近期在催化剂共处理方面的突破为将生物物质和重油转化为高价值燃料和化学品开辟了新的道路。 这一综合办法将可再生原料与常规石油提炼结合起来,形成了降低化石燃料依赖性和减少碳排放的务实战略。 通过利用现有的炼油基础设施,共处理为清洁能源生产提供了成本效益高、可扩展的路径,而不需要全新的设施。

催化剂共同处理的基本原理

催化共处理是指生物量衍生油(如热解生物油或水处理植物油)和重石油分量(如真空气体油或大气残留物)在专门催化剂存在下同时转化。 这一过程通常发生在温度升高(350–450 °C)和氢压力(5–15 MPa)下的水处理装置中。 在这些条件下,催化剂会促进氢脱氧、水分裂和水解硫化等反应,这些反应将生物量化合物中的氧气分量从中去除,同时将大型碳氢分子分解成更轻、更有价值的产品。

催化剂的选择至关重要。 常规水处理催化剂——以钴或镍所推广的钼或钨硫化物为基础——通过调整其酸性和金属负荷而进行了改造,以便进行共处理。 然而,生物量(高达50瓦特)的含氧量高,由于交织和烧结,可以迅速使这些催化剂失去作用。 近期的配方包括了 ⁇ 、中原材料和非 ⁇ 硫化金属化合物,以提高稳定性和选择性。

关键技术突破

强化催化剂配方

研究人员开发了长期保持高活性催化剂,例如,铝制的经磷改性铝上所支持的镍钼催化剂在加工生物 ⁇ 油混合物时对焦炭沉积的抗药性有所增强,其他研究人员引入了散落在分层 ⁇ 醇中,将形状的选择性裂解与高效的氧气清除结合起来的双金属纳米粒子,这些进步提高了汽油 ⁇ 和柴油 ⁇ 烷烃的产量,同时将不必要的碳化合物和气体降到最低。

一个显著的例子来自一项2023年的研究,其中一种碳化钴的促进钼催化剂在200小时连续运行中实现了20%的生物 ⁇ 油混合物脱氧90%以上,而未出现重大的催化剂衰老(),应用催化B:环境),这种稳定性对于工业的采用至关重要。

最佳反应条件

温、压和空间速度的微调已经证明是决定性的。 温度(约370°C)较低有利于苯丙化合物的氢脱氧,而温度较高则驱动着大型碳氢化合物链的裂解。 先进的过程控制系统现在根据原料成分实时调整条件,而原料成分因生物量而异。 这一动态优化可以降低副产品(如轻气体和焦炭)的形成,使液体产品产量与固定条件操作相比提高5-10%。

在国家可再生能源实验室的试验试验表明,两个阶段的温度简介——温度稍低,然后是温度较高的抛光步骤——提高了最后燃料混合物的质量,达到了柴油的ASTM D975规格(NREL)。

与升级技术的结合

单靠Co ⁇ 加工就能产生往往需要进一步提炼的中间流。 通过将中间流与专用的液压或水处理装置相结合,操作者可以生产成品燃料。 一些炼油厂将一个轻度的液压堆放在Co ⁇ 加工反应堆下游,有效地将重分量转化为煤油和柴油。 另一些炼油厂将分离器整合起来,将未转换的生物油回收到饲料中,提高了碳总效率超过80%。

在欧洲,若干炼油厂利用常规饲料所用的同样的催化剂系统( COCCAWE报告),在现有的水处理器中共同加工了高达20%的生物质-衍生油。 这种整合在满足可再生燃料任务的同时,将资本支出降到最低。

环境和经济影响

催化剂共处理的环境效益有详细记载。 寿命周期分析显示,用木质生物量取代20%的化石重油,与传统的提炼相比,可以减少40-60%的温室气体排放,这取决于生物量来源和所使用的氢源。 当生物量来自废渣(如林业斜拉或农业残余)时,碳足迹甚至更低,因为避免的分解排放被算作入入计量。

