基于(?)理论的生物质热解制取高品位液体燃料综合性能评价

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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),基于炯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。论文首先基于炯分析的基本理论,建立了热力学炯分析模型。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烟效率的影响。对Bio-TPF的研究结果表明:(1)(?)损失主要发生在热解单元和重整单元,且全系统炯损以内部不可逆炯损为主。(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H20脱除;全系统总(?)效率ηBio-TPF为53.3%,产品炯效率ηBio-TPF为31.1%,汽油柴油产率(YTPF)为122.4kg/t干基生物质。(3)系统适宜的反应条件:重整温度为700℃C-800℃C,重整压力为1.0MPa~1.5MPa, S/Cτ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-TPF-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)炯损失主要发生在热解单元和气化单元,且烟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(?)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O.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℃C-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(?)效率ηBio-FTL和产品炯效率ηBio-FTL可分别达47.9%和34.3%,对应的费托油产率(YFTL)和C5+产率(YC+)分别为93.4kg/t干基生物质和141.6kg/t干基生物质。(3)7CG=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(?)效率。其次,将生命周期评价与炯分析结合,建立了生命周期环境影响(?)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)生命周期资源累积炯消耗中,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%。污染物消除烟土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炯中,CO2的消除炯比重最大,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炯值对工艺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炯值有助于提高工艺可再生性和环境性。
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