ZKBH均相加氫技術將“地溝油”提煉成二代生物柴油。青島能源所供圖
一瓶是渾濁如醬油的“地溝油”原料，一瓶是無色無味的二代生物柴油樣品，裝在瓶中透亮見底——在中國科學院青島生物能源與過程研究所(以下簡稱青島能源所)，記者見到兩瓶截然不同的油品取樣。
通過“地溝油”等廢棄油脂提煉的二代生物柴油，不僅清潔、低碳，還不涉及與人爭糧、爭地等問題，因此備受行業(yè)青睞。然而，生產(chǎn)技術難度大也一直是阻礙二代生物柴油實現(xiàn)量產(chǎn)的“絆腳石”。
好消息是，近日，青島能源所與河北常青集團石家莊常佑生物能源有限公司(簡稱常佑公司)聯(lián)合攻克了沸騰床改造均相加氫工藝生產(chǎn)二代生物柴油技術，并在常佑公司20萬噸/年規(guī)模二代生物柴油生產(chǎn)裝置上實現(xiàn)成功開車。
這也標志著，青島能源所開發(fā)的“ZKBH均相加氫技術”成為世界首個采用液態(tài)分子催化成功量產(chǎn)商業(yè)化二代生物柴油的技術。
“在芬蘭、美國等國家加氫生產(chǎn)二代生物柴油技術領域長期領先中國10余年的背景下，該技術的誕生具有里程碑的意義。”該項目負責人、青島能源所研究員陳松告訴《中國科學報》，“目前，全部裝置各項運行指標穩(wěn)定，在生產(chǎn)中可實現(xiàn)高達80%以上的生物柴油收率，達到世界先進水平，產(chǎn)品質量滿足出口歐盟標準。”
二代生物柴油成完美替代者
今年4月，國家能源局發(fā)布的《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》提出，國家鼓勵高效清潔開發(fā)利用能源資源，支持優(yōu)先開發(fā)可再生能源。
國家發(fā)展替代能源的政策主要是以新能源替代傳統(tǒng)能源，以優(yōu)勢能源替代稀缺能源，以可再生能源替代化石能源。未來，對可再生能源的布局是國家能源的重點方向，生物質能源將扮演重要角色。
“生物柴油，作為一種新興的能源，擴充了國家能源的結構和組成，解決了化石柴油存在的諸多問題。”陳松表示，生物柴油既完善和優(yōu)化了能源結構，補充了國家在能源戰(zhàn)略上的短板，又充分利用和節(jié)約了資源，最大限度降低了對環(huán)境的破壞，減少碳排放，是一個可循環(huán)、可持續(xù)、健康環(huán)保的朝陽產(chǎn)業(yè)，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。
生產(chǎn)生物柴油的原料主要是餐飲業(yè)廢油、榨油廠下腳料、廢棄動物脂肪、東南亞棕櫚油等植物油。
“簡單來說，第一代生物柴油和第二代生物柴油的生產(chǎn)原料相同，但是采用不同的生產(chǎn)工藝，分別為酯交換和催化加氫。兩者得到的產(chǎn)品化學結構不同，第二代生物柴油與石油基柴油屬于同性質產(chǎn)品，是高質量柴油，不影響柴油儲運，不影響發(fā)動機和尾氣處理。”陳松介紹說。
從產(chǎn)品性能上看，與第一代生物柴油即脂肪酸甲酯相比，第二代生物柴油在化學結構上與柴油完全相同，具有與柴油相近的黏度和發(fā)熱值，具有較低的密度和較高的十六烷值、硫含量較低、傾點低以及與柴油相當?shù)难趸捕ㄐ缘葍?yōu)勢。
與此同時，第二代生物柴油的二氧化碳排放量比柴油低，可以減少限制的和非限制的污染物排放(包括SOx、NOx)，還可以減少顆粒物排放量，并且能大大減少發(fā)動機結垢，噪聲明顯下降。
自主研發(fā)ZKBH均相加氫技術
然而，在世界范圍內，第二代生物柴油生產(chǎn)技術難度高，現(xiàn)有主流裝置全部采用固定床生產(chǎn)，固定床加氫技術是目前工業(yè)應用最多、發(fā)展最快的加氫技術。但是，固定床加氫對原料要求較高，催化劑容易喪失活性，特別對含磷、含硅量較高的油料來說，容易受影響中毒降低反應活性，導致產(chǎn)量有限。而生產(chǎn)生物柴油的原料成分比較復雜，雜質多、酸值高，直接用固定床加氫困難大。
