

生物熱解油精制改性研究進(jìn)展
- 期刊名字:現代化工
- 文件大?。?06kb
- 論文作者:徐俊明,蔣劍春,盧言菊
- 作者單位:南京林產(chǎn)化工研究所
- 更新時(shí)間:2020-06-12
- 下載次數:次
第27卷第7期現代化工July 20072007年7月Modem Chemical Industry13主物熱解油精制改性研我進(jìn)展徐俊明,蔣劍春,盧言菊(南京林產(chǎn)化工研究所,江蘇南京210042)摘要:綜述了近年來(lái)生物熱解油的精制改性技術(shù)(如催化加氫、催化裂解、添加溶劑、乳化及催化酯化等),并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較。根據生物油中化學(xué)組成的特點(diǎn),指出將活潑極性基團轉化為較穩定的非極性基團(如將羧基轉化為酯基,將醛基轉化為縮醛),是生物油精制改性十分有效的方法關(guān)鍵詞:生物質(zhì);熱解;精制;生物油中圖分類(lèi)號:S216文獻標識碼:A文章編號:0253-4320(2007)07-0013-05Progess in research of upgrading of pyrolytic bio-oilXU Jun-ming, JIANG Jian-chun, LU Yan-ju(Institute of Chemical Industry of Forest Products, CAF, Nanjing 210042, China)Abstract: In this paper, the recent progress in upgrading process for biomass pyrolytic oil( bio-oil)is reviewed.Theadvantages and shortcomings of several important upgrading processes such as catalytic hydrogenation, catalytic pyrolysis, solventadding, emulsification and catalytic esterification are analyzed and compared. According to the original properties of bio-oil, it ispointed out that the conversion of active polar groups to stable non-polar groups (e. g. changing carboxylic acids to ester, andaldehyde to acetal group)is an effective process for modifying bio-oilKey words: biomass; pyrolisis; upgrading: bio-oil生物質(zhì)資源在能量利用過(guò)程中具有CO2凈排放行直接利用。近年來(lái)人們更傾向于通過(guò)各種物理、量為零,SO,、NO排放量少的優(yōu)點(diǎn)1l。隨著(zhù)化石能化學(xué)方法改善生物油的各方面性能,以期能夠代替源的日益短缺,人們越來(lái)越重視生物質(zhì)能源的研究日益減少的化石能源。本文綜述了國內外提高生物與開(kāi)發(fā)。直接熱解液化被認為是最有前途的生物質(zhì)油性能的改性精制技術(shù),并討論了較適宜的改性液化技術(shù)2,其發(fā)展十分迅速。由于液體產(chǎn)品具有方法。儲存、運輸方便和能量密度高等優(yōu)點(diǎn),所以以此為基礎,可以實(shí)現生物質(zhì)資源的規?;?并且有望替1生物油的精制代化石能源。