CN116554926B - 一种废弃油脂加氢生产生物柴油的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物油品技术领域,公开了一种废弃油脂加氢生产生物柴油的方法,其包括以下步骤:废弃油脂和氢气、加氢预处理催化剂混合后进入浆态床加氢反应器加氢;加氢后流出物经旋液分离器得到的尾渣部分循环至浆态床加氢反应器;液体产物气液分离,富氢气体净化后循环使用,液相产物进行固液分离;分离出的液相产物进入串联的加氢精制反应器、加氢异构反应器和后精制反应器加氢;加氢产物进行气液分离,液体产物经过分馏得到生物柴油。本发明通过浆态床加氢预处理高效完成废弃油脂中含氧化合物等非理想组分的加氢转化;通过深度补充加氢处理,获得优质低凝生物柴油馏分;原料适应性强;产品收率高;装置运转周期长。
Description
技术领域
本发明涉及生物油品技术领域,具体涉及一种废弃油脂加氢生产生物柴油的方法。
背景技术
废弃油脂制生物柴油属于废旧能源再生,在欧洲,相比常规生物燃料其使用量遵循“双倍减排计数原则”(即实际添加量若为1%,计算添加量时计为2%)。若添加以废弃油脂为原料的生物柴油,通过“双倍减排计数原则”,可以减少生物柴油的添加量,从而实现经济和环境保护的协调发展。
由于生物质原料的粘度高、氧含量高,燃烧不稳定性且热值低等特性,不能直接作为石油燃料的替代,在使用前,需要进行加氢脱氧(Hydrodeoxygenation,HDO)处理,生物质原料中含氧化合物主要的类型包含酚类、呋喃类、酮类、醛类和酯类等。棕榈油和地沟油中主要的含氧化合物为甘油三酯,大部分碳链的长度为C14~22,其中C18和C16占脂肪酸总数的95%以上。
目前第二代生物柴油的生产工艺主要为固定床加氢工艺,基于我国的国情,我国现阶段主要以废弃油脂为原料制备生物柴油,废弃油脂原料有着酸价高且Fe、Na、Ca金属元素以及O、N、P等元素含量过高的缺点,它们在加氢反应的过程中易沉积在加氢催化剂活性组分上使催化剂快速中毒;此外,长链烯烃与含氧化合物的存在会使催化剂床层结块、堵塞,致使反应器压降快速上升而停工;另外,由于生物质原料的来源不同、组成成分复杂,导致现今的固定床加氢工艺普遍存在着装置堵塞和腐蚀等问题,对加氢脱氧过程的连续性和长周期平稳运行提出了较高的要求,加氢脱氧过程的长周期平稳运行是生产生物柴油技术的痛点所在。
负载型催化剂的载体对催化剂的使用寿命和稳定性有着直接的影响。目前,加氢脱氧(HDO)催化剂使用最多的载体是γ-Al2O3。但生物油原料高含氧量的特性会使其在加氢脱氧的过程中有一定量的水生成,在一定压力的水蒸气中,Al2O3会生成薄水铝石,致使催化剂结构塌陷,比表面积和孔体积减小,机械强度降低,催化剂的催化活性降低。传统的负载型催化剂在以废弃油脂的加氢预处理中存在着极大的限制。
申请号为CN201110373951.X的专利公开了一种生物柴油的生产方法,该方法使用餐厨废油和矿物柴油为原材料,矿物柴油的添加虽然一定程度上解决了加氢脱氧中生成的H2O对催化剂使用寿命的影响,但矿物柴油的添加使所生产出的成品生物柴油不符合国家对于生物柴油的定义,不能享受相应的税收优惠,失去了经济效益。
申请号为CN202110261877.6的专利公开了一种利用废弃油脂直接生产柴油的工艺,该工艺包含原料油的预处理、将高碳数烃类水解得到脂肪酸、加氢精制等过程,操作过程繁琐,水解得到脂肪酸的操作增加了建设成本和运行成本。
申请号为CN200610083300.6的专利公开了一种制备生物柴油的方法,其包括生物油脂原料与短链醇进行酯交换反应、甲醇以及甘油的回收,该方法制得的产品为第一代生物柴油,存在能耗高、甲酯产物难以回收的弊端,酯交换过程中所使用的催化剂为Bronsted酸离子液体催化剂,生产成本高。
