Ru/C 催化作用下生物油在超臨界乙醇中的提質

陳文，駱仲泱，楊義，李國翔，盧孔裕

（1 廣東電網公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080；2 浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

由生物質快速熱裂解得到的生物油是現行化石車用燃油的理想替代品。然而，由于生物油具有低熱值、高腐蝕性、高黏度、不穩定等不良物理化學性質，因此，在現階段生物油還無法直接應在車用動力機械中[1]。為了滿足車用動力燃料的要求，需要對生物油進行提質改性。

通常而言，生物油提質改性方法主要包括加氫脫氧、催化裂化和與常規燃油乳化等方法，其中加氫脫氧和催化裂化是被研究得最為廣泛的兩種方法。加氫脫氧是在高壓（10～20MPa）和較高溫度（300～600℃）條件下，生物油在催化劑作用下進行加氫脫氧[2-5]。盡管加氫脫氧能得到性質與氣柴油類似的燃油，但是需要消耗大量的氫氣，因而使得其能量效率較低以及技術經濟性較差[5-6]。相對于加氫脫氧的高氫氣消耗量，運行于常壓和無氫氣氣氛下的催化裂化似乎是一種更經濟的方案。但是催化裂化的液體產率較低，此外產生的大量焦炭所造成的催化劑迅速失活也使得該提質方案的應用受到 阻礙[6-8]。

鑒于傳統致力于對生物油完全脫氧的提質改性方法所面臨的問題，有研究者提出了以穩定易燃有機物為提質目標的提質思路[9]。有研究者通過生物油與低碳醇的酯化反應來提高生物油的品質。Zhang 等[10]研究了在固體酸和固體堿催化劑作用下通過與乙醇的酯化反應來對生物油進行提質改性，結果表明生物油的黏度和密度有明顯的下降而熱值和穩定性有所提升。Li 等[11]的研究表明在固體酸催化劑作用下生物油與乙醇酯化過程中腐蝕性的酸類和不穩定的醛類分別轉化為酯類和縮醛類，從而使生物油的性質得到大幅度的提升。

近幾年來，有研究者進一步提出在超臨界低碳醇的體系下對生物油進行提質的方法。超臨界流體能同時表現出氣體的擴散性能和液體的溶解能力，這將大大降低反應時的傳熱傳質阻力。Peng 等[12]率先采用超臨界提質技術對生物油進行提質，并比較了在亞臨界和超臨界乙醇條件下的提質效果。結果表明在超臨界條件能顯著地提高生物油提質的效果。Zhao 等[13]和Li 等[14]通過旋蒸將生物油分為低沸點組分和高沸點組分并在超臨界條件下對兩種組分分別進行提質，兩種組分在超臨界條件下均得到了很好的提質效果。Zhang 等[15]分析了不同溶劑、催化劑載體和催化劑活性金屬對超臨界提質的影響。Dang 等[16]在雙功能催化劑 Pt/SO42-/ZrO2/ SBA-15 的作用下研究了反應條件（如醇油比、反應溫度和初始氫氣壓力）對于超臨界提質的影響。

盡管生物油超臨界提質能得到令人滿意的提質效果，但研究者們在提質過程中使用了大量的乙醇（醇油比在10∶1 左右），這將導致乙醇的大量消耗并且降低提質過程中的熱效率，因此在本文的研究中采用了較低的醇油比（2∶1）。由上所述，乙醇在超臨界中主要與酸類和醛類物質進行反應。為降低乙醇的消耗，本文試探性地采用加氫超臨界提質的方法，即首先通過加氫將醛類物質進行轉化，然后將加氫后的生物油在超臨界條件下進行進一步的提質。作為對比，本文作者也開展了生物原油直接超臨界提質的實驗。此外，還對溶劑進行了回收和重復利用。

1 實驗原料與方法

1.1 實驗原料和儀器

本實驗使用的生物油由中國科技大學提供，是由稻殼快速熱裂解所得到的。所使用的催化劑為Ru/C，從阿拉丁公司購得。作為溶劑的乙醇是從國藥公司購得。所有實驗均在300mL 反應釜中進行，反應釜由大連通產高壓釜反應容器制造有限公司 生產。

1.2 實驗步驟

對于兩步加氫-超臨界提質方法，80g 生物原油和4g 催化劑在反應溫度為175℃和初始氫氣壓力為7.0MPa 的條件下反應5 h。加氫反應結束后，加氫生物油和乙醇以1∶2 的比例混合。然后，取120g混合物和3g 催化劑放入反應釜中，在300℃和2 MPa 初始氫氣的條件下反應5h。而對于一步超臨界提質，120g 生物原油和乙醇的混合物（醇油比為2∶1）和3g 催化劑在300℃和2MPa 初始氫氣壓力的條件下反應5h。

