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随着矿物燃料储量的逐渐减少及其使用产生的环境问题,开发新的可持续的替代清洁燃料是一条必然的选择之路。生物质作为一种没有净的CO2排放和硫含量非常低的环境友好型可再生资源,是目前唯一可大规模再生的足以支持人类生存发展的有机碳资源。
生物质转化制备技术主要包括生物转化和化学转化两类。但目前的生物质制备液体燃料技术在推广应用过程中存在不少问题,比如与人争粮、与粮争地、成本问题,不理想的油性质等。制备接近化石燃料的高品质燃油,是生物质转化技术的发展趋势。本课题组创新性利用脱氧液化技术直接将生物质制备成以烷烃类、芳香类等产物为主要成分的燃油,H/C比及热值等性质上和石油接近,是较理想的可替代燃料。
本论文在脱氧液化技术的基础上,首次将木质纤维素类生物质和甘油酸三酯为主的动植物油生物质混合进行共脱氧液化制备碳氢燃油的研究。研究内容主要包括生物质和动植物油不同混合比的研究;温度、催化剂以及保留时间对其的影响;不同原料的研究;油品的初步精馏研究等。通过对不同混合比例生物质和植物油共脱氧液化的研究发现,生物质和植物油的最佳质量混合比为4.4:1;同时,研究显示利用共脱氧液化技术可实现植物油的脱羧,植物油的脱羰率超过75%。为了探索制备碳氢燃油的最佳制备条件,经研究催化剂、温度以及保留时间对共脱氧液化的影响发现,不同的反应条件对反应生成的产物有显著的影响。低温反应有利于生成类似柴油的组分,而高温导致更多的汽油类组分的生成。在添加催化剂HZSM-5,450℃的条件下,生成的油具有2.28%的低含氧量,烷烃含量为56.27%,热值达到43.8MJ/kg。对反应机理分析发现,生物质在脱氧液化过程中为植物油提供氢,从而促进了植物油组分中C=C的氢化。通过研究废猪油和国槐叶不同的原料验证共脱氧液化技术的有效性和重复性发现,在450℃时,油的产量达到最大,为27.7%,C7-C29的直链烷烃含量高达69.8%,氧含量低至1.4%,热值达到44 MJ/kg。实验证实,共脱氧液化生物质和动植物油的混合物来制备高品质的碳氢燃油是一种非常有效的方法。通过对油料类作物脱氧液化制备碳氢燃油的首次尝试发现,产物油以烷烃为主,具有较低含氧量,热值接近矿物燃油的热值;对碳氢油进行初步的精馏研究发现,精馏能够有效地将油的轻重组分分离。与其它的生物质转化技术相比,共脱氧液化技术制备的油烷烃含量高,氧含量低,油的热值高,可以说,共脱氧液化技术为生物质制备碳氢燃油开辟了一条新的路径。