課題8介紹(集成驗證和全生命周期評價)

課題8:生物質液化過程耦合集成優(yōu)化理論和模型研究2007CB210208

研究方案及技術路線構建以下兩個生物質轉化為高品位液體燃料的轉化途徑：轉化途徑一：生物質熱解催化提質生產高品位液體燃料轉化途徑二：生物質氣化合成醇、醚類、生物質汽柴油液體燃料研究方案及技術路線選擇性熱裂解催化提質的集成驗證定向氣化催化合成的集成驗證生物質集成驗證系統(tǒng)?；沈炞C系統(tǒng)優(yōu)化轉化過程全生命周期評價液化過程技術理論集成與優(yōu)化項目其他課題基礎研究成果擬解決的關鍵科學問題生物質液化過程系統(tǒng)關鍵環(huán)節(jié)的耦合集成優(yōu)化生物質液化過程的綜合評價和生物質液體燃料標準指標的選擇研究內容生物質選擇性熱裂解制取清潔液體燃料的實驗室規(guī)模集成驗證研究生物質氣化合成液體燃料的實驗室規(guī)模集成驗證研究生物質轉化為高品位液體燃料過程模化研究生物質轉化高品位液體燃料過程優(yōu)化研究生物質轉化為高品位燃料技術及理論的集成與優(yōu)化研究生物質液化過程全生命周期綜合評價研究生物質液體燃料評價及標準研究課題任務和目標建成生物質選擇性裂解制取潔凈液體燃料的實驗室規(guī)模集成驗證系統(tǒng)建成實驗室規(guī)模的生物質氣化合成液體燃料的實驗室規(guī)模集成驗證系統(tǒng)建立生物質制取高品位液體燃料過程的理論模型建立綜合技術性能、經濟性能和環(huán)境影響性能評價的生物質規(guī)模化轉化為高品位液體燃料的全生命周期評價模型構建一套適合于生物質制取得到的高品位液體燃料的評價標準建成生物質液體燃料轉化過程全生命周期評價的基礎信息數據庫在研究領域內發(fā)表SCI和EI檢索論文累計達25篇以上，撰寫專著1部，組織1次高水平的國際學術會議，形成2～3項發(fā)明專利，爭取達到可以向生產轉化的技術水平。培養(yǎng)博士14名，碩士20名。研究工作主要進展及創(chuàng)新性轉化途徑一：生物質熱解催化提質生產高品位液體燃料Rawbio-oil醇、醚、醛、酮、酸、酚及各種衍生物的含氧混合物+H2O+PMBio-fuelheat？生物質熱裂解制取高品位液體燃料集成驗證系統(tǒng)的技術路線生物質高品位液體燃料生物質熱解催化提質制取的高品位液體燃料一種含有醇、醚、酯等穩(wěn)定含氧化合物和烴類的有機混合物常溫常壓下為液態(tài)，在一定條件下具有良好揮發(fā)性可與汽/柴油進行良好摻混以代替汽/柴油作為發(fā)動機用燃料不同于現有生物柴油和生物乙醇，是一種新型的生物質燃油生物質選擇性熱裂解制取液體燃料驗證系統(tǒng)系統(tǒng)參數和產物分布熱解爐給料量kg/h30熱解爐溫℃600熱解揮發(fā)份氣量Nm3/h5.6生物油產量kg/h19.5熱解尾氣量Nm3/h3.5熱解焦炭產量kg/h6生物油超臨界改性生物油乳化生物油酯化不同種類生物質熱裂解生物油的化學族分布

生物質熱裂解焦的孔隙特征不同種類生物質熱裂解液化試驗Y型分子篩具有較好的選擇性：降低含氧化合物（如醛、酸、醚）產量生成更多的異烷烴和芳香烴生物質選擇性熱裂解調控林業(yè)廢棄物和農業(yè)廢棄物生物油適合于乳化，且有較長的穩(wěn)定期后續(xù)采用紅木熱解生物油制備的生物油/柴油乳化燃料，穩(wěn)定時間達到1年乳化燃料的動力粘度和表面張力值的降低能極大地促進其穩(wěn)定性生物油/柴油乳化試驗研究生物油/柴油乳化最佳的HLB值在7.5-8.5之間。生物油的催化酯化

固體酸催化劑SO42-/SiO2-TiO2

酚類、酸類、醛類物質明顯減少，酯類、縮醛類、醚類明顯增加，活潑基團轉化為了較穩(wěn)定的基團。

物性指標酯化前后生物油原油SO42-/TiO2SO42-/TiO2-ZrO2SO42-/TiO2-SiO2水分（wt％）35.4824.4324.2624.89pH3.84.34.44.3粘度（mm2/s）14.42.782.762.83熱值（MJ/kg）17.5422.0921.7922.20精制油/柴油乳化燃料發(fā)動機性能測試發(fā)動機性能測試平臺①適用于未經改裝的不同小型發(fā)動機，無需引燃，直接啟動運行②當量油耗率均低于柴油，節(jié)油效果明顯。③乳化油的污染物的排放能夠有效的降低。乳化油A1的污染物排放量最低，燃燒效率相對較高，是三種乳化油中最適合應用的一種。④適當的配比可改善發(fā)動機的熱效率，乳化劑的增加，可降低當量油耗率和提高有效熱效率。生物油加醇使更多的羧基和羰基轉化為易于燃燒的酯類和縮醛類，提高了燃燒效率，改善燃燒效果。精制生物油/柴油新型乳化燃料：生物油品質評價標準研究

