CN117825665A - 一种高收率可持续航空燃料的原料筛选方法 - Google Patents

一种高收率可持续航空燃料的原料筛选方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高收率可持续航空燃料的原料筛选方法,包括以下步骤:获取不同废弃动植物油脂的脂肪酸组成及含量;分析废弃动植物油脂中不同脂肪酸加氢脱氧、裂化、异构化生成可持续航空燃料时化学键断裂的位置,得到由不同脂肪酸制备可持续航空燃料的理论极限得率;根据不同废弃动植物油脂的脂肪酸组成及含量以及由不同脂肪酸制备可持续航空燃料的理论极限得率,计算以不同废弃动植物油脂为原料制备可持续航空燃料的理论得率;根据可持续航空燃料的理论得率,选择合适的动植物油脂作为生产可持续航空燃料的原料。本发明从理论上分析了可持续航空燃料的理论收率与油脂中脂肪酸组成的逻辑关系,为企业高效、高得率、高价值生产油脂基生物航煤提供指导。

Description

一种高收率可持续航空燃料的原料筛选方法
技术领域
本发明属于航空燃料制备技术领域,尤其涉及一种高收率可持续航空燃料的原料筛选方法。
背景技术
可持续航空燃料(SAF)又称为生物航煤,是以动植物废油脂(例如植物油、动植物脂肪、废弃食用油等)为原料制成的新型航空燃料。相较于传统航空燃料,可持续航空燃料清洁性优点突出。航空燃料在航空业碳排放总量中的占比达到80%左右,由于需要载重长途飞行、应对不同飞行环境,航空业对燃料的性能要求苛刻,需采用化石燃料,因此航空业碳减排困难大。在“碳中和”背景下,航空燃料改革升级成为必然趋势,可持续航空燃料迎来发展机遇。
为了减少温室气体排放,扩大航煤的原料来源,生物航煤制备技术的开发越来越受到许多国家的重视,油脂基生物航煤工艺装备技术也是其中之一。将植物油脂或废弃油脂通过一系列复杂的化学反应和物理处理,变成可以用于飞机的生物航煤。这种新技术的出现,不仅解决了全球食用油脂过剩的问题,还解决了餐饮废弃油脂潲水油污染食品的问题,同时为可再生生物能源的航空事业可持续发展开辟了新的道路。
目前,在可持续航空燃料SAF的生产中,尤其是利用动植物废油脂(例如厨余油、地沟油)为原料制造新型航空燃料的过程中,各企业的收率变化非常大,从30%到78%,不一而足。
发明内容
针对以上现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种高收率可持续航空燃料的原料筛选方法,解决目前利用动植物废油脂生产可持续航空燃料收率低以及收率不稳定的问题。
为实现上述目的,本发明通过如下技术方案实现:
一种高收率可持续航空燃料的原料筛选方法,包括以下步骤:
S1.获取不同废弃动植物油脂中脂肪酸的组成及含量;
S2.分析废弃动植物油脂中不同脂肪酸加氢脱氧、裂化、异构化生成可持续航空燃料时化学键断裂的位置,得到由不同脂肪酸制备可持续航空燃料的理论极限得率;
S3.根据废弃动植物油脂中脂肪酸的组成及含量,以及由不同脂肪酸制备可持续航空燃料的理论极限得率,计算以不同废弃动植物油脂为原料制备可持续航空燃料的理论得率;
可持续航空燃料的理论得率计算公式如下:
式中,Ai为废弃动植物油脂中不同脂肪酸的含量,Pi为不同脂肪酸制备可持续航空燃料的理论极限得率,η为可持续航空燃料的理论得率;
S4.根据可持续航空燃料的理论得率,选择合适的动植物油脂作为生产可持续航空燃料的原料。
优选的,步骤S1中,废弃动植物油脂为餐饮废油、地沟油、泔水油、油酸基植物油、亚油酸基植物油、中碳链脂肪酸基植物油中的一种或多种。
优选的,油酸基植物油脂包括低芥酸菜籽油、高芥酸菜籽油、山茶油、潲水油、棕榈油、橄榄油中的一种或多种;亚油酸基植物油包括葵花油、棉籽油、大豆油中的一种或多种;中碳链脂肪酸基植物油包括棕榈仁油、椰子油中的至少一种。
优选的,当脂肪酸为不饱和脂肪酸,步骤S2中,根据不饱和脂肪酸加氢脱氧生成烷烃的理论极限得率和加氢脱氧生成的烷烃裂化后生成可持续航空燃料的理论极限得率,计算不饱和脂肪酸加氢脱氧、裂化、异构化制备可持续航空燃料的理论极限得率;
