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航空生物燃料高效制备实验研究与机理分析

作　者: 刘广瑞
导　师: 陈冠益
学　校: 天津大学
专　业: 热能工程
关键词: 航空生物燃料 电解 催化裂化 集总模型 技术经济分析 生命周期评价
分类号: TK16
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


目前，包括中国在内的世界各国航空公司都在积极寻求解决方案来应对航空燃料价格急剧波动和航空碳减排的双重压力。开发第二代可再生航空生物替代燃料是航空业减排和降低燃油成本的重要出路。本文简要分析了航空燃料制备的典型技术（主要包括常规炼制工艺、非传统原料炼制工艺、费托合成技术、氢化处理技术、生物合成烃技术、裂解工艺、转酯化技术以及其它发酵工艺），并对各种工艺进行了对比。同时，本文以生物柴油和脂肪酸为原料，采用柯尔贝电解联合催化裂化工艺制得可再生航空生物燃料，该产品具有优良的稳定性、低温流动性以及安全性能，完全可以作为现有航空燃料的替代产品或调合组分，而且不需要对现有的燃料设施进行改造。柯尔贝电解工艺主要是去除原料中的氧。研究结果表明：铂电极具有较好的稳定性能，较高的电解温度和电压有利于该反应的进行，优化的电解温度为45±5°C；乙醇溶剂适用于酸性电解体系，而甲醇更适于弱酸性或者中性电解体系；当采用甲醇作溶剂时，电解电压不能低于7.5V。标准三电极体系电化学测试（循环伏安测试、线性伏安扫描、塔菲尔曲线测试）结果表明：柯尔贝电解是完全不可逆的合成过程，且电解过程中的电子转移数是1。NKC-7、NKC-11、HY、NKC-12催化剂用于催化裂化/异构化实验来制备碳链个数在515的宽切割组分航空燃料。通过催化剂的表征及失活特性分析表明NKC-7具有较好的催化裂化稳定性。优化的催化裂化反应条件为：反应温度485°C，物料流量0.600mL/min，催化剂用量15g （质量空速为2.2h-1）。该反应条件下航空燃料组分的产率在90%以上。本文还建立了集总反应动力学模型并利用龙格库塔方程和非线性最小二乘法对催化裂化工艺进行了动力学参数的估算。本文建立了成本分析模型对航空生物燃料的生产进行技术经济性评估，该模型以废弃油脂为原料，生产规模为年产1万吨航空燃料。分析结果表明：采用该工艺技术生产航空燃料的总投资额为2410万元，生产成本为7780万元每年，其中原料价格所占比重接近88%。本文以能源微藻等能源作物为原料，对可再生航空生物燃料进行全生命周期评价。结果表明：虽然以微藻为原料生产并使用1MJ的生物燃料所产生的二氧化碳当量值最低，但是仍达到0.285kg eq-CO2/MJ生物燃料。开发废弃油脂资源作为我国发展可再生生物燃料的主要原料将会带来极大的环保效益和社会效益。

