生物油组分温和加氢—共裂化研究
【学位单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位年份】:2019
【中图分类】:TK6
【部分图文】:
生物质能是人类最早使用的能源,在早起于远古时代的钻木取火直至18世纪中叶的第一次工业革命的漫长岁月里,以薪柴为主的生物质为人类提供了光和热。随着科技的发展进步,人类开始通过高能量密度的化石燃料燃烧获得了更多的能量,大幅度推动了人类社会的发展。然而,化石燃料的大量开采和使用造成了一系列严重问题。首先是能源短缺问题,据统计,2017年全球一次能源消费量超过135亿吨油当量,而煤炭、石油和天然气三大化石燃料的消费量占比达到85.2%(如图1-1(a)所示)[1]。其次是环境污染问题,燃烧煤炭会产生氮氧化物(NOx)、硫氧化物、CO、固体颗粒物(主要是PM10和PM2.5)以及重金属等,石油产品燃烧则会排放CO、碳氢化合物(HC)和NOx等,遗憾的是,我国的能源消费结构中煤炭和石油远高于相对清洁的天然气(图1-1(b)),因此化石燃料的过度使用对我国的环境污染问题尤其迫切。此外,化石燃料燃烧排放的大量CO2加剧了温室效应,这种状况与世界各国积极应对气候变化和重视碳减排的态度背道而驰。因此,亟需全力推进清洁可再生能源的推广和应用,降低化石燃料的消费量。于是,生物质能作为唯一可直接转换制取含碳液体燃料的可再生能源,再一次进入到人类的视野中。在广义的概念里,生物质包括所有的动植物和微生物及其产生的废弃物,例如农作物废弃物、木材废弃物和动物粪便等。生物质的氮、硫含量相对于煤炭更低,硫含量在0.04~0.4%之间,氮含量范围较广,但大部分原料氮含量在0.1~1.2%之间[2,3],相对化石燃料更清洁;同时生物质具有可再生和碳中性的优势,还可通过多种技术转化为固、液、气三相燃料。因此,生物质能的推广有利于解决化石燃料过度使用造成的上述弊端。
在生物油蒸出馏分的改性研究中,蒸出馏分通过德国UIC公司生产的KDL-5分子蒸馏仪制得,如图7-1所示。蒸馏工况依据我们之前通过响应面法优化得到的最佳工况,即蒸馏温度70℃,蒸馏压力1500 Pa,进料速率5.5 mL/min,刮膜器转速为200 r/min,预热器温度、一级冷凝温度和二级冷凝温度分别设置为40℃、10℃和-25℃[165]。生物油原油通过给料泵进行给料,经过预热器预热,随后在刮膜器的转动下均匀分布于蒸发面上受热蒸发,其中的小分子化合物的平均分子自由程较长,可以顺利到达冷凝面并通过馏分收集瓶进行收集,而其余的大分子化合物因其较短的平均分子自由程而无法到达冷凝面,并流入重质收集瓶中。7.2.3 催化反应过程
催化实验装置图如图7-2所示,反应在两段连续式固定床反应系统上进行,两个反应器均为内径8 mm的不锈钢管,可以串联进行温和加氢-共裂化反应,也可以分开进行单段裂化的实验。催化剂装填量为3 g。催化反应的质量空速设置为1 h-1。模化物的催化加氢段反应过程与第三章相同,区别在于选取的是第三章的最佳工况:300℃和4 MPa。真实生物油馏分的催化加氢段反应过程和参数与第五章相同。两组研究的裂化段工况:裂化温度为400℃,反应压力为4 MPa。7.2.4 分析和表征方法
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