不饱和脂肪酸制备可持续航空燃料的理论极限得率计算公式为:Qi=Bi×Ci
式中,Qi为不饱和脂肪酸制备可持续航空燃料的理论极限得率,Bi为不饱和脂肪酸加氢脱氧生成烷烃的理论极限得率,Ci为加氢脱氧生成的烷烃裂化后生成可持续航空燃料的理论极限得率;
当脂肪酸为饱和脂肪酸,以饱和脂肪酸加氢脱氧生成烷烃的理论极限得率作为饱和脂肪酸制备可持续航空燃料的理论极限得率。
优选的,当动植物油脂以不饱和脂肪酸甘油酯为主时,步骤S3中,根据油脂中不饱和脂肪酸的组成及含量和不饱和脂肪酸加氢脱氧、裂化、异构化生成可持续航空燃料的理论极限得率,计算以不饱和脂肪酸甘油酯为主要原料制备可持续航空燃料的理论得率。
优选的,当动植物油脂以饱和脂肪酸甘油酯为主时,步骤S3中,根据油脂中饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的组成及含量以及可持续航空燃料的理论极限得率,计算以饱和脂肪酸甘油酯为主要原料制备可持续航空燃料的理论得率。
优选的,步骤S2中,分析废弃动植物油脂中不同脂肪酸加氢脱氧、裂化、异构化生成可持续航空燃料化学键断裂的位置时,不考虑脂肪酸脱羧基反应和脱羰基反应。
优选的,步骤S2中,分析废弃动植物油脂中不同脂肪酸加氢脱氧、裂化、异构化生成可持续航空燃料化学键断裂的位置时,不考虑生产过程中产生的二氧化碳、乙烷、丙烷、石脑油的再聚合。
优选的,步骤S2中,分析废弃动植物油脂中不同脂肪酸加氢脱氧、裂化、异构化生成可持续航空燃料化学键断裂的位置时,不考虑长链烷烃催化裂化反应。
优选的,长链烷烃包括15烷烃、17烷烃和18烷烃。
本发明的有益效果是:
本发明从油脂的分子结构出发,从理论上分析了油脂中不同脂肪酸加氢脱氧、裂化、异构化生成烷烃(可持续航空燃料SAF)时化学键可能断裂的位置,总结出可持续航空燃料SAF的理论收率与油脂中脂肪酸组成的逻辑关系,从而提供了一种高收率SAF的原料筛选方法,为油脂基生物航煤生产作业的高效、高得率提供指导。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,均属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的可持续航空燃料(生物航煤)的原料筛选方法,包括以下步骤:
(1)获取不同废弃植物油脂的脂肪酸组成及含量
经查阅资料可知:欧洲低芥酸菜籽油主要不饱和脂肪酸组成:油酸约72%、亚油酸约12%、亚麻酸约5%、芥酸约3%。总不饱和脂肪酸含量约92%。饱和脂肪酸约8%,其中棕榈酸约6%、硬脂酸约2%。
中国高芥酸菜籽油主要不饱和脂肪酸组成:油酸约13%、亚油酸约12%、亚麻酸约8%、二十碳烯酸约9%、芥酸约51%。总不饱和脂肪酸含量约93%。饱和脂肪酸约7%,其中棕榈酸约5%、硬脂酸约2%。
潲水油主要不饱和脂肪酸组成:油酸约36%、亚油酸约29%、亚麻酸约3%。总不饱和脂肪酸含量71%左右。饱和脂肪酸约29%,其中棕榈酸约22%、硬脂酸约7%。
大豆油主要不饱和脂肪酸组成:油酸约28%、亚油酸约53%、亚麻酸约5%。总不饱和脂肪酸含量约86%。饱和脂肪酸约14%,其中棕榈酸约10%、硬脂酸约4%。
棕榈油主要不饱和脂肪酸组成:油酸约40%、亚油酸约10%。总不饱和脂肪酸含量约50%。饱和脂肪酸约50%,其中棕榈酸约45%、硬脂酸约5%。
棕榈仁油脂肪酸组成:辛酸约9%、癸酸约10%、月桂酸约50%、豆蔻酸约15%、棕榈酸约5%。不饱和脂肪酸油酸约10%。
椰子油脂肪酸组成:辛酸约8%、癸酸约6%、月桂酸约49%、豆蔻酸约17%、棕榈酸约13%。不饱和脂肪酸油酸约6%、亚油酸约1%。
(2)分析油脂中不同脂肪酸加氢脱氧、裂化、异构化生成生物航煤的理论极限得率(不考虑脂肪酸脱羧基反应和脱羰基反应、也不考虑生产过程产生的二氧化碳、乙烷、丙烷、石脑油再聚合利用。长链烷烃15烷烃、17烷烃、18烷烃的催化裂化也不考虑在其中)
