全球的私营部门和公共部门均对寻找高效且经济的由生物质原料生产交通燃料的方法表现出浓厚兴趣。这一兴趣源于对燃烧石油化石燃料导致温室气体(GHG)排放并加剧全球变暖问题的普遍关注。此外,北美和欧洲也存在强烈的政策意愿,希望通过可再生的国内液体燃料替代进口石油。2008年,生物燃料提供了全球1.8%的交通燃料需求1。在许多发达国家,未来不久将要求生物燃料替代6%至10%的石油燃料2。在加拿大,法规要求自2010年12月15日起,汽油中可再生燃料的平均含量须达到5%3。欧洲的可再生能源指令(RED)也规定,到2020年,欧盟交通领域中可再生能源的使用目标须达到10%4。
挑战在于开发并验证一条可行的经济途径,以从生物质中生产可互换的运输燃料。生物来源包括基于甘油三酯的生物质,如植物油和动物脂肪,以及废食用油和纤维素类生物质,如木片、森林废弃物和农业残余物。在过去二十年中,研究重点集中在利用传统流化催化裂化(FCC)技术对生物质衍生油进行加工的评估。5-12,一种在炼油厂中用于生产大部分汽油的技术。本研究的创新方法是将油菜籽油与油砂沥青衍生的原料进行共处理。通常情况下,沥青必须在炼油前经过升级处理,以生成合成原油(SCO)等炼油原料——这一加工路径能耗特别高,占合成原油生产过程中温室气体(GHG)排放量的68%–78%13 2011年,占加拿大温室气体排放总量的2.6%14. 用部分升级的加氢裂化重油(HGO)与生物原料共加工,可减少温室气体(GHG)排放,因为生物燃料生产过程的碳足迹显著更小。本文选择芥花籽油(canola oil)作为原料,因其在加拿大和美国资源丰富。该原料的密度和黏度与HGO相近,且硫、氮及金属含量极低,对流化催化裂化(FCC)性能或产品质量的影响可忽略不计。此外,该共加工方案具备显著的技术与经济优势,可利用现有炼油设施,因而无需大量新增设备或对炼油厂进行重大改造。同时,在高度芳香性的沥青原料与其直链结构的生物质原料共加工过程中,可能存在协同效应,从而提升产品品质。然而,共加工过程也面临重要的技术挑战,包括生物原料独特的物理化学特性:高含氧量、富含正构烷烃、与石油原料的相容性、潜在的结垢倾向, 等等。
本研究提供了一种在实验室规模下通过催化裂解菜籽油生产生物燃料的详细方案。本工作采用一套全自动反应系统 ——本文中称为实验室试验装置(LTU)15。该装置的工作原理如图1所示。该LTU现已成为实验室流化催化裂化(FCC)研究的行业标准。本研究的目的是测试LTU用于裂解菜籽油以生产燃料和化学品的适用性,旨在减少温室气体(GHG)排放。

图1:反应器的概念示意图。 示意图显示了催化剂、进料、产物和稀释剂的流动路径。 请点击此处查看此图的放大版本。