课题8介绍(集成验证和全生命周期评价)

课题8:生物质液化过程耦合集成优化理论和模型研究2007CB210208

研究方案及技术路线构建以下两个生物质转化为高品位液体燃料的转化途径：转化途径一：生物质热解催化提质生产高品位液体燃料转化途径二：生物质气化合成醇、醚类、生物质汽柴油液体燃料研究方案及技术路线选择性热裂解催化提质的集成验证定向气化催化合成的集成验证生物质集成验证系统模化集成验证系统优化转化过程全生命周期评价液化过程技术理论集成与优化项目其他课题基础研究成果拟解决的关键科学问题生物质液化过程系统关键环节的耦合集成优化生物质液化过程的综合评价和生物质液体燃料标准指标的选择研究内容生物质选择性热裂解制取清洁液体燃料的实验室规模集成验证研究生物质气化合成液体燃料的实验室规模集成验证研究生物质转化为高品位液体燃料过程模化研究生物质转化高品位液体燃料过程优化研究生物质转化为高品位燃料技术及理论的集成与优化研究生物质液化过程全生命周期综合评价研究生物质液体燃料评价及标准研究课题任务和目标建成生物质选择性裂解制取洁净液体燃料的实验室规模集成验证系统建成实验室规模的生物质气化合成液体燃料的实验室规模集成验证系统建立生物质制取高品位液体燃料过程的理论模型建立综合技术性能、经济性能和环境影响性能评价的生物质规模化转化为高品位液体燃料的全生命周期评价模型构建一套适合于生物质制取得到的高品位液体燃料的评价标准建成生物质液体燃料转化过程全生命周期评价的基础信息数据库在研究领域内发表SCI和EI检索论文累计达25篇以上，撰写专著1部，组织1次高水平的国际学术会议，形成2～3项发明专利，争取达到可以向生产转化的技术水平。培养博士14名，硕士20名。研究工作主要进展及创新性转化途径一：生物质热解催化提质生产高品位液体燃料Rawbio-oil醇、醚、醛、酮、酸、酚及各种衍生物的含氧混合物+H2O+PMBio-fuelheat？生物质热裂解制取高品位液体燃料集成验证系统的技术路线生物质高品位液体燃料生物质热解催化提质制取的高品位液体燃料一种含有醇、醚、酯等稳定含氧化合物和烃类的有机混合物常温常压下为液态，在一定条件下具有良好挥发性可与汽/柴油进行良好掺混以代替汽/柴油作为发动机用燃料不同于现有生物柴油和生物乙醇，是一种新型的生物质燃油生物质选择性热裂解制取液体燃料验证系统系统参数和产物分布热解炉给料量kg/h30热解炉温℃600热解挥发份气量Nm3/h5.6生物油产量kg/h19.5热解尾气量Nm3/h3.5热解焦炭产量kg/h6生物油超临界改性生物油乳化生物油酯化不同种类生物质热裂解生物油的化学族分布

生物质热裂解焦的孔隙特征不同种类生物质热裂解液化试验Y型分子筛具有较好的选择性：降低含氧化合物（如醛、酸、醚）产量生成更多的异烷烃和芳香烃生物质选择性热裂解调控林业废弃物和农业废弃物生物油适合于乳化，且有较长的稳定期后续采用红木热解生物油制备的生物油/柴油乳化燃料，稳定时间达到1年乳化燃料的动力粘度和表面张力值的降低能极大地促进其稳定性生物油/柴油乳化试验研究生物油/柴油乳化最佳的HLB值在7.5-8.5之间。生物油的催化酯化

固体酸催化剂SO42-/SiO2-TiO2

酚类、酸类、醛类物质明显减少，酯类、缩醛类、醚类明显增加，活泼基团转化为了较稳定的基团。

物性指标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热值（MJ/kg）17.5422.0921.7922.20精制油/柴油乳化燃料发动机性能测试发动机性能测试平台①适用于未经改装的不同小型发动机，无需引燃，直接启动运行②当量油耗率均低于柴油，节油效果明显。③乳化油的污染物的排放能够有效的降低。乳化油A1的污染物排放量最低，燃烧效率相对较高，是三种乳化油中最适合应用的一种。④适当的配比可改善发动机的热效率，乳化剂的增加，可降低当量油耗率和提高有效热效率。生物油加醇使更多的羧基和羰基转化为易于燃烧的酯类和缩醛类，提高了燃烧效率，改善燃烧效果。精制生物油/柴油新型乳化燃料：生物油品质评价标准研究