全文目录


中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
Abbreviations  6-8
Nomenclature  8-13
CHAPTER ⅠINTRODUCTION  13-23
  1.1 BACKGROUND  13-17
    1.1.1 Fuel cost  14-15
    1.1.2 Environmental concern  15-17
  1.2 RESEARCH SIGNIFICANCE  17-23
    1.2.1 Strategic development of airlines  17
    1.2.2 Sustainable development of environment  17-18
    1.2.3 National strategic security  18-19
    1.2.4 Summary and outlines of this thesis  19-23
CHAPTER ⅡLITERATURE REVIEW  23-69
  2.1 CURRENT SITUATION OF AIRLINE INDUSTRY  23-25
  2.2 AVIATION FUEL SUMMARY  25-32
    2.2.1 Status and standard system of aviation fuel  25-28
    2.2.2 Materials of aviation biofuel  28-32
  2.3 AIRLINE TRANSPORTATION & ENVIRONMENT  32-37
    2.3.1 Air  32-34
    2.3.2 Noise  34-35
    2.3.3 Climate  35-36
    2.3.4 Summary  36-37
  2.4 TECHNOLOGIES OF AVIATION FUEL PRODUCTION  37-69
    2.4.1 Traditional crude oil-based technology  37-39
    2.4.2 Untraditional oil sources-based process  39-42
    2.4.3 Fischer-Tropsch synthesis  42-53
    2.4.4 Hydrotreating synthesis  53-57
    2.4.5 Synthetic hydrocarbons  57-59
    2.4.6 Pyrolysis  59-60
    2.4.7 Transesterification  60-63
    2.4.8 Other technologies  63-65
    2.4.9 Summary  65-69
CHAPTER Ⅲ THE HYDROCARBON SYNTHESIS BY KOLBE REACTION FROM SATURATED FATTY ACIDS  69-93
  3.1 MATERIALS  69-70
  3.2 EXPERIMENTAL DESIGN  70-73
    3.2.1 Products analysis  72-73
    3.2.2 Electrochemical tests  73
  3.3 KOLBE ELECTROSYNTHESIS EXPERIMENTS  73-81
    3.3.1 Effect of temperature  73-75
    3.3.2 Effect of time  75-76
    3.3.3 Effects of support electrolyte  76-79
    3.3.4 Effect of solvent  79-80
    3.3.5 Effect of electrodes  80
    3.3.6 Effect of potential  80-81
  3.4 CROSS-COUPLED KOLBE ELECTROSYNTHESIS  81-83
  3.5 KOLBE ELECTROSYNTHESIS MECHANISM  83-91
    3.5.1 The electrochemical cell design  85
    3.5.2 Cyc1ic voltammetry (CV)  85-87
    3.5.3 Linear sweep voltammetry  87-88
    3.5.4 Tafel tests  88-89
    3.5.5 Theoretical decomposition potential  89-91
  3.6 SUMMARY  91-93
CHAPTER Ⅳ THE EXPERIMENTAL STUDY ON CATALYTIC CRACKING REACTION FROM HYDROCARBONS  93-117
  4.1 MATERIALS  94
  4.2 EXPERIMENTAL DESIGN  94-97
    4.2.1 Products analysis  96
    4.2.2 Catalyst characterization  96-97
  4.3 CATALYST CHARACTERIZATION  97-99
    4.3.1 ICP  97-98
    4.3.2 XRD  98-99
    4.3.3 BET  99
  4.4 CATALYTIC CRACKING EXPERIMENTS  99-108
    4.4.1 Effect of temperature  99-101
    4.4.2 Effect of reaction time  101-103
    4.4.3 Effect of catalyst amount  103-104
    4.4.4 Effect of flow rate  104-105
    4.4.5 The characterization of deactivated catalysts  105-108
  4.5 MECHANISM OF CATALYTIC CRACKING REACTION  108-111
    4.5.1 Carbonium ion theory  108-109
    4.5.2 Single hydrocarbon characteristics  109-111
  4.6 KINETICS STUDY  111-115
  4.7 SUMMARY  115-117
CHAPTER Ⅴ ANALYSIS ON THE PROPERTIES OF PRODUCTS  117-127
  5.1 TRUE BOILING POINT DISTILLATION  117-118
  5.2 PHYSICAL & CHEMICAL PROPERTIES  118-122
    5.2.1 Stability  120-121
    5.2.2 Fluidity  121-122
    5.2.3 Safety properties  122
  5.3 ELEMENTS ANALYSIS  122-125
  5.4 SUMMARY  125-127
CHAPTER Ⅵ TECHNICAL AND ECONOMIC ANALYSIS OF AVIATION BIOFUEL PRODUCTION FROM WASTE COOKING OIL  127-137
  6.1 FIXED CAPITAL COST  129-130
  6.2 OPERATING COST  130-132
  6.3 SENSITIVITY STUDY  132-137
CHAPTER Ⅶ LIFE CYCLE ASSESSMENT OF AVIATION BIOFUEL PRODUCTION FROM MICROALGAE  137-157
  7.1 METHODOLOGY  139-147
    7.1.1 Microalgae cultivation  141-143
    7.1.2 Pretreatment for microalgae  143-144
    7.1.3 Transesterification  144-145
    7.1.4 Kolbe electrosynthesis  145-146
    7.1.5 Catalytic reaction  146
    7.1.6 Distribution  146
    7.1.7 Combustion  146-147
  7.2 MASS FLOW ANALYSIS  147-149
  7.3 POTENTIAL ENERGY ANALYSIS  149-153
  7.4 POTENTIAL EMISSION ANALYSIS  153-154
  7.5 SUMMARY OF LCA  154-157
CHAPTER Ⅷ CONCLUSIONS AND FUTURE WORK  157-163
  8.1 SUMMARY  157-160
  8.2 INNOVATION AND HIGHLIGHTS OF THIS WORK  160-161
  8.3 FUTURE WORK  161-163
REFERENCES  163-189
PUBLICATIONS AND PROJECTS INVOLVED  189-191
ACKNOWLEDGEMENTS  191

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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 热力工程、热机 > 燃料与燃烧
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