在實驗前，反應原料和催化劑首先裝入反應釜中，合上釜蓋，擰緊螺栓并檢查反應釜的氣密性。依次用N2和H2對反應釜進行吹掃以排出反應釜內殘留的空氣，然后充入H2以達到一定的初始壓力。之后，反應釜被加熱至反應溫度并保持等溫反應一定時間，在整個反應過程中反應釜的攪拌速度為700r/min。反應結束后，反應釜被冷卻至室溫。

記錄反應前后反應釜的壓力，并使用氣體袋收集反應后反應釜內的氣體。之后，打開釜蓋，收集液體產物和固體產物，液體和固體產物通過抽濾進行分離。記錄回收的液體產物和固體產物質量，并進行質量平衡計算，對于所有的反應，質量平衡達到95%左右。

1.3 產物分析

氣體產物由氣相色譜（GC）（安捷倫7820A）進行分析。液體樣品使用GC-MS（賽默飛）進行定性分析，GC-MS 所使用的柱子為DB-wax 極性柱（30m × 0.25mm × 0.25μm）。GC-MS 的進樣口溫度為260℃，N2為載氣，升溫程序如下：40℃保持3min，以4℃/min 加熱至180℃，然后以10℃/min 加熱至260℃并在260℃條件下保持10min。譜圖中的峰通過與NIST 庫進行對比來進行定性分析，使用面積歸一法進行定量分析。液體樣品中乙醇含量在安捷倫7890A 氣相色譜上通過外標法進行定量分析。GC所使用的柱子為Hp-5 柱，GC 所使用的升溫程序和GC-MS 一樣。液體產物的熱值、水含量和pH 值分別由量熱計、卡爾費休儀和自動電位測定儀所測定。

2 結果與分析

2.1 生物油原油的分析

所使用的生物原油是一種具有刺激性氣味的黑褐色液體。生物原油的物理性質和GC-MS 結果分別如表1 和表2 所示。生物原油的水含量（含量為質量分數，下同）為46.60%，這是造成生物原油熱值偏低的主要原因。扣除水分后，生物原油的熱值為21.45MJ/kg。生物原油的pH 值為3.13，這主要是由于生物原油中含有大量的有機酸。由表2 可知，生物原油主要由酸類、酯類、醇醚類、酮類、酚類、醛類和脫水糖類組成，其中，乙酸、乙酸甲酯和1-羥基-2 丙酮是相對含量最高的組分。

2.2 生物油兩步加氫-超臨界提質與一步超臨界 提質

對于兩步加氫-超臨界提質，提質生物油的物理化學性質如表1 所示。根據表1 可知，加氫后生物油的熱值由21.45 MJ/kg 上升至27.00 MJ/kg，同時，生物油與乙醇混合物的pH 值從3.83 上升至4.41。加氫后生物原油中水分含量有所上升而有機組分的含量有所下降，這表明在低溫加氫過程中有脫氧反應發生。對加氫后生物油進行了進一步的超臨界提質，生物油熱值與pH 值分別進一步上升至30.86 MJ/kg 和5.5。超臨界提質后產物中乙醇的含量為49.66%，這表明有一部分的乙醇在提質過程中參與反應。對于一步法超臨界提質，提質后生物油熱值和pH 值與兩步加氫-超臨界提質得到的相近，分別為30.39 MJ/kg 和5.4。一步超臨界提質的產物中乙醇含量為47.81%，略低于兩步加氫-超臨界提質所得到的產物中乙醇含量，這表明在超臨界提質前對生物油加氫能降低超臨界提質過程中乙醇的消耗。

表1 生物原油與提質后生物油的物化性質與組成成分

提質產物的GC-MS 結果如表2 所示，加氫后生物油中主要成分為酸類、醇醚類、酯類、酮類和酚類。與生物原油相比，加氫后生物油中沒有檢測到醛類和脫水糖類。此外，酚類的相對含量由28.5%上升至39.32%，而酯類和酮類的相對含量分別由28.23%和17.57%下降至22.44%和12.92%。酚類相對含量的增加可能是由于生物油中一些酚類低聚物的解聚所造成。加氫后生物油中乙酸和乙酸甲酯仍然是相對含量最高的物質，而1-羥基-2-丙酮則沒有被檢測到。加氫油超臨界提質后，其組成成分發生了巨大的變化：酸類、酚類和酮類的相對含量急劇下降而醇醚類和酯類的相對含量則顯著上升。其中，酸類、酮類和酚類的面積百分比分別從12.73%、12.92%和39.32%下降至2.02%、3.28%和15.62%，而醇醚類和酯類的相對含量分別從 12.59%和22.44%上升至34.78%和41.21%。對于一步超臨界提質得到的生物油，其有機物組成成分與兩步加氫-超臨界提質所得到的生物油的組成成分類似。但兩步加氫-超臨界提質得到的提質油中醇醚類相對含量更高而一步超臨界提質所得到的提質油中的酯類和酮類的相對含量更高。