申请号为CN201110192761.8的专利公开了一种加氢制备生物柴油的方法,该方法使用优良的植物油为原料,主要包含加氢精制、临氢降凝等过程,使用的催化剂为硫化态的催化剂,需要使用含硫化合物(例如:二硫化碳、硫醚及其衍生物等)对氧化态的催化剂活性组分进行预硫化,操作过程复杂,对水的污染比较严重。所用催化剂载体为γ-Al2O3,在长期水热条件下会使催化剂结构塌陷,比表面积和孔体积减小,机械强度降低。
申请号为CN201910190312.6的专利公开了一种制备生物柴油的方法,其包含甘油酯的水解、甘油发生水相重整生成氢气、加氢精制等步骤。该方法无需额外通入高纯氮气,能耗低。但后续加氢反应过高的温度会抑制甘油的水相重整反应生成氢气,产物分离复杂。
申请号为CN201911163276.6的专利公开了一种催化油脂定向加氢脱氧制备氢化生物柴油的方法,该方法使用废弃油脂等为原料,所用的催化剂为分子筛负载型催化剂即Ni2P/SAPO-11,磷化物的存在会造成大量磷化废水,处理成本高,产生的废水对环境的污染比较严重。
申请号为CN201510263141.7的专利公开了一种废动植物油生产航空生物燃料的方法,该方法由预处理单元、加氢处理单元、脱气脱水单元、加氢转化单元、精馏单元组成,处理工序繁琐,在加氢处理单元需要装填保护剂还需要采取特殊的催化剂级配工艺,防止油脂加氢过程中生成的H2O对催化剂活性的影响。操作灵活性低。
综上所述,上述方法在使用废弃油脂生产生物柴油的过程中,通常会遇到以下问题:一方面,废弃油脂组成复杂,废弃油脂原料有着酸价高且Fe、Na、Ca 金属元素以及O、N、P等元素含量过高的缺点,固定床催化剂易中毒失活,结焦堵塞难以实现长周期运转,给固定床加氢脱氧工业化带来了阻碍。另一方面,负载型催化剂的载体对催化剂的使用寿命和稳定性有着直接的影响。但生物油原料高含氧量的特性会使其在加氢脱氧的过程中有一定量的水生成,在一定压力的水蒸气中,Al2O3会生成薄水铝石,致使催化剂结构塌陷,比表面积和孔体积减小,机械强度降低,催化剂的催化活性降低。传统的负载型催化剂在废弃油脂的加氢预处理中存在着极大的限制。因此,消除固定床在加氢脱氧过程中的各种缺陷,开发出一种对原料适应性强,能够实现装置的大规模、长周期运行的处理工艺是本领域亟需解决的重要问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足,本发明提供一种废弃油脂加氢生产生物柴油的方法,其技术方案如下:
一种废弃油脂加氢生产生物柴油的方法,其包括以下步骤:
S101:脱除机械杂质的废弃油脂和氢气、加氢预处理催化剂充分混合后进入浆态床加氢反应器,进行加氢预处理;
S102:加氢后流出物经旋液分离器得到的尾渣部分循环至浆态床加氢反应器入口,少量尾渣外排;
S103:经旋液分离器分离得到的液体产物进入气液分离器进行气液分离,得到的富氢气体经净化后循环使用,得到的液相产物进入固液分离器;
S104:固液分离器分离出的液相产物作为加氢预处理后产品,固体残渣排出装置;
S105:加氢预处理后产品进入依次串联的固定床加氢精制反应器、固定床加氢异构反应器和固定床后精制反应器进行加氢处理;
S106:加氢产物进入气液分离单元进行气液分离,得到的液体产物进入分馏单元,得到石脑油馏分和生物柴油馏分。
进一步的,所述S101中废弃油脂、氢气和加氢预处理催化剂混合后由底部进入浆态床加氢反应器,自下而上流动;所述浆态床加氢反应器的反应条件为:反应器内氢分压为4~20MPa,反应温度为340~410℃,液时体积空速为0.5~1.5h-1,氢气与废弃油脂的体积比300~1200Nm3/m3;所述浆态床加氢反应器的轴向温度分布均匀,温差最大不超过15℃。