記者采訪獲悉，此前，擁有第二代生產(chǎn)技術的企業(yè)在全球屈指可數(shù)，主要掌握在芬蘭、意大利、美國、丹麥、巴西等國的少數(shù)幾家公司手里。芬蘭奈斯特石油公司(Neste)作為全球著名二代生物柴油公司，其在新加坡的一套生物柴油裝置在2015年投產(chǎn)，設計產(chǎn)能80萬噸/年，裝置投資達5.5億歐元，是目前全球產(chǎn)能最大的生物柴油裝置。在技術上，以固定床加氫為主流技術，但固定床投資規(guī)模很大，基本為1億美元/10萬噸，對催化劑要求也極高。
陳松團隊自主研發(fā)的“ZKBH均相加氫”技術借鑒了懸浮床的優(yōu)勢，并利用沸騰床渣油加氫的優(yōu)點，通過開發(fā)高效液體催化劑解決了固體催化劑容易磨損失活和處理生物油脂易于粉化的問題。同時，液體催化劑可以與青島能源所自主研發(fā)的半陶瓷化抗水固態(tài)催化劑協(xié)同，實現(xiàn)更高的轉化率，并保障工業(yè)裝置長期運行的生產(chǎn)穩(wěn)定性。
經(jīng)過工業(yè)化驗證，陳松團隊的產(chǎn)品收率達到世界領先水平，產(chǎn)品質量滿足出口歐盟標準。該項目的成功開車，標志著中國擁有了生產(chǎn)二代生物柴油自主產(chǎn)權的先進技術。
春天即將到來
談到二代生物柴油技術成果的研發(fā)生產(chǎn)過程，青島能源所多相催化轉化研究組負責人、研究員李學兵表示，這項技術成果凝聚了團隊的智慧與心血，是產(chǎn)學研結合的結果。
2019年，青島能源所在稠油分子均相催化研究方面取得重大突破，開發(fā)出先進的“ZKBH均相加氫”技術。其特征是采用液體催化劑和均相加氫反應器設計，可加工全組分廢棄礦物油和可再生生物油脂，實現(xiàn)廢棄油脂的資源循環(huán)利用，更適用于制備二代綠色生物柴油。
今年年初，常佑公司尋求二代生物柴油生產(chǎn)技術，經(jīng)過調研后與青島能源所進行合作。5月，青島能源所提出液態(tài)催化沸騰床加氫耦合固態(tài)催化加氫脫氧提質的ZKBH工業(yè)化技術改造方案，并迅速在常佑公司啟動，一期目標處理20萬噸生物質油脂生產(chǎn)二代生物柴油。
7月30日，雙方完成所有設備調整和工藝流程改造施工，啟動裝置正式試料開車，8月6日成功試運行。陳松介紹，常佑公司20萬噸/年二代生物柴油裝置，在世界上第一次采用液態(tài)催化模式對煤焦油加氫裝置進行改造，成功實現(xiàn)了從傳統(tǒng)能源化工向生物燃料和綠色能源產(chǎn)業(yè)的轉型升級，促進能源產(chǎn)業(yè)新舊動能轉換。
“這次合作進展迅速，我們覺得有兩方面原因。一是青島能源所在‘均相加氫’方面技術成熟度較高，企業(yè)對技術的價值認同度高，雙方有著良好的合作基礎。二是二代生物柴油市場需求和企業(yè)轉型升級迫切需求的雙輪驅動，企業(yè)決策機制快，使得項目合作短期內得以高效完成。”李學兵總結道。
據(jù)常佑公司總經(jīng)理容磊介紹，該裝置一期改造后，二期能力希望擴大一倍，按40萬噸設計改造。在他看來，二代生物柴油作為一個可循環(huán)、可持續(xù)、健康環(huán)保的朝陽產(chǎn)業(yè)，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。
據(jù)陳松預計，二期100萬噸/年生物柴油裝置改造完成后，可實現(xiàn)銷售收入約104億元，年利潤10億元，納稅約4億元/年，提供就業(yè)崗位約500個。
“中國的可再生能源與生物質燃料的春天即將到來。”陳松興奮地對記者說。
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