生物油黏度大、穩定性差、腐蝕性強、化學(xué)成分熱解反應是通過(guò)快速加熱的方式使組成生物質(zhì)復雜,這給生物油的應用帶來(lái)很大的不便,因此必須的高分子聚合物裂解成低分子有機物蒸氣,并將其對其進(jìn)行改性精制,提高生物油的品質(zhì)。目前,改性冷凝成液體的生物油。目前生物質(zhì)熱解制備生物油精制的方法主要是催化加氫、催化裂解、添加溶劑的文獻很多。國內外許多學(xué)者都一致認為,中等的乳化及催化酯化裂解溫度(500~600℃C)、較高加熱速率(100℃C/s)、極11催化加氫短的氣體停留時(shí)間(<2s)和生成氣體驟冷13,是催化加氫是在高壓(10~20MPa)和存在供氫溶生物油的較佳生產(chǎn)工藝,因此提高生物油的收率已劑的條件下,通過(guò)催化劑作用對生物油進(jìn)行加氫處不是目前人們研究的主要問(wèn)題。由于熱解過(guò)程并未理,生物油中的氧以H2O或CO2的形式除去,是較達到熱力學(xué)平衡,所以生物油的物理化學(xué)性質(zhì)不穩早期的生物油改性方法。該方法可顯著(zhù)降低含氧定,主要表現為其黏度隨儲存時(shí)間的延長(cháng)和溫度的量,提高生物油的能量密度(6。例如, Piskorz等7采升高而逐漸增加。另外生物油熱值低,pH低,固體用經(jīng)硫處理的CoMo催化劑對生物油加氫,處理后雜質(zhì)含量高4-5,與化石燃油相比,生物油的品質(zhì)和生中國煤化工5%,芳香烴質(zhì)量分穩定性都較差,這使得生物油很難在現有設備上進(jìn)數CNMH新流床反應器,以收稿日期:2007-04-02作者簡(jiǎn)介:徐俊明(1981-),男博士生,主要從事生物質(zhì)能源轉化和催化新材料方面的研究,lang811023@163.cm;蔣劍春(195-),男,博土,研究員,博士生導師,主要從事生物質(zhì)能源和活性炭的開(kāi)發(fā)與研究。14現代化工第27卷第7期PAl2O3為催化劑,在壓力5~10MPa、溫度350研究。400℃的反應條件下對生物油進(jìn)行了加氫處理,結果早期人們的研究重點(diǎn)主要是催化劑的作用機理發(fā)現,含氫化合物含量明顯增加。Love等9采用固以及對生物油組分的分析,由于沸石分子篩自身具定床反應器在H壓力大于10MPa的條件下,以硫有的酸性和規則的孔道結構,使其在生物油催化裂化處理過(guò)的鉬催化劑進(jìn)行加氫處理,結果表明可以解過(guò)程中顯示出較好的催化裂解性能和芳構化性較高收率地得到二氯甲烷油溶物(質(zhì)量分數能。例如, Williams等3采用Na-M-5、H-ZsM-5>65%),說(shuō)明通過(guò)該方法處理后何帕烷、甾烷和甲和Y沸石進(jìn)行了生物油的精制改性。結果表明,2基甾烷含量明顯增加,脂肪烴的總收率為30%。種ZSM-5催化劑對生物油改性的作用相似,所得到采用上述催化加氫的方法能夠顯著(zhù)降低生物油的改性生物油在收率和組分上沒(méi)有明顯區別。但是中的含氧量,提高熱值,但是高壓加氫條件苛刻、設Y沸石的催化活性以及對烷烴化合物的選擇性明備復雜、成本較高。為了降低成本和操作難度,一些較差,而且催化劑容易結焦。學(xué)者將熱解得到的生物油蒸氣與氫氣混合后與催化Adjaye等1采用微型固定床反應器,以H-劑發(fā)生作用,這樣不僅可以利用熱解時(shí)的反應熱量,ZSM-5和HY沸石等作為催化劑進(jìn)行了生物油的催減少能耗,而且當生物油蒸氣通過(guò)催化劑床層時(shí),由化裂解改性,得到了27.9%的烷烴收率,其中主要于氣、固相接觸的覆蓋度較低,催化劑的使用壽命得成分是C烴。 Williams等5將稻殼在50℃下裂到一定的延長(cháng)。