项目质量指标试验方法生物原油精制生物油热值MJ/kgHHVLHV>17>15>22>20DIN51900(ASTMD4809)运动粘度（20℃，cst）<50<7ASTMD445(GB/T265)闪点(闭口)/℃>40≥45~55ASTMD93(GB/T261)康拉逊残炭值/%<23<12ASTMD189(GB/T268)水含量wt%<30<20ASTME203铜片腐蚀（50℃，3h）/级不大于1级不大于1级ASTMD130(GB/T5096)pH2.0～4.04.0～5.0pH计灰分,wt%≤0.03≤0.01ASTMD482(GB/T508)密度(20℃)g/cm31.1～1.30.9～1.1ASTMD4052(GB/T1884)固体含量,wt%≤1≤0.1ASTMD7579均质性单相(水分含量变化<5%)单相(水分含量变化<5%)静置7天热稳定性（80℃,24h）固体量增加，max<0.1%<0.1%粘度增加，max<5%<5%

相稳定性单相单相润滑性(60℃),μm ≤460≤460ASTMD2783(GB/T12583)生物油超临界改性提质生物原油、轻质馏分、蒸馏残余及提质油组分对比生物原油、轻质馏分、蒸馏残余及提质油产物组分数据生物油:

大量的酚、酸、酮轻质组分：大量酸和酮、一定量的酚蒸馏残余:主要是酚、酸、酮、醛提质油:①生物油中的酸全部转化为相应的酯，醛在加氢条件下全部转化；②酚类和酮类物质含量明显降低，酯类和醚类物质称为提质油主要组分；③生物油在超临界乙醇中目标产物含量高，提质效果优于甲醇。生物质选择性热裂解制取高品位液体燃料验证系统-能量与质量平衡生物质提质生物油的应用-汽油机燃烧实验燃烧所用提质后生物油汽油机燃烧提质生物油和汽油时污染物排放特性汽油机在燃烧提质生物油时污染物的排放水平在燃烧汽油时各工况的范围之内。提质后生物油的物化性质密度（g/mL）0.84闪点（°C）25燃点

（°C）309.421.4PH值6.7沸程

（°C）75~165含水量38%发动机：力帆162FMJ汽油机1.将该生物油脱水至13%后进行发动机燃烧实验2.常规汽油在发动机内的燃烧实验提质生物油的应用-汽油机燃烧实验对发动机进行简单调整以后，能够使提质生物油稳定燃烧转化途径二：生物质气化合成醇、醚类、生物质柴油液体燃料CmHnOCO+H2Tar,PMNH4,H2SNa,KCO+H2DMEMtOH/EtOHDiesel+O2+H2OheatcatalystsCleanShift如何通过气化提高C、H转化率和H2/CO比?如何液化合成制取高品位液体燃料?生物质气化合成液体燃料集成验证系统的技术路线生物质气化合成制取液体燃料验证系统气化合成验证系统参数气化炉给料量kg/h6气化炉炉温℃1200气化剂Nm3/h1.26催化剂装填量ml30合成压力Mpa5合成温度℃250甲醇产量g/h20生物质高温气流床气化合成气含量达到80％以上