进一步的,所述S101中加氢预处理催化剂的加入量占废弃油脂重量的0.005~0.2%。
进一步的,所述S102中旋液分离器的操作条件为:压力为4~20 MPa,温度为200~300℃;所述S102中旋液分离器得到的尾渣,循环至浆态床加氢反应器入口的量占尾渣总量的80~99重量%,外排量占尾渣总量的1~20重量%。
进一步的,所述S105中固定床加氢精制反应器的反应条件为:反应器内氢分压4~20MPa,反应温度280~380℃,液时体积空速为0.5~4h-1,氢气与进入反应器的物料体积比为300~1000Nm3/m3;所述S105中固定床加氢异构反应器的反应条件为:反应器内氢分压4~20MPa,反应温度340~390℃,液时体积空速为0.5~4h-1,氢气与进入反应器的物料体积比为300~1000Nm3/m3;所述S105中固定床后精制反应器的反应条件为:反应器内氢分压4~20MPa,反应温度240~320℃,液时体积空速为0.5~4h-1,氢气与进入反应器的物料体积比为300~1000Nm3/m3。
进一步的,所述S101中加氢预处理催化剂是负载在载体上的第ⅥB族金属Mo或W和第ⅧB族金属Co或Ni,催化剂活性组分以氧化物重量计为10%~30%。
进一步的,所述S101中加氢预处理催化剂组成为:氧化镍和/或氧化钴1~6重量%,氧化钼和/或氧化钨6~24重量%,其余为炭载体。
进一步的,所述S101中加氢预处理催化剂制备步骤如下:
(1)将活性金属的可溶性盐制成所需浓度的溶液,采用等体积浸渍法浸渍炭载体,并在80~200℃下干燥1~10小时,得到活性炭负载金属催化剂;所述活性金属可溶性盐包括镍盐、钴盐、钼盐及钨盐,镍盐包括硝酸镍及碱式碳酸镍,钴盐包括硝酸钴、乙酸钴及碱式碳酸钴,钼盐包括氧化钼及钼酸铵,钨盐包括氧化钨及偏钨酸铵;
(2)将步骤(1)得到的活性炭负载金属催化剂、硫化剂加入反应釜中进行水热处理,硫化剂的含硫量与活性金属量的摩尔比为3~5:1,活性金属量即镍和/或钴及钼和/或钨之和,反应温度为80~200℃,反应时间为2~6h,即可得到活性炭负载的过渡金属硫化物催化剂。
进一步的,所述加氢预处理催化剂呈颗粒状,外径为50~500μm;所述硫化剂为硫化铵、多硫化铵、单质硫、硫脲、硫代硫酸铵中的一种或多种。
进一步的,所述废弃油脂包括酸化油、地沟油、动物内脏油、抽油烟机的凝析油、白土精炼脱附油、榨油过程中产生的油泥、牛羊皮油、棕榈酸化油、椰子油、棕榈油中的一种或多种。
与现有技术相比,本发明主要具有以下有益技术效果:
1.采用浆态床加氢预处理工艺,能够高效的实现废弃油脂的加氢脱氧,以及所含氯、金属、磷脂和其它杂原子的深度脱除,完成废弃油脂中含氧化合物等非理想组分的加氢转化。其中,废弃油脂经浆态床加氢预处理后脱氧率高于99%。
2.采用加氢精制反应器、加氢异构反应器和后精制反应器串联,实现废弃油脂的深度加氢处理,从而得到优质低凝生物柴油馏分,凝点低至-20℃。
3.工艺流程简单。
4.操作灵活。
5.原料适应性强。
6.生物柴油产品收率高达75%。
7.可以显著地延长废弃油脂加氢处理装置的运转周期。
8.为废弃油脂的高附加值利用提供技术支撑,具有十分广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述的废弃油脂加氢生产生物柴油的工艺流程图;
图中:1-废弃油脂,2-氢气,3-加氢预处理催化剂,4-浆态床加氢反应器,5-加氢预处理反应产物,6-旋液分离器,7-旋液分离含固尾渣,8-旋液分离液体产物,9-气液分离器,10-富氢气体,11-固液分离器,12-加氢预处理后产品,13-固态尾渣,14-固定床加氢精制反应器,15-固定床加氢异构反应器,16-固定床后精制反应器,17-气液分离单元,18-分馏单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所提供的废弃油脂加氢生产生物柴油的方法进一步说明。图中省略了许多设备,如泵、换热器、压缩机等,但这对本领域普通技术人员是公知的。
