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登记号:

粤科成登(2)字【2016】0142

登记日期:

2016.06.13

成果名称:

生物质水相催化转化机理和生物烃类燃料制备新技术

完成单位:

中国科学院广州能源研究所

研究人员:

马隆龙、王铁军、张 琦、刘琪英、张兴华、 陈伦刚、章 青、仇松柏、定明月、王晨光、 徐 莹、李宇萍、李 凯、何明红、谈 金

研究时间:

2012.01 至2015.12

成果评价单位:

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成果评价日期:

2016.06.23

成果应用行业:

农、林、牧、渔业

高新科技领域:

新能源与节能

学科分类:

    

简介:

(1) 任务来源:① 科技部国际合作专项:生物质全成分制取航空燃料示范系统(2012DFA61080),2012.5-2015.4,290万元。② 国家"863"项目:生物质水相催化合成生物航空燃料(2012AA101806),2012.1-2015.12,821万元。 (2) 技术原理及性能指标 技术原理:① 通过水蒸气在生物质/催化剂表面形成液膜,构筑了蒸汽-水双相反应体系,提出了精确调控原位动态液膜厚度强化相间热质传递的方法,形成了生物质水热解聚定向转化为呋喃类平台化合物的动态液膜转化机理。② 生物质水热解聚定向转化制备的呋喃类平台化合物与乙酰丙酸经羟醛缩合,生成碳原子数在C8-C15范围内的长链含氧化合物,而后经低温预加氢、加氢脱氧生成以C8-C15长链正构/异构烃为主的生物航空燃油。② 设计合成了微孔介孔耦合的催化材料,利用催化剂酸性位和金属活性位协同剪裁生物质糖醇分子调控分子构型,实现分子剪裁和碳链重组的反应耦合生成芳烃燃料。 性能指标:① 半纤维素水解率达91%、纤维素水解率达85%,水解液中糖浓度达6.2%,水解液中总糖转化率达87%。② HMF 和糠醛等平台化合物的总收率达75%,经羟醛缩合生成生物航空燃油前体的选择性达90%以上。③ 制备的生物航空燃油中C8-C15 正构及异构烷烃选择性达87%以上。航空燃料产品的酸度为0.002mgKOH/g,氧含量降到0.35%。④ 建成了百吨级生物航空燃油的中试示范工程;在缩合平台化合物全利用情况下,1 吨生物航空燃油消耗玉米秸秆(干基)7.8 吨,消耗干基木薯6.4 吨。 (3) 成果的创造性、先进性:本成果以低品位生物质为原料,通过水热定向解聚、平台化合物制备及水相催化加氢脱氧等技术转化为高品位航空燃油与芳烃化学品。与同类技术相比,具有较好的创造性与先进性。 ① 提出了复杂多相反应体系中"动态液膜效应"理论。构筑了蒸汽-水反应体系,拓展了原位动态液膜强化相间热质传递的调控机制,建立了呋喃类及糖醇等平台化合物转化为烃类燃料的绿色转化新方法。解决了其水热转化中效率低、选择性差和污染严重等难题。② 构建了生物质水热高效催化体系。提出规整孔道结构与催化活性位构成的"协同反应和空间束缚效应"对反应途径的调控机制,创制了具有空间束缚作用的层状催化剂(LiTaMoO6),协同Ru催化剂在临氢水热体系中直接转化木质纤维素为烃类燃料,实现玉米秸秆一步转化为烃类组分(C5+烃),产率达82%。成功研制高水热稳定性的双功能催化剂(Ru-MoOx/Al2O3),用于长链含氧化合物加氢脱氧生产航空燃料(C8-C15烷烃),油品质量收率可达60%(理论质量收率73%),催化剂寿命>500小时,具备较好的工业化应用前景。③提出了生物质烃燃料碳链构建新途径。从生物质分子结构特点出发,构建了生物质水热转化新途径,实现了生物质定向转化制备烃燃料在理论和技术上的突破:首次提出了生物质水热催化合成生物航油的全合成新途径。该路径充分利用了纤维素和半纤维素组分,突破了国际上需要外加化石原料的路线瓶颈。率先提出了碳水化合物直接水热芳构化制备汽油的新途径,创制了微-介孔复合分子筛催化剂,大幅提高了芳构化效率,C8-C11饱和环烷烃和芳烃的总选择性超过80%。 建立了生物质水相催化转化制备C5、C6烃燃料技术路线,创制了高水热稳定性的炭基双功能催化材料。形成了自有知识产权的核心技术,其中生物航油技术已与企业合作,进入放大生产阶段。 (4)技术的成熟程度:已完成中试验证。航油产品达到国际ASTM D7566标准。适用范围和安全性:生物质水相催化转化机理和生物质烃类燃料制备新技术可应用于低值生物质原料向高品位的生物航空燃料及生物基芳烃化学品的转化过程。生物质原料通过水相催化转化技术制备的航空燃料,可按50%的比例与传统航煤混合,应用于航空领域。而通过生物质水相芳构化制备的芳烃化合物可与长链烷烃调配组成航空燃料油,完全替代传统航煤应用于航空领域。 (5)应用情况及存在的问题:本成果技术已在龙力生物技术有限公司、深圳中环油新能源有限公司、波音中国投资公司进行了应用。 本成果技术是一条全新的生物质高效转化技术,还需开展工艺与装备的成套化与标准化。水相催化合成的生物航油产品还需通过国际新标准制定与认证,从而获得国际适航应用许可,实现全球航线应用。

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