中温烘焙（～250℃）能获得较好的固体和能量产率；烘焙生物质能够改善煤气成分，提高气化的总体效率生物质气化过程优化典型的氧气气化结果：木屑，1200℃，60目，O/B=0.3,1.2s停留时间。产气：0.94Nm³/(kgbio)CO:45%H2:32%CO2:12%CH4:5%COH2CO2灰渣44%H51.5%C12.3%C28%C56%HC目前现状：解决方法1水蒸气气化2分离气化生物质挥发份焦炭O2+H2O混合气化产物挥发分焦炭挥发分不与O2直接接触，避免O2与热解产生的H2发生燃烧反应，增加产物中H2含量无挥发分的影响，可以根据O2、H2O的量直接决定气化产物中CO与CO2的相对含量更高的O2浓度，更快的焦炭气化速度生物质气化过程优化模拟H元素转化率C元素转化率H2/CO生物质气化过程优化模拟CO+H2CH3OHEGDMEMTGCO转化率66.3%DME选择性89.6%准一步法HZSM-5油的产率高达40%转化率达到100%，选择性达到95%Cu/SiO2CO偶联氧化法甲醇乙二醇二甲醚甲醇制汽油用合成气，合成中间产物甲醇，甲醇进一步脱水得到二甲醚，和通过甲醇制汽油；通过合成气制备化工原料乙二醇。生物质合成气合成液体燃料生物质合成气合成液体燃料催化剂100h的稳定性实验表明，催化剂的稳定性和寿命都有较大的提高。准一步法工艺相比于一步法和两步法工艺，具有占地少、投资低的优势。合适的氢酯比下,草酸二甲酯的转化率达到100%，乙二醇的选择性达到95%。催化剂活性优于或等于其它课题组的研究成果，催化剂制过程简单易操作。加氢反应高效催化剂Cu/SiO2气态烃液态烃MTG反应的产油率可达到40%，其中汽油组分可达到75%

提高催化剂的使用寿命制取DME制取乙二醇制取MTG主要包括了预处理、气化、冷却、净化、重整以及合成六个板块生物质气化合成制取高品位液体燃料系统

通过对气化工艺的选择，可以将系统整体效率提高到35%以上单方面考虑系统效率，加压气化体现出优势；烘焙预处理可以有效提高合成气的冷煤气效率，从而提高整个系统的表现；加压气化在提高效率的同时产率略微下降，而烘焙预处理技术则可以同时提升效率和产率。MTG过程物料变化生物质气化合成制取高品位液体燃料

系统-能量与质量平衡质量平衡质量平衡能量平衡生物质液化过程LCA评价研究范围

生物质液化过程生命周期综合评价研究清单分析与环境评价模型项目甲醇BM100二甲醚BDM100生物原油提质生物油BD100乳化油BDE20转化工艺一步法气化合成一步法气化合成热解热解＋酯化热解＋柴油乳化生物质原料秸秆秸秆秸秆秸秆秸秆液体燃料成分100%甲醇100%二甲醚100%生物油100%提质生物油20％生物油＋80％0＃柴油原料消耗（t生物质/t液体燃料）3.244.532.433.950.706低热值MJ/kg19.928.916.021.436.8生物质转化液体燃料的主要技术参数生物质液化过程生命周期综合评价研究全生命周期环境影响成本

生物质甲醇与二甲醚环境影响较小，其中一步法制取二甲醚环境成本最低；二者相比化石柴油可降低20％-25％，而相比煤基甲醇与煤基二甲醚可降低50％左右。生物质热解原油以及生物乳化油BOE20与化石柴油环境成本基本相当，而生物原油经酯化的提质生物油的环境影响高于化石柴油。考虑生物质补贴的真实成本生物质液化过程生命周期综合评价研究生物质真实成本考虑生物质的价格补贴，生物质液体燃料的经济成本显著降低，生物质甲醇和二甲醚的经济成本分别高出煤基甲醇和二甲醚，且生物质甲醇、生物质二甲醚和生物质原油的真实成本不仅低于化石柴油，而且低于煤基甲醇和煤基二甲醚，但生物乳化油和提质生物油的真实成本仍高于化石柴油约15％和32％。原料价格变化的敏感性分析

在考虑生物质补贴的条件下，当原油价格高于$80/桶时，生物质二甲醚和甲醇的真实成本总低于化石柴油；对于提质生物油的综合性能，当原油价格高于$140/桶时，提质生物油的真实成本可与化石柴油真实成本相当。

生物质液化过程生命周期综合评价研究生命周期评价数据软件

可查询生物质成分性质等详细信息；查询计算生命周期污染物排放清单；基础信息数据库具有可扩展性；实现生物质转化过程污染物排放清单、环境影响成本，以及各种环境影响类型的成本计算与分析生物质液化过程生命周期综合评价研究主要创新成果生物质选择性热裂解制取清洁液体燃料集成验证研究：选用具有高去氧活性和烃类选择性的催化剂，在生物油制取中实现对其成分的调控，降低粗生物油含氧化合物（如醛、酸、醚）产量建立生物质流化床快速选择性热裂解试验系统，得出7种常见生物质热裂解制油规律取得