如图1所示,本发明所述的废弃油脂加氢生产生物柴油的方法详细流程描述如下:
来自管线的废弃油脂1与氢气2、加氢预处理催化剂3充分混合后进入浆态床加氢反应器4,进行加氢预处理,反应条件为:反应器内氢分压为4~20MPa,反应温度为340~410℃,液时体积空速为0.5~1.5h-1,氢气与废弃油脂的体积比300~1200Nm3/m3;浆态床加氢预处理反应产物5经旋液分离器6分离得到旋液分离含固尾渣7,其中部分尾渣循环至浆态床加氢反应器6入口,其余尾渣外排;旋液分离器6分离得到的旋液分离液体产物8进入气液分离器9进行气液分离,得到的富氢气体10经净化后循环使用,液相产物进入固液分离器11;固液分离器11分离出的液相产物为加氢预处理后产品12,固态尾渣13排出装置。加氢预处理后产品12进入串联的固定床加氢精制反应器14、固定床加氢异构反应器15和固定床后精制反应器16进行加氢反应,其中固定床加氢精制反应器14的反应条件为:反应器内氢分压4~20MPa,反应温度280~380℃,液时体积空速为0.5~4h-1,氢气与进入反应器的物料体积比为300~1000Nm3/m3;固定床加氢异构反应器的反应条件为:反应器内氢分压4~20MPa,反应温度340~390℃,液时体积空速为0.5~4h-1,氢气与进入反应器的物料体积比为300~1000Nm3/m3;固定床后精制反应器的反应条件为:反应器内氢分压4~20MPa,反应温度240~320℃,液时体积空速为0.5~4h-1,氢气与进入反应器的物料体积比为300~1000Nm3/m3。加氢产物进入气液分离单元17进行气液分离,得到的液体产物进入分馏单元18,最终得到优质的生物柴油馏分。
实施例中所用的原料性质如表1所示。
表1 废弃油脂原料的主要性质
实施例1
采用废弃油脂加氢预处理过程中加氢催化剂的制备方法:称取28.8g四水合钼酸铵分散于120ml的去离子水中,得到澄清溶液A;称取13.4g六水合硝酸镍,溶解于30ml氨水中,得到澄清溶液B;混合澄清溶液A和澄清溶液B配置成浸渍液C; 通过等体积浸渍的方法,将100g碳载体置于浸渍溶液C中,浸渍60分钟后于120℃温度下干燥120分钟;将干燥后的催化剂加入反应釜中,在硫脲溶液进行水热处理,硫脲的含硫量与活性金属量(镍和钼之和)的摩尔比为4:1,反应温度为160℃,反应时间为120分钟,即可得到活性炭负载的NiMo硫化态催化剂。催化剂以MoO3、NiO的质量分数计算金属负载量,其中:MoO3为22.0wt%,NiO为3.0wt%。催化剂颗粒尺寸为100μm。浆态床加氢反应器反应条件如表2所示,浆态床加氢反应器反应结果如表3所示。
实施例2
采用废弃油脂加氢预处理过程中加氢催化剂的制备方法:称取30.5g六水合钨酸铵分散于120ml左右的去离子水中,得到澄清溶液A;称取13.6g六水合硝酸镍,溶解于30ml氨水中,得到澄清溶液B;混合澄清溶液A和澄清溶液B配置成浸渍液C;通过等体积浸渍的方法,将10g酸处理的活性碳材料置于浸渍溶液C中,浸渍180分钟后于130℃温度下干燥180分钟;将干燥后的催化剂加入反应釜中,在硫脲溶液进行水热处理,硫脲的含硫量与活性金属量(镍和钨之和)的摩尔比为4:1,反应温度为160℃,反应时间为120分钟,即可得到活性炭负载的NiW硫化态催化剂。催化剂以WO3、NiO的质量分数计算金属负载量,其中:WO3为22.0wt%,NiO为3.0wt%。催化剂颗粒尺寸为100μm。浆态床加氢反应器反应条件如表2所示,浆态床加氢反应器反应结果如表3所示。
