《Journal of the Energy Institute》：Selective recovery and pre-fractionation of high-viscosity bio-oil via fixed-bed condensation during fast pyrolysis of sisal residue
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剑麻残渣热解的高粘度生物油通过玻璃珠填充固定床系统实现高效回收与分子分离，响应面法优化显示450℃和611 g/h时产率达15.08%，非热解极性分馏模式下前段富芳族酚类物质，后段集中含氧烷烃酯类，CHN分析验证碳氧比例递变规律。
阿瑟·L·M·桑塔纳（Arthur L.M. Santana）| 埃兰·A·帕切科（Erlan A. Pacheco）| 玛丽亚·多·卡莫·兰格尔（Maria do Carmo Rangel）| 西尔琳·B·利马（Sirlene B. Lima）| 卡洛斯·奥古斯托·M·皮雷斯（Carlos Augusto M. Pires）
化学反应工程实验室（Chemical Reaction Engineering Laboratory），PPEQ，巴伊亚联邦大学（Escola Politécnica da UFBA），阿里斯蒂德斯·诺维斯街（Rua Aristides Novis）2号，2楼，萨尔瓦多（Salvador），巴伊亚州（Bahia），巴西，邮编：40.210-910
摘要
本研究介绍了一种固定床冷凝系统，用于从剑麻残渣（Agave sisalana）的快速热解过程中回收和分离高粘度生物油。该系统采用一系列装有玻璃珠的不锈钢容器，能够高效回收并在线分离热解产生的蒸汽。研究应用响应面方法（Response Surface Methodology, RSM）优化了生物油的产率，发现当反应温度为450°C、生物质进料速率为611 g/h时，生物油的产率可达15.08%。整个系统能够完全保留生物油，无任何损失。通过FTIR、GC-MS和NMR等化学分析方法发现，这种分离过程是非热性的，受极性驱动。初始阶段的容器中主要含有芳香族和酚类化合物，而含氧脂肪族化合物（如醇和酯）则集中在中间和最后的容器中。元素分析（CHN）显示，从第2个容器到第5个容器，碳含量增加而氧含量减少。这些结果表明，玻璃珠系统兼具回收和被动分子分离的双重功能，为生物油的增值利用提供了一种可扩展且可持续的方案。
引言
快速热解因其环境优势及较低的处理成本而成为将生物质转化为生物油的有效途径[1][2]。在此过程中，生物质的主要成分（纤维素、半纤维素和木质素）分解成不同类型和大小的分子，这些分子以气溶胶和可凝结/不可凝结蒸汽的形式从反应器中排出[3]。可凝结蒸汽可通过快速冷却系统转化为液体，而气溶胶则可通过流体聚结技术进行回收[3]。
文献中报道了多种高效的生物油回收实验方案，主要涉及换热器和静电沉淀器[4][5][6][7][8]；还有一些研究者探索了非传统系统，如与换热器结合使用的离心机和旋风分离器[10][11]。然而，尽管离心机和旋风分离器需要高压电源[3][12]，但其性能仍不如静电沉淀器。
在试点或工业规模设施中，常用的生物油收集系统通过冷喷雾直接接触蒸汽和气溶胶，使用生物油本身、碳氢化合物或水[13][14][15]，从而提高处理效率。但这种方法可能引发分子裂解反应，降低最终产品产量，并因引入额外流体而增加环境影响。
来自甘蔗渣、桉树和玉米秸秆等生物质的生物油在冷凝温度下粘度较低，可使用常规设备轻松回收[16][17]；而某些生物油（如剑麻残渣提取的生物油）粘度较高（353–2699 mPa·s，倾点为55°C），传统方法难以收集[18][19]。詹贝罗（Jambeiro）等人[19]指出静电沉淀器因快速饱和而失效，桑塔纳（Santana）等人[20]也发现液体对设备壁的附着会降低热解单元的效率。
为克服这些限制，桑塔纳等人[20]提出了一种由多个串联连接的固定床水容器组成的系统，可收集不同粘度的生物油。实验结果表明，收集到的生物油中不含酚类化合物（这些化合物在过程中被水吸收）。作者认为这一方法具有科学意义，因为它能够在热解过程中分离出酚类物质，从而省去了后续分离步骤。不过，如果处理不当，水的使用会带来环境风险。因此，研究更可持续、更环保的生物油回收方法具有重要意义。
另一种替代方案是使用串联连接的固定床珠子，为高效收集生物油提供适宜的表面。固定床技术广泛应用于化工行业的多个领域，如废水处理[21][22]、太阳能热储存[23]和燃料生产[24][25]。尽管固定床中的聚结机制已有充分研究[26][27][28][29]，但其在热解生物油收集系统中的应用仍较为有限。
本文基于桑塔纳等人[20]之前提出的分离容器，研究了使用玻璃珠固定床从剑麻残渣热解过程中收集生物油的方法。研究探讨了生物质进料速率和热解温度对收集容器中生物油产率的影响，并分析了生物油中的化学成分，以评估热解过程中的分离效果。
节选内容
剑麻残渣
本研究使用的剑麻残渣来自巴西半干旱地区。通过专用设备刮取剑麻纤维后进行储存，以减缓其物理化学降解。热解前，生物质在105°C的烤箱中干燥4小时。实验中使用的剑麻残渣保持原始形态，未改变颗粒直径。其粒径分布特征如下...
热解产物
流化床反应器中的快速热解实验结果与文献中的理论预测基本一致，同时也揭示了被动冷凝系统的操作局限性。通过对比分析（表2），系统评估了温度（T）和生物质进料速率（W）对生物油（YT）、生物炭（Yb）及不可凝结气体（Yg）产率的影响。
讨论
选择90%的置信水平（p值<0.10）而非更为保守的95%阈值（p值<0.05），是基于本研究的探索性质及试点设施的局限性。这一统计调整旨在提高检测潜在效应的敏感性，即使在操作条件变化较大的情况下也能有效识别早期趋势。
结论
研究表明，装有玻璃球的固定床冷凝器在被动回收和预分离高粘度生物油方面表现出优异效果。该系统能够高效收集生物油，直至第六个容器，同时最大限度地减少气溶胶和气体排放造成的损失。
温度和进料速率是影响产率的主要因素，最佳操作条件为...
作者贡献声明
西尔琳·B·利马（Sirlene B. Lima）：撰写、审稿与编辑、实验设计、方法学研究、概念构建。
卡洛斯·奥古斯托·德·莫拉埃斯·皮雷斯（Carlos Augusto de Moraes Pires）：撰写、审稿与编辑、项目管理、资金申请、概念构建。
埃兰·A·帕切科（Erlan A. Pacheco）：方法学研究、数据分析。
玛丽亚·多·卡莫·兰格尔（Maria do Carmo Rangel）：撰写、审稿与编辑、结果验证、数据分析。
阿瑟·L·M·桑塔纳（Arthur L. M. Santana）：初稿撰写、结果验证、资源调配、方法学研究、实验设计、数据分析。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了巴伊亚州研究支持基金会（FAPESB，项目编号DTE:0061/2011）和巴西高等教育人员培训协调委员会（CAPES，资助代码001）的支持。作者感谢PPEQ实验室（UFBA）、UFBA过程实验室以及UFBA核磁共振实验室（LABAREMN/UFBA）的支持。
