課題8介紹(集成驗證和全生命周期評價)

課題8:生物質(zhì)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(shù)路線構(gòu)建以下兩個生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高品位液體燃料的轉(zhuǎn)化途徑：轉(zhuǎn)化途徑一：生物質(zhì)熱解催化提質(zhì)生產(chǎn)高品位液體燃料轉(zhuǎn)化途徑二：生物質(zhì)氣化合成醇、醚類、生物質(zhì)汽柴油液體燃料研究方案及技術(shù)路線選擇性熱裂解催化提質(zhì)的集成驗證定向氣化催化合成的集成驗證生物質(zhì)集成驗證系統(tǒng)?；沈炞C系統(tǒng)優(yōu)化轉(zhuǎn)化過程全生命周期評價液化過程技術(shù)理論集成與優(yōu)化項目其他課題基礎(chǔ)研究成果擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題生物質(zhì)液化過程系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的耦合集成優(yōu)化生物質(zhì)液化過程的綜合評價和生物質(zhì)液體燃料標準指標的選擇研究內(nèi)容生物質(zhì)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(zhì)氣化合成液體燃料的實驗室規(guī)模集成驗證研究生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高品位液體燃料過程模化研究生物質(zhì)轉(zhuǎn)化高品位液體燃料過程優(yōu)化研究生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高品位燃料技術(shù)及理論的集成與優(yōu)化研究生物質(zhì)液化過程全生命周期綜合評價研究生物質(zhì)液體燃料評價及標準研究課題任務(wù)和目標建成生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)制取高品位液體燃料過程的理論模型建立綜合技術(shù)性能、經(jīng)濟性能和環(huán)境影響性能評價的生物質(zhì)規(guī)?；D(zhuǎn)化為高品位液體燃料的全生命周期評價模型構(gòu)建一套適合于生物質(zhì)制取得到的高品位液體燃料的評價標準建成生物質(zhì)液體燃料轉(zhuǎn)化過程全生命周期評價的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫在研究領(lǐng)域內(nèi)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(xué)術(shù)會議，形成2～3項發(fā)明專利，爭取達到可以向生產(chǎn)轉(zhuǎn)化的技術(shù)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(zhuǎn)化途徑一：生物質(zhì)熱解催化提質(zhì)生產(chǎn)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(zhì)熱裂解制取高品位液體燃料集成驗證系統(tǒng)的技術(shù)路線生物質(zhì)高品位液體燃料生物質(zhì)熱解催化提質(zhì)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(xiàn)有生物柴油和生物乙醇，是一種新型的生物質(zhì)燃油生物質(zhì)選擇性熱裂解制取液體燃料驗證系統(tǒng)系統(tǒng)參數(shù)和產(chǎn)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(chǎn)量kg/h19.5熱解尾氣量Nm3/h3.5熱解焦炭產(chǎn)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(zhì)熱裂解生物油的化學(xué)族分布

生物質(zhì)熱裂解焦的孔隙特征不同種類生物質(zhì)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(chǎn)量生成更多的異烷烴和芳香烴生物質(zhì)選擇性熱裂解調(diào)控林業(yè)廢棄物和農(nóng)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(zhì)明顯減少，酯類、縮醛類、醚類明顯增加，活潑基團轉(zhuǎn)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(jīng)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(yīng)用的一種。④適當?shù)呐浔瓤筛纳瓢l(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(zhuǎn)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(zhì)評價標準研究

項目質(zhì)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(zhì)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(zhì)生物原油、輕質(zhì)餾分、蒸餾殘余及提質(zhì)油組分對比生物原油、輕質(zhì)餾分、蒸餾殘余及提質(zhì)油產(chǎn)物組分數(shù)據(jù)生物油:

大量的酚、酸、酮輕質(zhì)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(zhì)油:①生物油中的酸全部轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的酯，醛在加氫條件下全部轉(zhuǎn)化；②酚類和酮類物質(zhì)含量明顯降低，酯類和醚類物質(zhì)稱為提質(zhì)油主要組分；③生物油在超臨界乙醇中目標產(chǎn)物含量高，提質(zhì)效果優(yōu)于甲醇。生物質(zhì)選擇性熱裂解制取高品位液體燃料驗證系統(tǒng)-能量與質(zhì)量平衡生物質(zhì)提質(zhì)生物油的應(yīng)用-汽油機燃燒實驗燃燒所用提質(zhì)后生物油汽油機燃燒提質(zhì)生物油和汽油時污染物排放特性汽油機在燃燒提質(zhì)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(nèi)。提質(zhì)后生物油的物化性質(zhì)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(nèi)的燃燒實驗提質(zhì)生物油的應(yīng)用-汽油機燃燒實驗對發(fā)動機進行簡單調(diào)整以后，能夠使提質(zhì)生物油穩(wěn)定燃燒轉(zhuǎn)化途徑二：生物質(zhì)氣化合成醇、醚類、生物質(zhì)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(zhuǎn)化率和H2/CO比?如何液化合成制取高品位液體燃料?生物質(zhì)氣化合成液體燃料集成驗證系統(tǒng)的技術(shù)路線生物質(zhì)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(shù)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(chǎn)量g/h20生物質(zhì)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(chǎn)率；烘焙生物質(zhì)能夠改善煤氣成分，提高氣化的總體效率生物質(zhì)氣化過程優(yōu)化典型的氧氣氣化結(jié)果：木屑，1200℃，60目，O/B=0.3,1.2s停留時間。產(chǎn)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(xiàn)狀：解決方法1水蒸氣氣化2分離氣化生物質(zhì)揮發(fā)份焦炭O2+H2O混合氣化產(chǎn)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(chǎn)生的H2發(fā)生燃燒反應(yīng)，增加產(chǎn)物中H2含量無揮發(fā)分的影響，可以根據(jù)O2、H2O的量直接決定氣化產(chǎn)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(zhì)氣化過程優(yōu)化模擬H元素轉(zhuǎn)化率C元素轉(zhuǎn)化率H2/CO生物質(zhì)氣化過程優(yōu)化模擬CO+H2CH3OHEGDMEMTGCO轉(zhuǎn)化率66.3%DME選擇性89.6%準一步法HZSM-5油的產(chǎn)率高達40%轉(zhuǎn)化率達到100%，選擇性達到95%Cu/SiO2CO偶聯(lián)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(chǎn)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(zhì)合成氣合成液體燃料生物質(zhì)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(zhuǎn)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(yīng)高效催化劑Cu/SiO2氣態(tài)烴液態(tài)烴MTG反應(yīng)的產(chǎn)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(yù)處理、氣化、冷卻、凈化、重整以及合成六個板塊生物質(zhì)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(xiàn)出優(yōu)勢；烘焙預(yù)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(xiàn)；加壓氣化在提高效率的同時產(chǎn)率略微下降，而烘焙預(yù)處理技術(shù)則可以同時提升效率和產(chǎn)率。MTG過程物料變化生物質(zhì)氣化合成制取高品位液體燃料

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

生物質(zhì)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(zhì)生物油BD100乳化油BDE20轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhì)生物油20％生物油＋80％0＃柴油原料消耗（t生物質(zhì)/t液體燃料）3.244.532.433.950.706低熱值MJ/kg19.928.916.021.436.8生物質(zhì)轉(zhuǎn)化液體燃料的主要技術(shù)參數(shù)生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(jīng)酯化的提質(zhì)生物油的環(huán)境影響高于化石柴油?？紤]生物質(zhì)補貼的真實成本生物質(zhì)液化過程生命周期綜合評價研究生物質(zhì)真實成本考慮生物質(zhì)的價格補貼，生物質(zhì)液體燃料的經(jīng)濟成本顯著降低，生物質(zhì)甲醇和二甲醚的經(jīng)濟成本分別高出煤基甲醇和二甲醚，且生物質(zhì)甲醇、生物質(zhì)二甲醚和生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)補貼的條件下，當原油價格高于$80/桶時，生物質(zhì)二甲醚和甲醇的真實成本總低于化石柴油；對于提質(zhì)生物油的綜合性能，當原油價格高于$140/桶時，提質(zhì)生物油的真實成本可與化石柴油真實成本相當。

生物質(zhì)液化過程生命周期綜合評價研究生命周期評價數(shù)據(jù)軟件

可查詢生物質(zhì)成分性質(zhì)等詳細信息；查詢計算生命周期污染物排放清單；基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫具有可擴展性；實現(xiàn)生物質(zhì)轉(zhuǎn)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(zhì)液化過程生命周期綜合評價研究主要創(chuàng)新成果生物質(zhì)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(xiàn)對其成分的調(diào)控，降低粗生物油含氧化合物（如醛、酸、醚）產(chǎn)量建立生物質(zhì)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(zhì)熱裂解制油規(guī)律取得