得到的生物原油是未来能源、工业过程和交通运输行业传统化石燃料的重要替代物。此外，水热液化转化过程中的固相、水相和气相产物在工农业生产中均有重要作用，例如，固相产物因具有较丰富的含氧官能团和孔道结构，可用作环境治理、土壤改良剂或电化学材料；水相产物因具有杀菌抑制效应，可用作农作物抑菌剂；气相载热可回收用于液化用能等。
生物质能源作为一种可再生能源，其具有高效、清洁、污染小、可再生、易储存等特点，发展生物质能源可以有效地解决能源紧缺的问题并减少环境污染。在“双碳”目标引领下，“十四五”及今后一段时期是我国能源绿色低碳转型的关键期，也是落实应对气候变化国家自主贡献目标的攻坚期，生物质能源的生态环境功能越来越突出，我国可再生能源将进入全新的发展阶段，推进生物质能源多元化发展，大力发展非粮生物质液体燃料是落实我国碳达峰、碳中和目标任务的重要途径。水热液化技术的环境友好功能越来越重要，不少读者迫切想了解该技术的基础理论知识和前沿研究进展，因此，本书的编写对相关从业人员深化科学研究和突破技术难点，加强对生物质废弃物的资源化利用，推动我国生态文明建设、能源革命和低碳经济发展，保障美丽乡村建设、应对全球气候变化等国家重大战略实施具有重要意义。
本书编写团队近年来承担了国家自然科学基金重点项目、国际合作项目、面上项目等：寒地畜禽养殖废水梯级转化低温效应与生物炭强化机制（U21A20162）、农业畜禽和农村厕所废水多污染物快速消减机制与节能增效（52261145701）、有机废弃物加压水热液化转化年轻石油的应用基础研究（U1562107）、低脂高蛋白藻水热液化过程关键元素迁移与成油机制（51576206）；国家重点研发计划课题（2016YFD0501402）：固体废弃物热处理及生物炭汽油制备关键技术研发；美国比尔及梅琳达盖茨基金会项目：热水解-气化集成技术处理厕所粪尿的环境增值系统与装置等一系列针对水热液化技术突破和基础研究的重要课题。鉴于未来净零排放体系下生物原油广泛的应用前景以及国内尚缺乏针对生物质废弃物水热液化理论与技术的相关著作的现状，为了更好地向社会传播新颖的理论知识和前沿的技术研发进展，编写团队组织相关项目合作成员，系统梳理和总结了近年来在各项基金资助下的重要研究成果，合作编写本书。书中内容主要根据编者10余年水热液化技术的研发基础编写而成，团队近期获批教育部自然科学二等奖：富氮高湿生物质水热液化多元素转移行为与多相调控环境增值方法；同时参考了水热液化领域的国内外相关专著、期刊文献和技术资料，旨在为从事水热液化技术研究开发的科研人员和工程师全面梳理基础知识和技术要点，支撑水热液化技术相关的新能源、化工、农业工程、工程热物理等学科的发展，以推动我国可再生能源领域技术持续进步。
本书共分10章，分别从生物质废弃物水热液化的原料、过程与设备、技术与方法、产品与应用、挑战与机遇等方面展开，分章节讲述了生物质废弃物水热液化利用方面的系统理论知识。本书以生物质废弃物水热液化技术为主线，从生物质废弃物的水热转化技术入手，区分了不同水热转化技术的特点，阐述了水热液化技术的优势。全面讲述了水热液化的影响因素与模型预测、生物质的催化水热液化、水热液化生物原油特性与炼制、水热液化气相和固相资源化、水热液化常见分析方法等方面的内容，建立了水热液化由转化过程到产物利用的系统知识体系和方法学，深入剖析了生物质废弃物水热液化过程的转化途径与机制，阐明了水热液化各相产物利用的原理和方法，有助于读者全方位地理解水热液化技术的知识理论。着重讲述了水热液化水相特性及资源化内容，对水热液化水相的特征进行了全面的介绍，梳理了不同水相利用技术的原理和特点，为水相的资源化利用提供了丰富的解决途径。详细讲述了水热液化反应器及系统的内容，以“三传一反”理论为基础，分析了反应器系统各部件的设计特点和工程特性，为下一代水热液化反应器及系统的开发提供新的思路。最后，总结和展望了水热液化产业化的挑战与机遇，以期为未来本领域的科研工作者指引新的研究方向。全书内容通俗但不失严谨，瞄准学科前沿，注重基本原理与最新研究成果相结合，数据引用力求新颖，充分体现和说明水热液化技术发展的时效性和重要性，且穿插了作者多年来在相关领域的重要研究成果，对比分析了国内外生物质废弃物水热液化的发展概况及方向，使读者对水热液化理论与技术在世界范围内的发展有一个全面的了解，为读者提供有价值的参考。
本书内容丰富、系统性强，适用于水热技术研究领域的高校师生和科研人员，可作为生物质能源、农业工程、新能源科学与工程、农业生物环境与能源工程、环境科学与工程等学科教材和学术参考资料，能够帮助本专业及相近课题的科研工作者或研究生厘清研究思路，了解研究领域动态，也可供生物质热化学转化相关从业人员或生物质能源、石油化工、农林能源行业的教学、科研及管理人员阅读、参考。
本书由中国农业大学刘志丹主编，清华大学吴玉龙、复旦大学张士成、山东理工大学田纯焱、太原理工大学李虎岗、河南科技大学王影娴、中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所申瑞霞参与编写。其中，刘志丹负责统稿；段娜、周嘉良负责编写第1章；田纯焱负责编写第2章和第3章；吴玉龙负责编写第4章；王影娴、曹茂炅负责编写第5章；徐永洞、申瑞霞、王月瑶、罗铖负责编写第6章；张士成负责编写第7章；李睿、袁昌斌、孔德亮负责编写第8章；李虎岗负责编写第9章和第10章。在编写过程中，中国农业大学环境增值能源创新团队成员段娜、徐永洞、李睿、周嘉良、袁昌斌、孔德亮、曹茂炅、王月瑶、罗铖等作为主要编写人员参与，在此表示诚挚的谢意。化学工业出版社对本书的编写给予了热情指导，在此表示衷心的感谢。本书在编写过程中参考了国内外同行的有关资料，在此表示深深的谢意。最后，对资助书中相关课题研发和出版的各项基金表示诚挚的谢意。
由于书中内容涉及面广，执笔者都是第一线的科研工作者，兼具繁重的科研和教学任务，水平及时间有限，书中难免存在疏漏之处，欢迎有关专家和广大读者批评指正。

