1.3 木质纤维素的利用

以木质纤维素为资源能够获取的产品包括热能、燃料和化工原料。目前国内外开发了多种木质纤维素的利用技术，如图1-7所示。以获取热能为目的的木质纤维素利用技术主要为直接燃烧技术；以获取固体燃料为目的的木质纤维素利用技术包括压缩成型技术、热解技术、水热碳化技术等；以获取气体燃料或气体化工原料为目的的木质纤维素利用技术包括气化技术、热解技术、沼气发酵技术等；以获取液体燃料或液体化工原料的木质纤维素利用技术包括气化-间接液化技术、热解技术、水热液化技术、水解-发酵技术等[24,25]。

图1-7　木质纤维素利用技术及其产品

在上述多种木质纤维素转化所获得的产品中，液体燃料及液体化工原料由于与石油衍生产品性质相似，其后续加工炼制较为容易，因此具有相对较高的附加值，是国内外的研究热点[26,27]。如图1-7所示，利用木质纤维素制备液体燃料或化工原料的技术，根据过程中涉及的温度、压力和反应介质不同，可以分为木质纤维素气化-间接液化技术、木质纤维素热解技术、木质纤维素水热炼制技术和木质纤维素水解-发酵技术。

（1）木质纤维素气化-间接液化技术

该技术与当前工业化的煤间接液化技术相似，首先在高温条件下、采用水蒸气和O₂对木质纤维素进行气化，得到以CO、H₂和CH₄为主要成分的气体产物，然后以这些气体产物为原料，通过费-托合成、甲醇合成、烯烃合成等技术，得到以烷烃、烯烃、甲醇等为主要成分的液体产物。

（2）木质纤维素热解技术

该过程的转化温度一般在400℃以上，木质纤维素中的主要成分直接转化成气体混合物（10%～40%）、黏稠的油状液体（30%～75%）和固体残渣（10%～58%）。由于热解油的成分极为复杂且含有大量的呋喃环、酚环、羟基、羧基、羰基等官能团，热解油的稳定性较差，且热值较低，难以直接用作液体燃料，仍然需要通过加氢脱氧处理，才能替代液体燃料使用。热解油的加氢脱氧处理过程一般以Pt、Pd、Ni、Fe、Cu、Co等金属负载于固体酸载体上得到的加氢催化剂，在300～600℃的高温和2～20MPa的H₂压力条件下，将生物油中的氧元素进行脱除，最终获得氧元素含量小于0.7%（质量分数）的稳定性较好的生物油。

（3）木质纤维素水热炼制技术

该技术也是一种热化学转化过程，但是转化温度要比热裂解温度低很多。该过程采用液体（水、甲醇、乙醇、苯酚等）为反应介质，一般在130～300℃的温度下，将木质纤维素中的纤维素、半纤维素和木质素组分通过一系列分解和脱水反应，选择性地转化为小分子含氧有机物，包括5-羟甲基糠醛、糠醛、乙酰丙酸（酯）、乳酸（酯）、山梨醇、木糖醇、1,2-丙二醇、乙二醇、甲酸、苯酚等，然后对这些小分子含氧有机物进行酯化、缩合、加氢脱氧等反应，最终得到性质稳定、易挥发的液体有机物[28,29]。为了实现木质纤维素组分的定向转化，在木质纤维素水热炼制过程中通常会加入各种各样的催化剂，而催化剂的制备成本、催化剂的活性和回收过程是该类技术最终走向应用的关键。此外，木质纤维素水热炼制过程涉及木质纤维素解聚、平台化学品分离和加工等步骤，且各步骤之间的催化剂不同，会导致该类技术的分离成本较高。

（4）木质纤维素水解-发酵技术

该技术在微生物的作用下将木质纤维素中的纤维素、半纤维素和木质素等组分转化为液体有机物（乙醇、丁醇、琥珀酸等）。利用淀粉、蔗糖等易水解的原料发酵制备乙醇和丁醇的技术已经很成熟，但是以木质纤维素为原料通过发酵制备乙醇和丁醇的技术距离工业化仍有较大距离，这是因为木质纤维素中的纤维素组分难以通过低成本的手段水解得到能够用于发酵的水解液[12,30-32]。

鉴于本书的出版目的，本书在后面的章节中将重点叙述木质纤维素的水热炼制原理及技术，其他木质纤维素转化技术将不再是我们的讨论对象。