低碳烯烃(乙烯、丙烯、丁烯)是重要的能源化工平台化合物。以生物质为原料制取低碳烯烃,对缓解化石能源的利用有重要意义。近年来,越来越多的学者展开生物质催化热解制备低碳烯烃的研究。催化热解制备低碳烯烃是一个非均相反应过程,则生物质与催化剂的接触方式将对低碳烯烃的生成产生影响。对不同接触方式的研究对揭示催化热解机制,提高低碳烯烃收率有重要指导意义。基于此,本文在国家自然科学基金《生物质原位富钙热解与在线Fe-ZSM催化制取低碳烯烃的机理研究》(51506071)的支持下,以HZSM-5为催化剂,采用两段式立式热解炉,对比分析了不同催化热解方式;以期结合对反应温度、载气流速、催化剂用量以及生物质原料种类等反应条件的研究,揭示催化热解过程作用机制;并进一步探索了不同活性组分改性HZSM-5对低碳烯烃收率及其选择性的影响。首先对比研究了生物质原位催化热解和非原位催化热解过程的产物三态产物分布,结果显示,在原位催化热解过程中,固体产物产率有较大程度的增加,气体的生成受到抑制,其中低碳烯烃产率也有所下降;而在非原位催化热解过程中,固体产物产率的增加程度相对较少,气体的生成得到促进,同时低碳烯烃产率也有所增加,尤其是乙烯;结合经两种方式使用前后的催化剂的理化特征,得出与原位催化热解相比,非原位催化热解是一种提高低碳烯烃收率的简单且有效的方式,对乙烯的析出有较明显的促进作用,且有延缓催化剂失活的潜力。接着研究不同催化剂用量、载气流量和不同反应温度等对低碳烯烃收率的影响,结果表明,催化剂用量、载气流量和反应温度对低碳烯烃收率的影响均存在一个峰值点,得出在催化剂用量为8g、载气流量为210 mL/min和反应温度为600℃时,有较高的低碳烯烃收率,约6.89C-mol%;然后在该反应工况条件下,研究十种不同木质纤维素类生物质的热解与催化热解,结果表明,低碳烯烃收率与生物质的三组分分布无明显关联,推测生物质中的灰分种类及其含量或三组分间的交互作用通过影响热解挥发分的组成,进而影响低碳烯烃收率;但不同木质纤维素类生物质的产物组成及其变化趋势是相似的;HZSM-5催化剂的添加,均促进了去羟基、去碳酸基、脱羧基和脱羰基等脱氧反应的发生,且提高低碳烯烃收率,对乙烯生成有较明显的促进作用。最后研究了铈、铁、镁和磷等活性组分改性分子筛催化剂对生物质催化热解的影响并探索通过分子筛改性提高低碳烯烃中丙烯和丁烯选择性的可行性。结果表明,铈、镁、磷和铁等活性组分改性的HZSM-5对提高低碳烯烃收率表现出不同程度的促进作用,其促进作用程度由强到弱依次为:铈>磷>镁>铁;其中在铈负载量为5wt%处,低碳烯烃收率可达9.18C-mol%,对应的丙烯选择性为36.83%,高于无负载时的25.37%;而铁对低碳烯烃的析出促进作用不明显,在铁负载量5wt%处,低碳烯烃收率反而有较明显的降低,而铁改性对丁烯表现出较高的选择性,在铁负载量为3wt%处,相应的丁烯选择性高达8.78%,远高于无负载时的0.87%。说明催化剂改性不仅能进一步促进低碳烯烃的析出,而且能实现对低碳烯烃选择性的调控。此外,结合改性催化剂的理化特征,推测分子筛催化剂孔结构的择形催化作用对低碳烯烃的析出起着重要作用。