刘志丹
2023年2月

《生物质废弃物水热液化理论与技术》全面介绍了生物质废弃物水热液化的原理、相关理论与技术，对水热液化技术的发展提供理论支撑和技术参考。
本书主要介绍了生物质废弃物概况、水热转化原理、水热液化影响因素、水热液化反应器及系统、生物原油特性与炼制等生物质废弃物水热液化制备生物原油整体系统的基本知识。本书还介绍了有关水热液化水相副产物特性与资源化、气相和固相资源化、水热液化常见分析方法等，以及水热液化的产业化挑战与机遇。
本书适合从事或准备进入水热技术领域的企业家、投资家、政策决策者、工程技术人员阅读，还可供高校和研究院所的教师、研究人员和学生参考，也可作为研究生教材，同时也适合从事生物质能领域的工程管理人员参考。

第1章生物质废弃物概况001
1.1生物质种类001
1.1.1养殖废弃物001
1.1.2农作物秸秆001
1.1.3林业废弃物002
1.1.4生活有机垃圾002
1.1.5市政污泥002
1.1.6厕所粪污003
1.1.7藻类生物质003
1.1.8其他004
1.2基本性质004
1.2.1元素组成004
1.2.2生化组分与结构特性005
1.2.3工业分析007
1.2.4工程热物理特性008
1.3物料管理009
1.3.1物料管理模型009
1.3.2收集010
1.3.3运输010
1.3.4储存010
1.3.5预处理011
1.4生物质废弃物资源化012
1.4.1生物转化012
1.4.2热化学转化012
1.4.3其他013
参考文献013

第2章生物质废弃物水热转化原理016
2.1概述016
2.1.1水的热力学性质与水热转化原理016
2.1.2水热转化产物特性与应用018
2.1.3水热转化技术的分类021
2.2水热预处理022
2.2.1基本原理022
2.2.2技术特点023
2.2.3应用现状024
2.3加压水热转化技术025
2.3.1基本原理与技术特点025
2.3.2技术研发现状与推广026
参考文献030

第3章水热液化影响因子识别与预测模型043
3.1原料性质043
3.1.1单组分（模型化合物）水热液化043
3.1.2组分交互的水热液化机理053
3.1.3真实物质的水热液化059
3.1.4含固量062
3.2操作过程参数063
3.2.1运行时间063
3.2.2温度066
3.2.3压力069
3.2.4气体氛围070
3.2.5催化剂071
3.2.6产物分离073
3.2.7萃取溶剂076
3.3生物质水热液化成油预测模型077
3.3.1原料组成与水热成油模型077
3.3.2过程参数与水热成油模型079
参考文献079

第4章催化水热液化类别与分析093
4.1均相水热催化液化093
4.2非均相水热催化液化094
4.2.1金属氧化物催化剂095
4.2.2非均相酸碱催化剂096
4.2.3沸石分子筛催化剂以及非均相催化剂的水热稳定性098
4.2.4介孔硅基催化剂104
4.2.5碳材料催化剂106
4.3总结和展望114
参考文献115