例如D等10在25~10.0MPa解所得蒸氣通過(guò)ZSM-5催化劑,結果發(fā)現通過(guò)催化的氫氣壓力下,采用不同的升溫速率對生物油進(jìn)行劑后的生物油收率有明顯降低,并且分子質(zhì)量分布加氫處理,可以使生物油中的含氧質(zhì)量分數降低變小,當提高催化劑溫度后分子質(zhì)量分布會(huì )變得更20%。實(shí)驗中還發(fā)現,當加人FeS作為催化劑時(shí),可窄,其中單環(huán)芳烴和稠環(huán)芳烴的含量顯著(zhù)增加。實(shí)以提高生物油的轉化率并使含氧質(zhì)量分數降低驗中還發(fā)現,在較低催化劑溫度下,生物油中的氧轉30%,同時(shí)芳烴的含量顯著(zhù)增加。 Pandora等1.化為HO,而在較高溫度下則轉化為Co、CO2用兩段式固定床反應器,以H-ZSM-5分子篩為催Williams等6以H-ZSM-5為催化劑,采用流化化劑對生物質(zhì)加氫裂解所得到的揮發(fā)分進(jìn)行了催化床反應器進(jìn)行生物油的改性研究,提出了催化劑的改性。實(shí)驗發(fā)現隨著(zhù)溫度和壓力(1~4MPa)的升催化作用機理,并對催化劑的再生性能進(jìn)行了考察。高,改性后揮發(fā)分的含氧量明顯降低同時(shí)焦油含量結果表明催化作用主要通過(guò)2種方式進(jìn)行:①沸石也有所減少。因此H-Z5M-5催化劑除具有一定的分子篩將生物油催化裂解為烷烴,然后將烷烴芳構加氫和脫氧功能外,還有更多的催化裂化作用。同化;②將生物油中的含氧化合物直接脫氧形成芳香時(shí)熱重分析表明,催化劑H-ZSM-5吸附了約40%族化合物。催化劑循環(huán)使用實(shí)驗表明,再生后的催的催化熱裂解后的揮發(fā)分?;瘎⑸镉痛呋呀鉃榉枷慊衔锏哪芰︼@著(zhù)降雖然許多研究對生物油的催化加氫進(jìn)行了詳細低,隨著(zhù)催化劑再生次數的增加,改性后產(chǎn)品的含氧的考察和工藝改進(jìn),但由于生物油熱穩定性差,當溫量不斷增加,平均分子質(zhì)量也不斷增加。度超過(guò)80℃時(shí),生物油內的聚合反應強烈,而目前在催化裂解的研究中同時(shí)也發(fā)現,ZSM-5催化所采用的催化劑都是高溫催化劑,它與加氫反應相劑很容易結焦而失活,而且很難通過(guò)改變反應條件互競爭導致黏度快速增加。另外反應組分會(huì )進(jìn)入來(lái)延長(cháng)催化劑的壽命。例如, Adjaye等m采用微型催化劑基體覆蓋催化劑活性中心-12),導致了催定床反應器,將生物質(zhì)裂解蒸氣通過(guò)H-sM-5化劑的失活。因此催化加氫設備一般都較復雜,成催化劑進(jìn)行生物油的改性研究,建立了與實(shí)驗數據本較高,在操作中還容易發(fā)生反應器堵塞和催化劑吻合的數學(xué)模型。該模型顯示,生物油的催化裂解失活現象是一個(gè)復雜的過(guò)程,包含了多個(gè)平行反應和連串反1.2催化裂解應。催化劑的結炭嚴重通過(guò)降低催化劑溫度和生催化裂解一般是將生物油蒸氣(700~800℃)通物中國煤化工劑的結炭。但是降過(guò)催化劑床層,在催化劑的作用下裂解生物油中的低倒CNMHG的催化轉化效果變氧以H2O、CO和CO2的形式除去。該操作一般在常差,不能有效地降低氧含量壓下進(jìn)行,不需要還原性氣體,設備也較催化加氫的Vitoloa等18將H-ZSM-5和HY沸石作為催化簡(jiǎn)單,所以許多學(xué)者采用該方法對生物油進(jìn)行改性劑進(jìn)行了生物油的改性研究。結果表明,通過(guò)2007年7月徐俊明等:生物熱解油精制改性研究進(jìn)展15H-ZSM-5催化后的生物油產(chǎn)品是較容易分離的水子會(huì )在小孔分子篩催化劑的外表面凝結,形成結碳,相和有機相,通過(guò)HY沸石的生物油呈均相,有機相導致催化劑失活1。綜上來(lái)看,雖然催化裂解有很穩定地分散在水相中。