項目質量指標試驗方法生物原油精制生物油熱值MJ/kgHHVLHV>17>15>22>20DIN51900(ASTMD4809)運動粘度（20℃，cst）<50<7ASTMD445(GB/T265)閃點(閉口)/℃>40≥45~55ASTMD93(GB/T261)康拉遜殘?zhí)恐?%<23<12ASTMD189(GB/T268)水含量wt%<30<20ASTME203銅片腐蝕（50℃，3h）/級不大于1級不大于1級ASTMD130(GB/T5096)pH2.0～4.04.0～5.0pH計灰分,wt%≤0.03≤0.01ASTMD482(GB/T508)密度(20℃)g/cm31.1～1.30.9～1.1ASTMD4052(GB/T1884)固體含量,wt%≤1≤0.1ASTMD7579均質性單相(水分含量變化<5%)單相(水分含量變化<5%)靜置7天熱穩(wěn)定性（80℃,24h）固體量增加，max<0.1%<0.1%粘度增加，max<5%<5%

相穩(wěn)定性單相單相潤滑性(60℃),μm ≤460≤460ASTMD2783(GB/T12583)生物油超臨界改性提質生物原油、輕質餾分、蒸餾殘余及提質油組分對比生物原油、輕質餾分、蒸餾殘余及提質油產物組分數據生物油:

大量的酚、酸、酮輕質組分：大量酸和酮、一定量的酚蒸餾殘余:主要是酚、酸、酮、醛提質油:①生物油中的酸全部轉化為相應的酯，醛在加氫條件下全部轉化；②酚類和酮類物質含量明顯降低，酯類和醚類物質稱為提質油主要組分；③生物油在超臨界乙醇中目標產物含量高，提質效果優(yōu)于甲醇。生物質選擇性熱裂解制取高品位液體燃料驗證系統(tǒng)-能量與質量平衡生物質提質生物油的應用-汽油機燃燒實驗燃燒所用提質后生物油汽油機燃燒提質生物油和汽油時污染物排放特性汽油機在燃燒提質生物油時污染物的排放水平在燃燒汽油時各工況的范圍之內。提質后生物油的物化性質密度（g/mL）0.84閃點（°C）25燃點

（°C）309.421.4PH值6.7沸程

（°C）75~165含水量38%發(fā)動機：力帆162FMJ汽油機1.將該生物油脫水至13%后進行發(fā)動機燃燒實驗2.常規(guī)汽油在發(fā)動機內的燃燒實驗提質生物油的應用-汽油機燃燒實驗對發(fā)動機進行簡單調整以后，能夠使提質生物油穩(wěn)定燃燒轉化途徑二：生物質氣化合成醇、醚類、生物質柴油液體燃料CmHnOCO+H2Tar,PMNH4,H2SNa,KCO+H2DMEMtOH/EtOHDiesel+O2+H2OheatcatalystsCleanShift如何通過氣化提高C、H轉化率和H2/CO比?如何液化合成制取高品位液體燃料?生物質氣化合成液體燃料集成驗證系統(tǒng)的技術路線生物質氣化合成制取液體燃料驗證系統(tǒng)氣化合成驗證系統(tǒng)參數氣化爐給料量kg/h6氣化爐爐溫℃1200氣化劑Nm3/h1.26催化劑裝填量ml30合成壓力Mpa5合成溫度℃250甲醇產量g/h20生物質高溫氣流床氣化合成氣含量達到80％以上