实施例3
采用的加氢催化剂为工业柴油加氢精制催化剂的废剂,其组成为:氧化铝72重量%,氧化镍4重量%,氧化钼24重量%。催化剂颗粒尺寸为100μm。浆态床加氢反应器反应条件如表2所示,浆态床加氢反应器反应结果如表3所示。
实施例4
本实施例采用重质油国家重点实验室开发的油溶性钼催化剂FGL-202。浆态床加氢反应器反应条件如表2所示,浆态床加氢反应器反应结果如表3所示。
实施例5
采用上述实施例1中得到的液体产物依次进入固定床加氢精制反应器、固定床加氢异构反应器和固定床后精制反应器,其中固定床加氢精制催化剂、固定床加氢异构催化剂和固定床后精制催化剂可以选用该领域普通商品催化剂。本实施例采用重质油国家重点实验室开发的加氢精制催化剂FGB-302、加氢异构催化剂FGB-402和后精制催化剂FGB-502。固定床加氢精制反应器反应条件为:反应器内氢分压为8MPa,反应温度为340℃,液时体积空速为2h-1,氢气体积比为600Nm3/m3;固定床加氢异构反应器反应条件为:反应器内氢分压为8MPa,反应温度为370℃,液时体积空速为1.5h-1,氢气体积比为600Nm3/m3;固定床后精制反应器反应条件为:反应器内氢分压为8 MPa,反应温度为280℃,液时体积空速为3h-1,氢气体积比为600Nm3/m3。全流程反应结果如表4所示。
表2 废弃油脂浆态床加氢预处理反应条件
表3 废弃油脂浆态床加氢预处理反应结果
表4 废弃油脂加氢生产生物柴油全流程反应结果
由表3结果可知,废弃油脂按照本发明方法采用的浆态床加氢工艺进行处理,实施例3采用的工业废弃柴油加氢精制催化剂所得加氢预处理产品的氧含量为1.52%,其余实施例所采用催化剂加氢预处理产品的氧含量均小于1%,脱氧率均达到了90%以上,其中油溶性钼基催化剂和碳负载NiMo催化剂的脱氧率高达99%以上,实现了废弃油脂中非理想组分的高效转化,满足了后续进一步加氢处理对原料的要求。
由表4结果可知,废弃油脂按本发明方法处理,得到优质的低凝生物柴油馏分。因此,本发明所述的废弃油脂加氢生产生物柴油的方法,具有工艺流程简单、油品液体收率高、生物柴油品质好等优点,能够实现废弃油脂的全馏分资源化利用。
对于本领域的普通技术人员而言,具体实施例只是对本发明进行了示例性描述,显然本发明具体实现并不受上述方式的限制,只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进,或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的,均在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种废弃油脂加氢生产生物柴油的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S101:脱除机械杂质的废弃油脂和氢气、加氢预处理催化剂充分混合后进入浆态床加氢反应器,进行加氢预处理;
S102:加氢后流出物经旋液分离器得到的尾渣部分循环至浆态床加氢反应器入口,少量尾渣外排;
S103:经旋液分离器分离得到的液体产物进入气液分离器进行气液分离,得到的富氢气体经净化后循环使用,得到的液相产物进入固液分离器;
S104:固液分离器分离出的液相产物作为加氢预处理后产品,固体残渣排出装置;
S105:加氢预处理后产品进入依次串联的固定床加氢精制反应器、固定床加氢异构反应器和固定床后精制反应器进行加氢处理;
S106:加氢产物进入气液分离单元进行气液分离,得到的液体产物进入分馏单元,得到石脑油馏分和生物柴油馏分;