穩定易燃的含氧有機物（醇醚類、酯類和酮類）被視為生物油提質的理想產物。生物原油、兩步加氫-超臨界提質生物油和一步超臨界提質生物油中理想產物的相對含量如圖1 所示。由圖1 可知，生物原油中理想產物的含量較低，而經過兩步加氫-超臨界提質或者一步超臨界提質后，理想產物的相對含量均增加到80%左右。由于一步超臨界提質所得到產物的性質和組成成分與兩步加氫-超臨界提質所得到產物相當，為簡化工藝流程，在后續提質中采用一步超臨界提質的方法對生物油進行提質。

圖1 生物原油、兩步加氫-超臨界提質油和一步超臨界提質油中理想產物的相對含量

表2 生物原油和提質油的GC-MS 結果

根據表2 中的GC-MS 結果，對生物油在各個提質過程中的反應路徑進行了推測。加氫后，1-羥基-2-丙酮，環戊烯酮、糠醛、香草醛、1,1-二甲氧基異丙醇和2-羥基-3 甲基環戊烯酮已經消失，而1,2-丙二醇、1,4-丁二醇、環戊酮、2-甲基環戊酮和4-丙基愈創木酚則出現在加氫后的生物油中。這說明加氫步驟中主要發生的是酮類和酚類側鏈的加氫。此外，如前所述，加氫后生物油中水分含量高于生物原油中的水含量，這說明在加氫階段中也發生了脫氧反應。超臨界提質后生物油中乙酸、乙酸甲酯和酚類的相對含量下降明顯而乙酸乙酯和環醇類的相對含量則有所上升。因此，在超臨界提質步驟中發生的主要反應為酯化反應、酯交換反應和酚類的加氫反應。在一步超臨界提質中，酮類加氫、酚類加氫、酯化反應和酯交換反應得以同時發生，這表明超臨界提質能將實現不同反應的歸并耦合。Ru/C 催化劑具有較高的加氫活性，對酮類、醛類和酚類的加氫均具有催化作用。

2.3 乙醇的回收利用

由于乙醇作為反應溶劑，因此對其進行了回收利用。在85℃、常壓條件下對提質產物旋蒸2h，得到的餾出份作為溶劑參與下一次的提質反應，并添加一定量的乙醇以確保溶劑的質量為80g。

餾出份的收率和餾出份中乙醇含量隨著回收次數的關系如圖2 所示。餾出份的收率從第一次回收的56.93%降低到第二次回收時的38.18%，在之后的幾次回收中，餾出份的收率在34%與38%之間波動。與此相似，乙醇在餾出份中的含量從第一次回收的63.85%降低到第二次的51.56%，之后在51%左右波動。這表明，經過兩到三次溶劑回收后，餾出份的收率與乙醇在餾出份中的含量均會達到相對穩定的水平。

圖2 餾出份和餾出份中乙醇含量隨回收次數的變化關系

餾出份作為溶劑被用于下一次提質，這樣，每次反應新添加的乙醇僅為40 g 左右，因此實際醇油比可以降低至1∶1 左右。溶劑回收實驗的氣體產物分析結果如表3 所示，隨著溶劑回收利用次數的增加，所消耗的氫氣增多，這可能是由于餾出份中所含有的一些不飽和組分在提質過程中發生了加氫 反應。

溶劑回收利用所得到液體產物的GC-MS 結果如圖3 所示。隨著溶劑回收次數的增加，酸類和酮類的相對含量保持基本穩定，酯類物質的相對含量有所增加而醇醚類和酚類的相對含量則有所下降。理想產物的相對含量隨著溶劑回收次數的增加則有所上升。

表3 溶劑回收利用實驗氣體產物分析結果

圖3 溶劑回收利用實驗中的GC-MS 結果

作為對比，進行了醇油比為1∶1（60 g 乙醇∶60g 生物原油）的實驗，產物的GC-MS 結果如表2所示。酸類的相對含量達到了5.34%，高于溶劑回收利用實驗中液體產物的酸類相對含量。而酯類和理想產物的相對含量均低于溶劑回收利用產物中相應物質的相對含量。這表明溶劑回收利用在保持提質產物中理想產物含量基本不變的情況下能有效地降低提質所需要的乙醇消耗量。

3 結 論

本工作主要研究了低醇油比條件下生物油超臨界提質，得到了如下結論。

（1）生物油超臨界提質前進行加氫提質能在一定程度上降低超臨界提質過程中乙醇的消耗量。

（2）生物油超臨界提質能耦合加氫、酯化、酯交換反應等各種反應類型，這對于簡化反應流程具有一定的作用。

（3）乙醇的回收利用在大幅度降低提質過程中所需要的乙醇量的同時對提質產物中理想產物的相對含量沒有明顯影響。

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