中溫烘焙（～250℃）能獲得較好的固體和能量產率；烘焙生物質能夠改善煤氣成分，提高氣化的總體效率生物質氣化過程優(yōu)化典型的氧氣氣化結果：木屑，1200℃，60目，O/B=0.3,1.2s停留時間。產氣：0.94Nm3/(kgbio)CO:45%H2:32%CO2:12%CH4:5%COH2CO2灰渣44%H51.5%C12.3%C28%C56%HC目前現狀：解決方法1水蒸氣氣化2分離氣化生物質揮發(fā)份焦炭O2+H2O混合氣化產物揮發(fā)分焦炭揮發(fā)分不與O2直接接觸，避免O2與熱解產生的H2發(fā)生燃燒反應，增加產物中H2含量無揮發(fā)分的影響，可以根據O2、H2O的量直接決定氣化產物中CO與CO2的相對含量更高的O2濃度，更快的焦炭氣化速度生物質氣化過程優(yōu)化模擬H元素轉化率C元素轉化率H2/CO生物質氣化過程優(yōu)化模擬CO+H2CH3OHEGDMEMTGCO轉化率66.3%DME選擇性89.6%準一步法HZSM-5油的產率高達40%轉化率達到100%，選擇性達到95%Cu/SiO2CO偶聯氧化法甲醇乙二醇二甲醚甲醇制汽油用合成氣，合成中間產物甲醇，甲醇進一步脫水得到二甲醚，和通過甲醇制汽油；通過合成氣制備化工原料乙二醇。生物質合成氣合成液體燃料生物質合成氣合成液體燃料催化劑100h的穩(wěn)定性實驗表明，催化劑的穩(wěn)定性和壽命都有較大的提高。準一步法工藝相比于一步法和兩步法工藝，具有占地少、投資低的優(yōu)勢。合適的氫酯比下,草酸二甲酯的轉化率達到100%，乙二醇的選擇性達到95%。催化劑活性優(yōu)于或等于其它課題組的研究成果，催化劑制過程簡單易操作。加氫反應高效催化劑Cu/SiO2氣態(tài)烴液態(tài)烴MTG反應的產油率可達到40%，其中汽油組分可達到75%

提高催化劑的使用壽命制取DME制取乙二醇制取MTG主要包括了預處理、氣化、冷卻、凈化、重整以及合成六個板塊生物質氣化合成制取高品位液體燃料系統(tǒng)

通過對氣化工藝的選擇，可以將系統(tǒng)整體效率提高到35%以上單方面考慮系統(tǒng)效率，加壓氣化體現出優(yōu)勢；烘焙預處理可以有效提高合成氣的冷煤氣效率，從而提高整個系統(tǒng)的表現；加壓氣化在提高效率的同時產率略微下降，而烘焙預處理技術則可以同時提升效率和產率。MTG過程物料變化生物質氣化合成制取高品位液體燃料

系統(tǒng)-能量與質量平衡質量平衡質量平衡能量平衡生物質液化過程LCA評價研究范圍

生物質液化過程生命周期綜合評價研究清單分析與環(huán)境評價模型項目甲醇BM100二甲醚BDM100生物原油提質生物油BD100乳化油BDE20轉化工藝一步法氣化合成一步法氣化合成熱解熱解＋酯化熱解＋柴油乳化生物質原料秸稈秸稈秸稈秸稈秸稈液體燃料成分100%甲醇100%二甲醚100%生物油100%提質生物油20％生物油＋80％0＃柴油原料消耗（t生物質/t液體燃料）3.244.532.433.950.706低熱值MJ/kg19.928.916.021.436.8生物質轉化液體燃料的主要技術參數生物質液化過程生命周期綜合評價研究全生命周期環(huán)境影響成本

生物質甲醇與二甲醚環(huán)境影響較小，其中一步法制取二甲醚環(huán)境成本最低；二者相比化石柴油可降低20％-25％，而相比煤基甲醇與煤基二甲醚可降低50％左右。生物質熱解原油以及生物乳化油BOE20與化石柴油環(huán)境成本基本相當，而生物原油經酯化的提質生物油的環(huán)境影響高于化石柴油。考慮生物質補貼的真實成本生物質液化過程生命周期綜合評價研究生物質真實成本考慮生物質的價格補貼，生物質液體燃料的經濟成本顯著降低，生物質甲醇和二甲醚的經濟成本分別高出煤基甲醇和二甲醚，且生物質甲醇、生物質二甲醚和生物質原油的真實成本不僅低于化石柴油，而且低于煤基甲醇和煤基二甲醚，但生物乳化油和提質生物油的真實成本仍高于化石柴油約15％和32％。原料價格變化的敏感性分析

在考慮生物質補貼的條件下，當原油價格高于$80/桶時，生物質二甲醚和甲醇的真實成本總低于化石柴油；對于提質生物油的綜合性能，當原油價格高于$140/桶時，提質生物油的真實成本可與化石柴油真實成本相當。

生物質液化過程生命周期綜合評價研究生命周期評價數據軟件

可查詢生物質成分性質等詳細信息；查詢計算生命周期污染物排放清單；基礎信息數據庫具有可擴展性；實現生物質轉化過程污染物排放清單、環(huán)境影響成本，以及各種環(huán)境影響類型的成本計算與分析生物質液化過程生命周期綜合評價研究主要創(chuàng)新成果生物質選擇性熱裂解制取清潔液體燃料集成驗證研究：選用具有高去氧活性和烴類選擇性的催化劑，在生物油制取中實現對其成分的調控，降低粗生物油含氧化合物（如醛、酸、醚）產量建立生物質流化床快速選擇性熱裂解試驗系統(tǒng)，得出7種常見生物質熱裂解制油規(guī)律取得