生物质水热液化与现代石油炼制工艺耦合的基础问题研究

Microalgae can synergistic couple biomass multiplication with simultaneous carbon capture and wastewater treatment. When integrated with hydrothermal liquefaction (HTL) process, it shows the potential for mitigation of environmental impacts associated with energy conversion and utilization. Breakthrough in the application of bio-crude oil will add economic benefit to the whole process. This project will focus on biomass HTL and bio-crude oil upgrading. The purpose of this project is to produce bio-crude oil with the similar properties to heavy oil or atmospheric/vacuum residue by lowering its nitrogen and oxygen content. Research results will provide technical support for the process coupling of biomass HTL with modern petroleum refinery. This project will conduct a series of HTL experiments and products analysis using advanced equipments. The correlation between product distribution and feedstock constitution will be set up. The morphology and abundance of nitrogen and oxygen in the HTL products will be characterized. In HTL process, a potential reaction pathway for biomacromolecules will be proposed, along with a migration and transformation mechanism for the original nitrogen and oxygen. A control method to selectively produce bio-crude oil with reduced nitrogen and oxygen content will be explored based on the studies. Experimental and theoretical investigation of bio-crude oil upgrading process using thermal cracking method will also be carried out in this project. Thermal cracking mechanism for the complex system with nitrogen and oxygen containing heterocyclic compounds will be developed. The feasibility of applying thermal process to bio-crude oil upgrading will be analyzed.

微藻能够在生物质增殖的同时实现二氧化碳捕捉与污水净化，水热液化可以把上述环境效益与能源转化相结合，若能突破生物油的应用瓶颈，将会极大提升整体工艺的经济效益。本项目以生物质的水热液化和提质改性过程为研究对象，将目标产物定位在性质与重质原油或常减压渣油相近的生物原油上，主要解决生物油中氮、氧元素含量较高的问题，为实现生物质水热液化与现代石油炼制工艺的耦合提供理论基础和实验支持。本项目将开展多种生物质的水热液化研究，并利用先进测试仪器进行分析表征。得到产物分布及性质与原料化学组成之间的内在关联，确定氮、氧元素在各相产物中的赋存形态和分布信息，建立生物大分子水热液化协同反应路径及氮、氧元素的迁移与转化机理，探索氮、氧元素的选择性定向调控方法。本项目还将进行生物油的热裂化研究，探索生物油复杂体系的热裂化反应机理，并分析热加工工艺用于生物油提质改性的可行性。

微藻能够在生物质增殖的同时实现二氧化碳捕捉与污水净化，水热液化可以把上述环境效益与能源转化相结合，若能突破生物油的应用瓶颈，将会极大提升整体工艺的经济效益。本项目以生物质的水热液化和提质改性过程为研究对象，将目标产物定位在性质与重质原油或常减压渣油相近的生物原油上，主要解决生物油中氮、氧元素含量较高的问题，为实现生物质水热液化与现代石油炼制工艺的耦合提供理论基础和实验支持。本项目以餐厨垃圾为原料，在温度320℃、料液比1:15时，得到生物油产率最高为16.7%，热值为32.33~34.82 MJ·kg-1，其中汽油和煤柴油馏分超过50%。以浒苔为原料，通过响应曲面法得到295℃，固含率14%的最高生物油产率反应条件，同时发现生物油能量收率、碳元素收率和氮元素收率主要受生物油产率的影响而不是生物油元素组成的影响。本项目通过添加碱性均相催化剂和水相产物循环用作反应溶剂两种方法改进水热液化工艺，发现水相产物循环用作反应溶剂，兼具回收碱金属和提高生物油产率的作用，并且水相中的小分子化合物对生物油产率的提升作用明显，建议在水相循环时无需额外添加碱性催化剂。本项目利用FT-ICR MS对生物油杂原子化合物中氮氧元素的分布和赋存形态进行了表征，以浒苔生物油为例，发现酸性组分主要是脂肪酸类O2化合物，碱性组分主要是N1O2、N1O3、N1O4、N2O1、N2O2和N2O3化合物，即高度不饱和的含氮杂环类化合物及其含氧衍生物。本项目利用热重对生物油热反应进行了热分析动力学研究，将生物油热反应分为低沸点组分蒸发脱除(一维扩散反应模型)和高沸点组分热反应(一级反应模型)两个阶段，并通过等转化率法和普适积分法得到其动力学三因子；在此基础上，进一步利用高斯函数多峰拟合和分布活化能模型(DAEM)对生物油热反应的两步反应模型进行深入研究，得到了与实验数据拟合较好的动力学模型，为生物油热加工工艺的设计提供了理论基础。