基于㶲理论的生物质热解制取高品位液体燃料综合性能评价

摘要

随着全球能源危机和环境污染日益严重，利用清洁、可再生的生物质热解提质制备高品位液体燃料，替代部分传统化石燃料，对缓解能源危机和保护生态环境具有重要意义。本文以玉米秸秆为生物质原料，针对生物质热解提质制取高品位液体燃料的两条工艺路线:生物质热解加氢制汽油柴油工艺(Bio-TPF)和生物质热解气化费托合成工艺(Bio-FTL)，基于(火用)分析理论对二者进行热力性能评价和生命周期环境影响评价。
　　论文首先基于(火用)分析的基本理论，建立了热力学(火用)分析模型。利用Aspen Plus软件对Bio-TPF和Bio-FTL进行了过程模拟，探讨了不同工艺参数对产品产率和(火用)效率的影响。对Bio-TPF的研究结果表明:(1)(火用)损失主要发生在热解单元和重整单元，且全系统(火用)损以内部不可逆(火用)损为主。(2)重整温度为800℃，重整压力为1.38MPa，水蒸气与重整生物油碳摩尔比S/Cr为6，重整生物油与加氢生物油比θ为0.38∶0.62条件下，全系统碳氢氧平衡流分析发现，生物质碳约24.74％转化到汽油柴油(TPF)，实际消耗总氢的19.79％转化到TPF;加氢生物油约38.2％氧量以CO2脱除，剩余以H2O脱除;全系统总(火用)效率ηBio-TPF+为53.3％，产品(火用)效率ηBio-TPF-为31.1％，汽油柴油产率(YTPF)为122.4 kg/t干基生物质。(3)系统适宜的反应条件:重整温度为700℃～800℃，重整压力为1.0MPa～1.5MPa，S/Cr约在6左右，保证H2过量的适宜θ比为0.3∶0.7。在上述适宜的反应条件内，ηBio TPF+和ηBio-TP-可能达到的最大值分别为56.1％和35.3％，YTPF为138.2kg/t干基生物质。
　　对Bio-FTL的研究结果表明:(1)(火用)损失主要发生在热解单元和气化单元，且(火用)损主要来自过程的不可逆性。生物油气化合成气H2/CO值及气化单元供热消耗对系统(火用)效率的影响最大，费托合成最佳H2/CO在2.1左右。(2)系统适宜的反应参数为:气化温度为800℃～850℃，气化压力为0.1MPa;水蒸气与气化生物油碳摩尔比S/Cg为1.25;合成温度为220℃～230℃，合成压力为2.0MPa～3.0MPa。在上述适宜的参数范围内，全系统总(火用)效率ηBio-FTL+和产品(火用)效率ηBio-FTL-可分别达47.9％和34.3％，对应的费托油产率（YFTL）和C5+产率(YC5+)分别为93.4kg/t干基生物质和141.6kg/t干基生物质。(3)TCG=800℃，PCG=0.1MPa时，增加循环气与无循环物流相比，S/Cg＞1.5时，增加循环气能够大幅提高产品产率和系统(火用)效率。
　　其次，将生命周期评价与(火用)分析结合，建立了生命周期环境影响(火用)分析模型，提出资源利用率γ、可再生性Ir、环境性Ie三个综合指标对Bio-TPF和Bio-FTL进行环境影响综合评价和对比，并研究了工艺综合指标对主要因素的敏感性。结果表明:(1)Bio-TPF在γ、Ir和Ie方面均优于Bio-FTL，但两工艺均不可再生。(2)生命周期资源累积(火用)消耗中，可再生资源生物质所占的比重最大，其次是电力，两者在Bio-TPF中的比重分别为84.79％和9.95％，在Bio-FTL中比重分别为79.42％和15.29％。污染物消除(火用)主要来自产品生产阶段和生物质种植阶段。不同污染物类型的消除(火用)中，CO2的消除(火用)比重最大，其次是SO2和农业污水。(3)热解油产率和TPF/FTL产率对γ影响最大;TPF/ FTL产率、生产过程电耗及污染物单位消除(火用)值对工艺Ir和Ie影响较显著;降低生产电耗，同时提高TPF/FTL产率时，Bio-TPF向可再生系统转变的潜力相比Bio-FTL更大;降低污染物单位消除(火用)值有助于提高工艺可再生性和环境性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 生物质热解转化为高品位液体燃料的研究现状

1．2．1 生物质快速热解

1．2．2 生物油催化加氢

1．2．3 生物油重整制氢

1．2．4 生物油气化与费托合成

1．3 基于炯理论的生物质转化工艺评价研究进展

1．3．1 (火用)分析与热力性能评价

1．3．2 (火用)分析与环境影响评价

1．4 研究目的和主要内容

第二章 热力学(火用)分析模型和生命周期环境影响(火用)分析模型

2．1 (火用)的基本理论

2．1．1 (火用)的定义

2．1．2 环境基准模型

2．1．3 (火用)值计算

2．2 热力学(火用)分析模型

2．2．1 (火用)平衡和(火用)损失

2．2．2 (火用)效率和(火用)流分布

2．3 生命周期环境影响的(火用)分析模型

2．3．1 生命周期资源消耗环境影响量化

2．3．2 生命周期污染物排放环境影响量化

2．4 本章小结

第三章 生物质热解加氢制汽油柴油系统的(火用)分析

3．1 建模工具—Aspen Plus介绍

3．2 生物质热解加氢制汽油柴油系统流程

3．3 生物质热解加氢制汽柴油系统模型建立

3．3．1 串行流化床快速热解单元

3．3．2 生物油水蒸气催化重整单元

3．3．3 生物油加氢提质单元

3．4 系统模拟计算

3．4．1 主要计算条件

3．4．2 评价指标

3．5 计算结果分析

3．5．1 产品产率及物质流分析

3．5．2 (火用)分析结果

3．5．3 重整温度及压力对系统(火用)效率的影响

3．5．4 重整温度及S／Cr对系统(火用)效率的影响

3．5．5 不同θ对系统(火用)效率的影响

3．6 本章小结

第四章 生物质热解气化费托合成系统的(火用)分析

4．1 生物质热解气化费托合成系统流程

4．2 生物质热解气化费托合成系统模型建立

4．2．1 热解单元

4．2．2 气化单元

4．2．3 费托合成单元

4．3 系统模拟计算

4．3．1 主要计算条件

4．3．2 评价指标

4．4 计算结果分析

4．4．1 气化温度及S／Cg对产物的影响

4．4．2 气化温度和压力对产物的影响

4．4．3 合成温度及压力对产物的影响

4．4．4 (火用)分析结果

4．4．5 气化温度及S／Cg对(火用)效率的影响

4．4．6 气化温度及压力对(火用)效率的影响

4．4．7 合成温度及压力对(火用)效率的影响

4．4．8 增加循环气对(火用)效率的影响

4．5 本章小结

第五章 生物质制取高品位液体燃料生命周期环境影响(火用)分析

5．1 生命周期系统边界

5．1．1 研究对象

5．1．2 系统边界

5．2 生命周期清单分析

5．2．1 生产上游

5．2．2 生产阶段

5．2．3 生产下游

5．2．4 生命周期清单数据

5．3 资源消耗与污染物排放环境影响量化

5．3．1 资源消耗环境影响量化

5．3．2 污染物排放环境影响量化

5．4 生命周期环境影响(火用)分析评价

5．4．1 资源性分析

5．4．2 环境性分析

5．4．3 综合指标的敏感性分析

5．5 本章小结

第六章 全文总结与建议

6．1 全文总结

6．2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文