第5章生物原油炼制途径与工艺118
5.1生物原油特性118
5.1.1物化特性118
5.1.2化学特性121
5.1.3稳定性124
5.1.4热特性和燃烧特性125
5.1.5润滑性128
5.1.6生物特性128
5.1.7毒性129
5.2生物原油炼制产品129
5.2.1粗燃料129
5.2.2精制燃料130
5.2.3高值化产品制备132
5.3生物原油炼制工艺与设备139
5.3.1蒸馏139
5.3.2混炼143
5.3.3加氢提质（粗油为原料）147
5.3.4油品性能对比148
5.3.5案例分析148
参考文献150

第6章水热液化水相物质理化特性及资源化途径156
6.1水相产物特征156
6.1.1水相产物的理化特性157
6.1.2模型化合物构建水热液化水相特性数据库159
6.1.3稳定性163
6.1.4环境效应165
6.2水相养分微藻资源化166
6.2.1微藻资源化水相技术原理166
6.2.2微藻资源化效果166
6.2.3水相的微藻抑制效应及提质增效方法168
6.2.4水相养分微藻资源化技术展望169
6.3水相有机物厌氧产能技术169
6.3.1厌氧发酵产能原理169
6.3.2水相污染物处理与产能效果170
6.3.3水相生物抑制效应及提质增效方法172
6.3.4水相有机物厌氧产能技术展望173
6.4水相制备病原微生物和昆虫防控剂的原理及技术174
6.4.1水相抑菌强度数据库174
6.4.2水相制备病原微生物和昆虫防控剂的原理及效果177
6.4.3水相抑菌剂应用展望188
6.5水相微生物电化学处理188
6.5.1微生物电化学原理188
6.5.2影响因素189
6.5.3膜材料190
6.5.4辅助电压和水力停留时间190
6.5.5温度与pH191
6.5.6阴极催化剂192
6.5.7阳极催化剂——电化学活性微生物192
6.5.8底物特性及浓度193
6.5.9胞外电子传递194
6.5.10微生物燃料电池195
6.5.11微生物电解池200
6.5.12存在问题及展望207
6.6水相组分分离与资源化209
6.6.1膜分离（肥料化）209
6.6.2沉淀210
6.6.3吸附210
6.6.4萃取210
6.6.5水相分离资源化技术展望211
6.7水相其他资源化方法211
6.7.1水相回用211
6.7.2水热气化212
6.7.3高级氧化213
参考文献214

第7章水热液化气相和固相资源化途径223
7.1水热液化气相特征223
7.1.1气相组成223
7.1.2气味物质及环境效应224
7.2水热液化气相处理与资源化225
7.2.1二氧化碳资源化225
7.2.2其他组分资源化226
7.2.3气相处理与资源化展望227
7.3水热液化固相资源化228
7.3.1固相组成228
7.3.2固相资源化技术229
7.3.3固相资源化展望233
参考文献234

第8章水热液化反应器及系统240
8.1连续水热液化系统与“三传一反”理论240
8.1.1系统组成240
8.1.2“三传一反”理论与水热液化过程244
8.1.3CFD模拟249
8.2水热液化反应器252
8.2.1反应器概况252
8.2.2连续搅拌釜式反应器261
8.2.3推流式反应器263
8.2.4混合式反应器267
8.2.5其他类型268
8.3连续水热液化泵送系统269
8.3.1泵送设备269
8.3.2可泵性检测和分析270
8.3.3挑战与展望271
8.4连续水热液化产物分离系统271
8.4.1压力补偿与产物分离271
8.4.2产物分离设备274
8.4.3挑战与展望274
8.5连续水热液化供热与热回收系统275
8.5.1热源与供热方法275
8.5.2供热装备276
8.5.3余热回收方法与设备276
8.5.4挑战与展望277
8.6连续水热液化监控系统277
8.6.1温度监控277
8.6.2压力监控278
8.6.3流量监控279
8.6.4均匀性监测279
8.6.5环境安全监测280
8.6.6关键器件监测281
8.7连续水热液化系统案例281
参考文献285

第9章水热液化过程及产品分析方法293
9.1水热液化分析方法293
9.1.1物质解聚293
9.1.2元素迁移294
9.1.3元素在产物中的分布295
9.1.4机器学习及其在水热液化中的应用296
9.2生物油及炼制产品分析方法299
9.2.1化学性质299
9.2.2物理性质306
9.2.3工程热物理特性308
9.3水热液化水相及资源化产品分析方法308
9.3.1物理化学性质309
9.3.2生物性质310
9.4水热液化气相及固相分析方法311
9.4.1气相分析方法311
9.4.2固相分析方法312
参考文献317

第10章水热液化产业化挑战与机遇319
10.1系统分析与评价319
10.1.1生命周期分析319
10.1.2技术经济性分析322
10.1.3技术经济评估案例324
10.2技术放大挑战与机遇335
10.2.1技术适应性335
10.2.2运行稳定性336
10.2.3操作安全性337
10.2.4经济性338
10.2.5运营模式338
参考文献339