所述S101中废弃油脂、氢气和加氢预处理催化剂混合后由底部进入浆态床加氢反应器,自下而上流动;所述浆态床加氢反应器的反应条件为:反应器内氢分压为4~20MPa,反应温度为340~410℃,液时体积空速为0.5~1.5h-1,氢气与废弃油脂的体积比300~1200Nm3/m3;所述浆态床加氢反应器的轴向温度分布均匀,温差最大不超过15℃;
所述S101中加氢预处理催化剂的加入量占废弃油脂重量的0.005~0.2%;
所述S101中加氢预处理催化剂组成为:氧化镍和/或氧化钴1~6重量%,氧化钼和/或氧化钨6~24重量%,其余为炭载体。
2.根据权利要求1所述的一种废弃油脂加氢生产生物柴油的方法,其特征在于,所述S102中旋液分离器的操作条件为:压力为4~20 MPa,温度为200~300℃;所述S102中旋液分离器得到的尾渣,循环至浆态床加氢反应器入口的量占尾渣总量的80~99重量%,外排量占尾渣总量的1~20重量%。
3.根据权利要求1所述的一种废弃油脂加氢生产生物柴油的方法,其特征在于,所述S105中固定床加氢精制反应器的反应条件为:反应器内氢分压4~20MPa,反应温度280~380℃,液时体积空速为0.5~4h-1,氢气与进入反应器的物料体积比为300~1000Nm3/m3;所述S105中固定床加氢异构反应器的反应条件为:反应器内氢分压4~20MPa,反应温度340~390℃,液时体积空速为0.5~4h-1,氢气与进入反应器的物料体积比为300~1000Nm3/m3;所述S105中固定床后精制反应器的反应条件为:反应器内氢分压4~20MPa,反应温度240~320℃,液时体积空速为0.5~4h-1,氢气与进入反应器的物料体积比为300~1000Nm3/m3。
4.根据权利要求1所述的一种废弃油脂加氢生产生物柴油的方法,其特征在于,所述S101中加氢预处理催化剂制备步骤如下:
(1)将活性金属的可溶性盐制成所需浓度的溶液,采用等体积浸渍法浸渍炭载体,并在80~200℃下干燥1~10小时,得到活性炭负载金属催化剂;所述活性金属可溶性盐包括镍盐、钴盐、钼盐及钨盐,镍盐包括硝酸镍及碱式碳酸镍,钴盐包括硝酸钴、乙酸钴及碱式碳酸钴,钼盐包括氧化钼及钼酸铵,钨盐包括氧化钨及偏钨酸铵;
(2)将步骤(1)得到的活性炭负载金属催化剂、硫化剂加入反应釜中进行水热处理,硫化剂的含硫量与活性金属量的摩尔比为3~5:1,活性金属量即镍和/或钴及钼和/或钨之和,反应温度为80~200℃,反应时间为2~6h,即可得到活性炭负载的过渡金属硫化物催化剂。
5.根据权利要求4所述的一种废弃油脂加氢生产生物柴油的方法,其特征在于,所述加氢预处理催化剂呈颗粒状,外径为50~500μm;所述硫化剂为硫化铵、多硫化铵、单质硫、硫脲、硫代硫酸铵中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种废弃油脂加氢生产生物柴油的方法,其特征在于,所述废弃油脂包括酸化油、地沟油、动物内脏油、抽油烟机的凝析油、白土精炼脱附油、榨油过程中产生的油泥、牛羊皮油、棕榈酸化油、椰子油、棕榈油中的一种或多种。
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Patent Citations (4)
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BE797999A (fr) * | 1972-04-10 | 1973-10-10 | British Petroleum Co | Perfectionnements relatifs a l'hydrogenation d'aromatiques |
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