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作者：郝敬文东南大学

学位级别：硕士

航空运输是增长最快的运输方式之一,传统化石航油引发环境污染日益严重,且不可再生能源的储量日益枯竭。生物质制备航油能显著减少化石能源的消耗,降低地球生态系统中在碳循环之外的温室气体排放,缓解温室效应。因此,开展生物质转化制... 详细信息

航空运输是增长最快的运输方式之一,传统化石航油引发环境污染日益严重,且不可再生能源的储量日益枯竭。生物质制备航油能显著减少化石能源的消耗,降低地球生态系统中在碳循环之外的温室气体排放,缓解温室效应。因此,开展生物质转化制备生物航油工艺路线的性能分析与评价具有重要意义。本文以玉米秸秆为原料,根据水解残渣木质素不同利用方式建立了木质素燃烧(Case1)与木质素制氢(Case 2)的两种纤维素生物质水相转化制备航油系统,利用Aspen Plus软件对生物质水相转化制备航油工艺进行过程模拟。基于热力学第一定律和第二定律开展了系统能量分析和(火用)分析,研究获得了能量和(火用)损失的主要单元,以此为基础,建立了基于废热和废水回收的优化系统(Case 1-R和Case 2-R)和航油-发电联产系统(Case 1-PG和Case 2-PG)。并将(火用)分析理论与生命周期评价相结合,建立了生命周期资源-环境(火用)分析模型,对建立的系统方案进行了资源性能和环境影响的综合评价与比较。研究获得以下主要结果。首先,能量分析和(火用)分析结果表明,对于基础方案,Case 1和Case 2系统的最大(火用)损失发生在燃烧换热单元;最大的能量损失发生在糠醛制备单元,其次为乙酰丙酸制备单元。优化后的Case 1-R和Case 2-R系统能量效率9),)分别为41.53%和39.85%,系统(火用)效率,)分别为24.25%和23.12%。相比Case 1和Case 2,系统能量效率9),)分别提高139.1%和137.0%,而系统(火用)效率,)分别提高57.2%和55.7%,由此可见废热和废水回收主要属于低品位热能。木质素燃烧系统(Case 1和Case 1-R)具有更高的航油效率和系统效率,木质素制氢系统(Case 2和Case 2-R)具有更高的能量提质率β)。航油制备与发电联产系统(Case 1-PG和Case 2-PG)的主要输出产品是电力,系统(火用)效率,)分别为26.63%和26.19%,相比Case 1-R和Case 2-R的系统(火用)效率,)分别提高了9.8%和13.3%,优于非联产系统。相对于水解生物质量2t/h,当锅炉蒸发量为40t/h时,获得最优发电效率和系统效率,此时抽汽率θ为0.31,发电与航油的能量比ω9))与(火用)比ω)分别为4.05和3.79,发电(火用)效率和系统(火用)效率,0))、,s)分别为29.0%和27.4%。其次,生命周期资源-环境评价结果表明,制备航油工艺Case 1-R累积(火用)效率更高,而Case 2-R可再生性更优,两者的航油累积(火用)效率)分别为15.43%和14.84%,系统总累积(火用)效率分别为19.23%和18.50%;可再生性I分别为0.57和0.70。Case 1-PG和Case 2-PG系统总累积(火用)效率分别为23.95%和23.68%,可再生性I分别为1.97和2.35,联产系统的系统累积(火用)效率和可再生性更优。对于Case 1-R和Case 2-R,,0))和)的敏感度呈现相似的趋势,且对S4(加氢提质转化率)、S3(平台化合物(糠醛和乙酰丙酸)转化为生物质航油的效率)的敏感度最大;甲醇循环利用率对累积(火用)效率()和)和系统可再生性I具有显著影响。残渣木质素制氢方案(Case 2-R和Case 2-PG)的全球暖化、人体毒性和热污染等环境影响指标均分别低于残渣木质素燃烧、氢气外供方案(Case 1-R和Case 1-PG)。航油制备系统的环境性能指标)均大于1,表明具有较好的环境性能,且航油-发电联产系统的综合环境性能更优。不同类型的环境影响负荷主要来自生物质制备航油的生产阶段。对于Case1-R和Case 2-R,造成生产阶段热污染的主要原因是直接排放;对于全球暖化,更多的是来自生产阶段资源输入的间接排放。

关键词：生物质水相转化航油 (火用)分析生命周期评价累积(火用) 环境(火用)

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百吨/年规模生物质水相合成航油类烃过程的物质与能量转化

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2017年第1期50卷 13-18页

作者：张琦李宇萍陈伦刚王铁军刘琪英张兴华谈金李凯马隆龙中国科学院可再生能源重点实验室广州510640 中国科学院广州能源研究所广州510640

以农业废弃物生物质为原料,利用水相转化技术,进行了百吨/年规模生物航油类烃(C_8~C_(15))合成试运行.过程中采用两步酸解法分别将玉米秸秆中半纤维素和纤维素转化为糠醛和乙酰丙酸,作为生物质基平台化合物.在碱性条件下糠醛与乙酰丙酸... 详细信息

以农业废弃物生物质为原料,利用水相转化技术,进行了百吨/年规模生物航油类烃(C_8~C_(15))合成试运行.过程中采用两步酸解法分别将玉米秸秆中半纤维素和纤维素转化为糠醛和乙酰丙酸,作为生物质基平台化合物.在碱性条件下糠醛与乙酰丙酸经Aldol缩合反应实现碳链增长,生成的长链含氧中间体经过低温预加氢、高温加氢脱氧及精制,生成C_8~C_(15)范围内液态烃,可作为生物航油组分.以试运行实验结果为基础,进行了过程的物质与能量转化分析.结果表明,该路线获得液态烃类的基本性质满足合成航油ASTM-7566标准要求,并充分利用了原料中纤维素和半纤维素组分,是一条基于生物质的长链液态烃合成路线,1,t航油约需10~12,t干基玉米秸秆.

