【中国科学报】二代生物柴油量产工艺“升级”

ZKBH均相加氢技术将“地沟油”提炼成二代生物柴油。青岛能源所供图

  一瓶是浑浊如酱油的“地沟油”原料,一瓶是无色无味的二代生物柴油样品,装在瓶中透亮见底——在中国科学院青岛生物能源与过程研究所(以下简称青岛能源所),记者见到两瓶截然不同的油品取样。

  通过“地沟油”等废弃油脂提炼的二代生物柴油,不仅清洁、低碳,还不涉及与人争粮、争地等问题,因此备受行业青睐。然而,生产技术难度大也一直是阻碍二代生物柴油实现量产的“绊脚石”。

  好消息是,近日,青岛能源所与河北常青集团石家庄常佑生物能源有限公司(简称常佑公司)联合攻克了沸腾床改造均相加氢工艺生产二代生物柴油技术,并在常佑公司20万吨/年规模二代生物柴油生产装置上实现成功开车。

  这也标志着,青岛能源所开发的“ZKBH均相加氢技术”成为世界首个采用液态分子催化成功量产商业化二代生物柴油的技术。

  “在芬兰、美国等国家加氢生产二代生物柴油技术领域长期领先中国10余年的背景下,该技术的诞生具有里程碑的意义。”该项目负责人、青岛能源所研究员陈松告诉《中国科学报》,“目前,全部装置各项运行指标稳定,在生产中可实现高达80%以上的生物柴油收率,达到世界先进水平,产品质量满足出口欧盟标准。”

  二代生物柴油成完美替代者

  今年4月,国家能源局发布的《中华人民共和国能源法(征求意见稿)》提出,国家鼓励高效清洁开发利用能源资源,支持优先开发可再生能源。

  国家发展替代能源的政策主要是以新能源替代传统能源,以优势能源替代稀缺能源,以可再生能源替代化石能源。未来,对可再生能源的布局是国家能源的重点方向,生物质能源将扮演重要角色。

  “生物柴油,作为一种新兴的能源,扩充了国家能源的结构和组成,解决了化石柴油存在的诸多问题。”陈松表示,生物柴油既完善和优化了能源结构,补充了国家在能源战略上的短板,又充分利用和节约了资源,最大限度降低了对环境的破坏,减少碳排放,是一个可循环、可持续、健康环保的朝阳产业,具有良好的经济和社会效益。

  生产生物柴油的原料主要是餐饮业废油、榨油厂下脚料、废弃动物脂肪、东南亚棕榈油等植物油。

  “简单来说,第一代生物柴油和第二代生物柴油的生产原料相同,但是采用不同的生产工艺,分别为酯交换和催化加氢。两者得到的产品化学结构不同,第二代生物柴油与石油基柴油属于同性质产品,是高质量柴油,不影响柴油储运,不影响发动机和尾气处理。”陈松介绍说。

  从产品性能上看,与第一代生物柴油即脂肪酸甲酯相比,第二代生物柴油在化学结构上与柴油完全相同,具有与柴油相近的黏度和发热值,具有较低的密度和较高的十六烷值、硫含量较低、倾点低以及与柴油相当的氧化安定性等优势。

  与此同时,第二代生物柴油的二氧化碳排放量比柴油低,可以减少限制的和非限制的污染物排放(包括SOx、NOx),还可以减少颗粒物排放量,并且能大大减少发动机结垢,噪声明显下降。

  自主研发ZKBH均相加氢技术

  然而,在世界范围内,第二代生物柴油生产技术难度高,现有主流装置全部采用固定床生产,固定床加氢技术是目前工业应用最多、发展最快的加氢技术。但是,固定床加氢对原料要求较高,催化剂容易丧失活性,特别对含磷、含硅量较高的油料来说,容易受影响中毒降低反应活性,导致产量有限。而生产生物柴油的原料成分比较复杂,杂质多、酸值高,直接用固定床加氢困难大。

  记者采访获悉,此前,拥有第二代生产技术的企业在全球屈指可数,主要掌握在芬兰、意大利、美国、丹麦、巴西等国的少数几家公司手里。芬兰奈斯特石油公司(Neste)作为全球著名二代生物柴油公司,其在新加坡的一套生物柴油装置在2015年投产,设计产能80万吨/年,装置投资达5.5亿欧元,是目前全球产能最大的生物柴油装置。在技术上,以固定床加氢为主流技术,但固定床投资规模很大,基本为1亿美元/10万吨,对催化剂要求也极高。

  陈松团队自主研发的“ZKBH均相加氢”技术借鉴了悬浮床的优势,并利用沸腾床渣油加氢的优点,通过开发高效液体催化剂解决了固体催化剂容易磨损失活和处理生物油脂易于粉化的问题。同时,液体催化剂可以与青岛能源所自主研发的半陶瓷化抗水固态催化剂协同,实现更高的转化率,并保障工业装置长期运行的生产稳定性。

  经过工业化验证,陈松团队的产品收率达到世界领先水平,产品质量满足出口欧盟标准。该项目的成功开车,标志着中国拥有了生产二代生物柴油自主产权的先进技术。

  春天即将到来

  谈到二代生物柴油技术成果的研发生产过程,青岛能源所多相催化转化研究组负责人、研究员李学兵表示,这项技术成果凝聚了团队的智慧与心血,是产学研结合的结果。

  2019年,青岛能源所在稠油分子均相催化研究方面取得重大突破,开发出先进的“ZKBH均相加氢”技术。其特征是采用液体催化剂和均相加氢反应器设计,可加工全组分废弃矿物油和可再生生物油脂,实现废弃油脂的资源循环利用,更适用于制备二代绿色生物柴油。

  今年年初,常佑公司寻求二代生物柴油生产技术,经过调研后与青岛能源所进行合作。5月,青岛能源所提出液态催化沸腾床加氢耦合固态催化加氢脱氧提质的ZKBH工业化技术改造方案,并迅速在常佑公司启动,一期目标处理20万吨生物质油脂生产二代生物柴油。

  7月30日,双方完成所有设备调整和工艺流程改造施工,启动装置正式试料开车,8月6日成功试运行。陈松介绍,常佑公司20万吨/年二代生物柴油装置,在世界上第一次采用液态催化模式对煤焦油加氢装置进行改造,成功实现了从传统能源化工向生物燃料和绿色能源产业的转型升级,促进能源产业新旧动能转换。

  “这次合作进展迅速,我们觉得有两方面原因。一是青岛能源所在‘均相加氢’方面技术成熟度较高,企业对技术的价值认同度高,双方有着良好的合作基础。二是二代生物柴油市场需求和企业转型升级迫切需求的双轮驱动,企业决策机制快,使得项目合作短期内得以高效完成。”李学兵总结道。

  据常佑公司总经理容磊介绍,该装置一期改造后,二期能力希望扩大一倍,按40万吨设计改造。在他看来,二代生物柴油作为一个可循环、可持续、健康环保的朝阳产业,具有良好的经济和社会效益。

  据陈松预计,二期100万吨/年生物柴油装置改造完成后,可实现销售收入约104亿元,年利润10亿元,纳税约4亿元/年,提供就业岗位约500个。

  “中国的可再生能源与生物质燃料的春天即将到来。”陈松兴奋地对记者说。

  (原载于《中国科学报》 2020-09-16 第3版 能源化工)

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