經(jīng)性能測定表明,改性后的多優(yōu)點(diǎn),但是其普遍收率很低21,而且仍未找到選生物油含氧量降低,熱值提高,并改善了燃燒性能。擇性好、轉化率高、結焦率低的催化劑,因此并沒(méi)有但是實(shí)驗中發(fā)現催化劑的結焦嚴重,作者試圖通過(guò)被廣泛采用縮短氣體停留時(shí)間的辦法來(lái)減緩催化劑的失活,但13添加溶劑和乳化這又會(huì )導致生物油中的氧不能有效地脫除。Home添加溶劑是提高生物油穩定性和降低黏度的有等9重點(diǎn)考察了ZSM-5催化劑在催化裂解生物油效手段。添加到生物油中的溶劑主要通過(guò)以下3種時(shí)的失活情況,得到了與上述文獻-181相同的結機制影響生物油的黏度:①物理稀釋;②降低反應物果,即隨著(zhù)裂解反應的進(jìn)行,催化劑的催化效果顯著(zhù)濃度或改變油的微觀(guān)結構以降低反應速度;③與生下降,這主要表現在隨著(zhù)裂解反應時(shí)間的延長(cháng),烷烴物油中活性成分反應生成酯或縮醛而阻止導致生成含量逐漸減少,含氧化合物含量逐漸增加,并且通過(guò)大分子聚合物的反應進(jìn)行。 Diebold等231研究了不分子排阻色譜證明,平均分子質(zhì)量在不斷增加。同添加劑(如乙酸乙酯、甲基異丁酮和甲醇、丙酮、乙鑒于以上原因,一些學(xué)者采用一些方法對催化醇及它們的混合物)對降低生物油黏度和提高其穩裂解工藝進(jìn)行了改進(jìn)。例如Home等將SM-5定性的影響。實(shí)驗結果表明,甲醇是最好的添加劑,和不銹鋼顆?;旌献鳛楣潭ù卜磻鞯拇呋瘎┐埠?0%(質(zhì)量分數)甲醇的生物油可以在90℃下穩層,這樣不僅可以增加熱解蒸汽在催化劑床層的停定存放96h,而不加甲醇的生物油放置26h后黏度留時(shí)間,提高生物油的轉化率,還可以提供更多的熱就超標了裂解表面積,結果表明,當ZSM-5與不銹鋼顆粒體Lopez等將生物油與乙醇混合(生物油質(zhì)量積比為1:2時(shí),催化劑將生物油轉化為烷烴和芳烴分數80%,乙醇質(zhì)量分數20%),在渦輪機中進(jìn)行燃的效果最好。燒試驗。結果發(fā)現,該混合物使用上存在很多不便Nokkosmaki等2.用0對生物油蒸氣進(jìn)行由于混合油黏度較高,需要對燃燒室中的噴嘴進(jìn)行催化裂解,結果表明ZnO是一種較為溫和的催化改進(jìn),另外,燃燒前還需要用標準燃料對渦輪機進(jìn)行劑,對不溶于水的組分(木質(zhì)素衍生物)沒(méi)有影響,液預熱。在燃燒性能方面與標準燃料相比有明顯差異。體產(chǎn)量也沒(méi)有明顯的降低,但它分解了不溶于乙醚添加甲醇和乙醇等溶劑不僅可以減小生物油的的組分(水溶性脫水糖和多糖)。在ZnO處理后的黏度,還降低了生物油的pH,增加生物油的揮發(fā)分精制油的穩定性實(shí)驗中,在80℃下加熱24h,精制含量和熱值,是常用的生物油穩定方法。但是單純油的黏度增加了55%,而沒(méi)有用ZnO處理的生物油添加溶劑不能有效改善生物油的含氧量、含水量、熱的黏度增加了129%,這表明ZnO有助于提高生物值以及燃燒性能,因此采用該方法對生物油改性研油的穩定性,不過(guò)ZnO在使用后仍有失活現象。究的報道較少Adam等2考察了A-MCM-41和Cu/Al另一種利用生物油作為液體燃料的方法是將其MCM-41及其擴大孔徑的2種Al-MCM-41催化劑與柴油等烴類(lèi)混合,雖然生物油不能直接與烴類(lèi)混在生物油精制改性中的效果。當生物油蒸氣經(jīng)過(guò)催溶,但借助于表面活性劑的乳化作用可使生物油混化劑層后組成發(fā)生了明顯變化,其中最顯著(zhù)的變化溶于烴類(lèi)。美國專(zhuān)利[27]采用親水性的非離子表面是左旋葡聚糖消失。當采用孔徑擴大的Al-MCM活性劑已經(jīng)成功地將30%乳化油應用在低速柴油41作為催化劑時(shí),快速升溫催化過(guò)程提高了乙酸和機中。