关键词：玉米秸秆水相转化航油类烃(C8~C15) 中试系统物质与能量分析

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生物质水相制航油能量梯级利用优化与综合性能评价

生物质水相制航油能量梯级利用优化与综合性能评价

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作者：张琼引东南大学

学位级别：硕士

在纤维素生物质水相转化为航空燃料的过程中,由于木质素难以水解,通常用于燃烧供热,从而限制了航油产率的增加,因此,对生物质全组分水相转化制备航油的新工艺进行能源效率与环境影响分析,对航油工业的可持续性发展具有重要意义。本文基... 详细信息

在纤维素生物质水相转化为航空燃料的过程中,由于木质素难以水解,通常用于燃烧供热,从而限制了航油产率的增加,因此,对生物质全组分水相转化制备航油的新工艺进行能源效率与环境影响分析,对航油工业的可持续性发展具有重要意义。本文基于Aspen Plus软件,模拟了玉米秸秆中木质素不同路径水相转化为航油的过程:木质素两步法制环烷烃（LJC）和木质素一步法制芳烃（LJA）,并探讨了系统外供氢气（LJC-C/LJA-C）和自供氢气（LJC-G/LJA-G）两种方案。通过能量分析和（火用）分析,比较了不同系统的热力性能。此外,将（火用）分析与生命周期评价相结合,建立了生命周期累积（火用）模型,采用Sima Pro软件,对生物质水相制备航油系统进行资源性能和环境性能的评价分析,并通过敏感性分析优化系统性能。热力性能分析结果表明,水解生物质在LJA-C和LJA-G中分别有49.4%和71.4%的碳转化到航油,分别比LJC-C和LJC-G提高了23.8%和16.5%。LJA-G最好地利用了生物质转化为高品质航油。考虑补燃生物质时,LJA-C和LJA-G干基生物质下的航油产率分别为142.7 kg/t-bio和122.0 kg/t-bio,分别比LJC-C和LJC-G提高了10.1%和10.2%。能流和（火用）流表明糠醛制备单元具有最大的能量损失,其次是燃烧单元;（火用）损失最大的单元则为燃烧单元,且主要为不可逆损失。系统热力性能LJA优于LJC,LJA-C具有最高的能量效率和（火用）效率,9),0))和,0))分别能达到34.9%和31.2%,9),)和,)则分别为45.7%和33.9%;但是LJA-G具有更高的能量提质率（20.1%）。LJA的9),0))和,0))分别比LJC提高了12%和13%左右;9),)和,)则分别比LJC提高了7%和11%左右。LJA-C和LJA-G的能量提质率则分别比LJC-C和LJC-G提高了17.3%和13.6%。热力性能的敏感性分析表明航油（火用）效率和系统（火用）效率对汽提水蒸气耗量敏感度最大,其次是甲醇回收率。当四个因素同时达到理想值时,LJC-G和LJA-G的航油产率分别可以达到125.7 kg/t-bio和136.7 kg/t-bio;,)最大分别可以达到34.2%和37.6%。生命周期累积（火用）分析表明,LJA相比LJC具有更好的资源性能。LJA-C具有最优的)和,分别为26.9%和29.3%,均比LJA-G提高了3.7%,比LJC-C分别提高了13.1%和11.1%;但可再生性最高的系统是LJA-G,为1.52,生物质转化制氢的累积（火用）效率低于传统化石燃料制氢,但是具有更好的可再生性。累积（火用）敏感性分析显示,提高甲醇回收率在提升累积（火用）效率和可再生性上具有显著作用。几个因素均达到理想条件下,LJC-G和LJA-G的最大分别可达到31.1%和33.7%,最大则分别可达到2.14和2.46。环境影响评价中全球暖化（GWP）、人体毒性（HTP）、淡水水生生态毒性（FETP）、酸化（AP）以及富营养化（EP）的环境影响均是LJC大于LJA。且各阶段中生产阶段的环境影响贡献最大,其次是生长阶段。生长阶段GWP的环境影响主要来源于直接排放、氮肥和电力;AP、HTP、FETP和EP的环境影响则主要来源于氮肥、电力和磷肥。而生产阶段的环境影响则主要来源于外供氢气、电力、HSO和Ca O。环境影响的敏感性分析结果表明提高甲醇的回收率和降低硫酸浓度能够有效的降低环境影响。

关键词：生物质水相转化航油过程模拟 (火用)分析生命周期评价

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