经济方面,共加工通过将昂贵的真空天然气油和廉价的生物石油取代来提高炼油利润。 实施共加工报告的炼油厂降低了5-15 % 的原料成本。 此外,共加工燃料符合美国可再生能源标准和欧洲类似方案规定的可再生识别号码(RIN)的条件,从遵守市场中获取收入。 典型的10万桶/日加工10%生物石油的精炼厂单靠RIN信贷每年就能额外获得20-3亿美元。

资源效率也有所提高。 否则被填埋或焚烧的生物量被转化为运输燃料,减少废物。 难以自行升级的重油成分成为有用的产品清单的一部分。 这种协同效应使每桶混合饲料的价值最大化。

加工过程中的挑战

催化除尘器

尽管配方有所改进,但催化剂的去除仍然是主要的障碍。生物质的衍生油含有碱金属(钾、钠)和植物物质中的氯,这些物质毒害了酸性场所。氧化物的去除会产生水,这会导致催化剂支持的热液喷火。 研究人员正在探索牺牲性护床和再生催化剂系统,但这些都增加了复杂性。 液态催化裂解中常见的连续再生,正在调查共处理,但还没有商业化。

原料的可变性

生物量的构成随着季节、地区和物种的变化而变化。 一批松松松松解油的氧气可能比一批Poplar多20%。这种变化对稳态炼油厂的运作提出了挑战。 先进的定性工具 — — 如在线近红外光谱学 — — 能够提供实时原料分析,但并非所有炼油厂都具有标准。 操作者必须保持灵活的催化剂系统和强有力的过程控制,以应对饲料质量的波动。

进程优化

平衡生物量和重油的反应网络并非微不足道。生物量脱氧的理想条件可能与重残裂的条件不相适应。生物量碎片的过度裂裂解可产生轻气体,降低液体产量。裂解不足的重端会降低产品质量。利用经过历史试验数据培训的机器学习模型,正在出现多种客观优化,以作为确定最佳取舍点的一种方法。一些研究小组报告,使用随机的森林模型对产品产量进行95%的预测准确性(Fuel journal[)。

未来的研究方向

纳米结构催化剂

纳米级催化剂结构——如核心壳颗粒、金属有机框架和单原子催化剂——对活性地点的空前控制,例如,氮化碳上的单原子Ni在温和条件下表现出脂肪酸的氢脱氧活性很高,如果加入共处理,这种催化剂的运行可以降低氢消耗,降低成本和碳排放。

高级反应堆设计

常规固定式反应堆在加工粘性材料时会受到导流和压力下降的影响。 已经用于重油升级的流化式和膨胀式反应堆正在被改造为共处理,它们允许不断添加和去除催化剂,减轻失效。小说设计如旋转式的包装式固定式反应堆或微通道反应堆,可以加强质量转移和热管理,从而降低能量的消耗。加拿大和斯堪的纳维亚的试点工厂正在测试这些配置,其生物量混合率高达30%。

数字双胞胎和AI控制

数字双胞胎 — — 物理共处理单元的虚拟复制 — — 操作员在改变前可以模拟不同的饲料混合和加工条件。 这些系统与AI — — 驱动优化循环相结合,可以实时调整催化剂温度状况以保持目标产量。 欧盟的Horizon — — 2020项目早期实施,在减少计划外停工时间的同时,产品价值提高了3—5 % 。

结论

催化共处理与传统提炼的交汇点。 随着催化剂配方的扩大、反应环境的优化以及技术升级的结合,这一过程正变得更加有力和更具经济吸引力。挑战 — — 催化的去除、原料的变异性以及工艺的优化 — — 依然存在,但纳米结构催化剂、先进反应堆和数字控制方面的持续研究有望克服这些挑战。 由于全世界炼油厂都在努力在不放弃现有基础设施的情况下去碳化,生物量和重油的共处理提供了一种实际的、可扩展的解决办法,可以减少排放、提高资源效率以及产生清洁的燃料信贷。 继续投资试点的试验和合作研究对于使这一技术达到商业成熟度至关重要。