使用結果表明,該乳化油具有較高的穩定性,呋喃的收率,并減少了相對分子質(zhì)量較大的酚類(lèi)衍各項性能參數與常規柴油相近。生物的含量。kura等2采用乳化工藝將生物油與2號柴油從以上文獻來(lái)看,目前生物質(zhì)油催化裂解研究混合,生產(chǎn)出穩定均相的乳化油,并考察了乳化時(shí)中使用的催化劑大都為HZSM-5,但催化劑結焦率間中國煤化工中的濃度、表面活性高、壽命短、再生性能較差23-21。這主要是因為劑CNMHG個(gè)因素對乳化油性能ZSM-5屬于小孔分子篩,具有0.54-0.56mm的橢的影響。實(shí)驗發(fā)現,后3種因素對乳化油的性能影圓形孔結構,大約適合C0烴大小的分子進(jìn)出孔道響較大。較適宜的生物油質(zhì)量分數為10%~20%而熱裂解產(chǎn)生的生物油中含有的未裂解完全的大分此時(shí)乳化油的流動(dòng)性最佳。較適宜的表面活性劑用現代化工第27卷第7期量為總質(zhì)量的08%~1.5%,并與生物油在混合油要是催化加氫催化裂解、添加溶劑及乳化。但是催中的濃度以及單位體積輸入功有關(guān)。采用該工藝生化加氫設備復雜,投資較大;催化裂解的催化劑壽命產(chǎn)出的乳化油各項性能有了一定的提高,熱值是2較短,容易失活;而乳化技術(shù)能耗較大,所以這些技號柴油的1/3,十六烷值為56,對金屬的腐蝕性降術(shù)普遍處理成本都較高,目前都沒(méi)有被廣泛采用。到原生物油的1/2。針對生物油中的不穩定基團,采用化學(xué)改性的方法Chiaramonti等)報道了生物油與柴油乳化后將反應性基團轉化為情性基團是生物油改性的又直接應用于未改裝柴油發(fā)動(dòng)機的研究,結果表明乳新思路。生物油中含有幾乎所有的含氧官能團,使化油具有較高的穩定性,在70℃下可以穩定保存3得生物油在存放時(shí)穩定性較差,易發(fā)生交聯(lián)和縮合,天并建議采用新制的生物油進(jìn)行乳化時(shí)效果較好。導致黏度上升。所以根據生物油中化學(xué)組成的特實(shí)驗中還發(fā)現乳化油中生物油用量越多,黏度就越點(diǎn)將活潑極性基團轉化為較穩定的非極性基團(如大。較佳表面活性劑的添加質(zhì)量分數為05%將羧基轉化為酯醛基轉化為縮醛),不僅可以使生20%,此時(shí)乳化油的黏度較理想。當表面活性劑添物油改性后的穩定性提高,不易發(fā)生交聯(lián)和縮合反加質(zhì)量分數達到4%時(shí),就需要加入其他助劑(如辛應,而且生物油改性后的基團極性顯著(zhù)下降,它們與醇)來(lái)降低體系的黏度。他們將該乳化油直接應用水分子間的氫鍵作用降低,從而能夠較容易地除去于柴油發(fā)動(dòng)機∞,發(fā)現使用乳化油作為燃料時(shí)不需水分3。此外,根據文獻報道醇類(lèi)3、醚類(lèi)3和要對柴油機進(jìn)行較大的改動(dòng),但是乳化油有一定的羧酸酯都具有較高的辛烷值,若將生物油中的活腐蝕作用,建議采用耐腐蝕的材質(zhì)(如不銹鋼或陶潑反應基團轉化為羧酸酯和縮醛,則其燃燒性能就瓷)來(lái)制造發(fā)動(dòng)機中的噴嘴和燃料泵。會(huì )得到較大的提高,可望替代汽油、柴油等化石燃乳化方法無(wú)需過(guò)多的化學(xué)轉化操作,但乳化成本和乳化需要的能量投入較大。作為汽車(chē)用油,乳料,以緩解化石能源緊缺的現狀?;蛯Πl(fā)動(dòng)機的腐蝕比較嚴重,故該技術(shù)目前未被參考文獻廣泛采用。[1] Czemik S, Bridgwater A V Overview of applications of biomass fast py-4催化酯化rolysis oil[J]. 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