生物质能具有资源丰富、环境友好等特点,因而受到广泛重视和关注。热解液化技术可以将生物质转化成气体、固体和液体产品,是一种具有较好发展前景的生物质能利用方式。然而,截至目前,热解液化技术还未真正走向市场化应用,其原因之一是因为热解液化技术的主要产品生物油具有水分高、热值低、腐蚀性较强和稳定性较差等缺点,和汽/柴油等化石燃料相比,不具有竞争性。此外,生物油成分复杂,包含酸、醛、酮、呋喃和酚类等数百种物质,分离提纯难度大,限制了其作为化工原料使用。研究表明,通过热解气分级冷凝技术设置一系列温度不同的串联冷凝器,利用热解气组分之间露点的不同,可以得到多种不同的生物油,提高单级生物油的组分富集程度,降低单级生物油的复杂性。基于此背景,本文开展了以下两方面研究:1、生物质热解气和生物油的组成与性质研究,热解气模型化合物的建立。通过Py-GC/MS对稻壳、核桃壳、马尾松针和毛竹的主要热解产物进行了分析,同时研究了预处理和实验条件对毛竹热解产物的影响。结果表明:四种原料的热解产物均含多种高附加值化合物,如糠醛、2(5H)-呋喃酮、甲基环戊烯醇酮、愈创木酚、4-乙烯基愈创木酚等,且它们的主要热解产物种类相似,但各组分含量不同。稻壳热解产物中2,3-二氢苯并呋喃和4-乙烯基愈创木酚含量较高;核桃壳热解产物中酚类产物均具有较高含量,尤其是愈创木酚、4-甲基愈创木酚、4-乙烯基愈创木酚、异丁香酚等;马尾松针热解产物中乙酸、羟基丙酮等含量较高;毛竹热解产物中乙酸、羟基丙酮和2,3-二氢苯并呋喃的含量很高。此外,马尾松针热解产物中具有一些独有成分,如吡咯、柠檬烯等。预处理可以显著改变生物质热解产物的组成;水洗可使乙酸、羟基丙酮等产物含量下降,酚类产物含量上升;酸洗促进脱水反应的发生,使糠醛、左旋葡聚糖等产物含量上升;碱洗可以促进木质素的热解,使酚类物质含量上升。热解温度越低,热解产物越简单,产率越低;热解温度越高,产物越复杂。不论热解温度高低,延长热解时间均有利于产物生成,但高温所需的热解时间较短。通过GC/MS和Py-GC/MS对生物油和经过高温老化的生物油的主要组分进行了分析,测量和分析了生物油的主要理化性质。此外,利用TG-FTIR分析了生物油的热失重特性。结果表明:不同的检测方式对生物油组分检测结果具有一定的影响。GC/MS检测生物油的成分较为全面,而Py-GC/MS对于易挥发组分检测效果较差,但是对酚类的检测结果较好。生物油和热解气成分有明显差异,生物油中醛、酮类等性质较为活泼的成分含量较低,取而代之,其成分中包含较多的缩醛类物质。老化生物油的小分子醛类、酮类、呋喃类产物含量减小,酚类和部分酯类含量上升。生物油和老化生物油的热失重过程均可以分为三个阶段,即小分子物质如甲醇和水等的蒸发阶段、酚类等重质组分的蒸发和热解阶段和焦炭的形成阶段。此外,添加甲醇对于生物油的稳定性具有较好的促进作用。根据热解气和生物油的成分分析结果,制定一系列原则选取特征组分,建立了核桃壳生物油的特征组分模型。结合不可凝气的定量分析结果,建立了核桃壳热解气的29组分特征模型,并分析了其物性测量或估算方法。2、热解气模型化合物的分级冷凝研究与生物质热解分级冷凝研究。以苯酚、糠醛、乙酸、水、甲醇和氮气为热解气模型化合物进行模拟和实验研究,其结果表明:可冷凝组分在冷凝器中按照其沸点大小发生凝结,但是凝结温度小于沸点。冷凝温度较高,有利于苯酚、糠醛等沸点较高产物的富集,冷凝温度较低,则有利于甲醇的富集。冷凝器结构会影响组分的富集,直形冷凝管对甲醇、水等低沸点组分的富集效果较好,而球形冷凝管对糠醛、苯酚等沸点较高的组分富集效果较好。建立了生物质固定床热解三级冷凝小试装置,对稻壳和核桃壳进行了热解分级冷凝研究,其结果表明:热解温度对产物的产率和液体产物成分影响较大,提高热解温度可以增加酚类产物含量,但过高的热解温度会降低愈创木酚等产物的含量。冷凝温度对生物油分布影响较大,载气流量对产物影响较小。两种原料在相同条件下的组分富集规律一致,即高温段富集了酚类产物,中温段富集了酸类和水,低温段富集了呋喃类和烃类产物。建立了生物质热解四级冷凝中试装置,对稻壳和核桃壳进行了热解分级冷凝研究,其结果表明:当四级冷凝温度分别为220、105、70、20 ℃时,稻壳热解分级冷凝获得的一级生物油为粘稠黑色物质,常温下凝固;二级生物油水分较低,热值、粘度较高且酚类含量较高,适合用作化工原料提取酚类物质;三级生物油水分含量最高,酸性最强,可用作木醋液或提取乙酸;四级生物油水分较低,热值较高,酸性最弱且含有一些高热值的芳香烃,可用作液体燃料。而对核桃壳热解研究时,控制四级冷凝温度分别为70、30、20、20 ℃,一级生物油的水分含量很高,超过液体产物总水分的80%;二级和三级生物油的物理性质和元素组成较为相似,其水分、热值、粘度和pH值均适中,适合用作液体燃料;四级生物油的水分最低,热值最高,酸性最弱且酚类含量最高,可用作液体燃料或化工原料。