脂肪酸甘油酯、脂肪酸脂和脂肪酸等生物质油直接经过加氢脱氧可以转化为直链烃类化合物,即为生物质脱氧油。加氢脱氧后的直链烷烃经过加氢裂化异构化后生成的烷烃中C8~C16之间的烷烃异构化程度较高,可以作为生物航空煤油使用。
油脂加氢脱氧、裂化、异构化制备可持续航空燃料原理如下:
第一步加氢脱氧处理:在氢气氛围下从原料脂肪和油中脱氧,把不饱和键转为饱和键,提高油脂饱和度和稳定性,加氢脱氧的结果是得到直链烷烃(正构烷烃)。
第二步裂化、异构化:在催化剂下直链烷烃裂化和加氢异构化处理,得到异构烷烃(生物航煤)。
辛酸加氢脱氧生成—8碳烷烃辛烷。辛酸、辛酸甘油酯经极度氢化脱氧转化为生物航煤的理论极限得率为69%。
癸酸加氢脱氧生成—10碳烷烃癸烷。癸酸、癸酸甘油酯经极度氢化脱氧转化为生物航煤的理论极限得率为74%。
月桂酸加氢脱氧生成—12烷烃。十二烷酸、十二烷酸甘油酯经极度氢化脱氧转化为生物航煤的理论极限得率为77%。
豆蔻酸加氢脱氧生成—14烷烃。十四烷酸、十四烷酸甘油酯经极度氢化脱氧转化为生物航煤的理论极限得率为80%。
棕榈酸加氢脱氧生成—16烷烃。十六烷酸、十六烷酸甘油酯经极度氢化脱氧转化为生物航煤的理论极限得率为82%。
油酸(十八碳烯酸)脱氧、裂化、异构化生成—双键位置彻底断裂生成二份壬烷(双键位置9=10)。油酸极度氢化脱氧转化为烷烃的理论极限得率为84%,经极度氢化脱氧的烷烃催化裂化生成生物航煤的得率为100%。
亚油酸(十八碳二烯酸)脱氧、裂化、异构化生成—双键位置彻底断裂生成一份壬烷、一份己烷(溶剂油)、一份丙烷(液化汽)(双键位置9=10、12=13)。亚油酸极度氢化脱氧转化为烷烃的理论极限得率为84%,极度氢化脱氧的烷烃催化裂化生成生物航煤的得率为50%,生物溶剂油33.3%,液化汽16.7%。
亚麻酸(十八碳三烯酸)脱氧、裂化、异构化生成—双键位置彻底断裂生成一份壬烷、三份丙烷(液化汽)(双键位置9=10、12=13、15=16)。亚麻酸极度氢化脱氧转化为烷烃的理论极限得率为84%,极度氢化脱氧的烷烃催化裂化生成生物航煤的得率为50%,液化汽50%。
二十碳烯酸脱氧、裂化、异构化生成—双键位置彻底断裂生成一份十一烷、一份壬烷(双键位置11=12)。二十碳烯酸极度氢化脱氧转化为烷烃的理论极限得率为85%,极度氢化脱氧的烷烃催化裂化成生物航煤的得率为100%。
芥酸(二十二碳烯酸)脱氧、裂化、异构化生成—双键位置彻底断裂生成一份十三烷、一份壬烷(双键位置13=14)。极度氢化脱氧转化为烷烃的理论极限得率为86%,极度氢化脱氧的烷烃催化裂化成生物航煤的得率为100%。
(3)根据不同植物油脂的脂肪酸组成以及不同脂肪酸极度氢化饱和脱双键、催化氢化脱氧、再催化裂化制备可持续航空燃料的理论极限得率,计算以不同植物油脂为原料制备可持续航空燃料的理论得率;
3.1以潲水油为原料的生物航煤得率
油酸双键位置彻底断裂生成壬烷得率36%×84%×100%=30.24%(十八碳烯酸)生物航煤30.24%
亚油酸双键位置彻底断裂生成壬烷得率29%×84%×50%=12.18%(十八碳二烯酸)生物航煤12.18%
亚麻酸双键位置彻底断裂生成壬烷得率3%×84%×50%=1.26%(十八碳三烯酸)生物航煤1.26%。
潲水油生物航煤的理论得率约为30.24%+12.18%+1.26%=43.68%。即以潲水油为原料生产生物航煤的得率在43%左右。
3.2以低芥酸菜籽油为原料的生物航煤得率
油酸双键位置彻底断裂生成壬烷得率72%×84%×100%=60.48%(十八碳烯酸)生物航煤60.48%。
亚油酸双键位置彻底断裂生成壬烷得率12%×84%×50%=5.04%(十八碳二烯酸)生物航煤5.04%。
亚麻酸双键位置彻底断裂生成壬烷得率5%×84%×50%=2.10%(十八碳三烯酸)生物航煤2.10%。
芥酸双键位置彻底断裂生成十三烷和壬烷得率3%×86%×100%=2.58%(二十二碳烯酸)生物航煤2.58%。
菜油生物航煤理论得率60.48%+5.04%+2.10%+2.58%=70.20%。(低芥酸菜籽油原料生产生物航煤的得率在70%左右)。
3.3以高芥酸菜籽油为原料的生物航煤得率
油酸双键位置彻底断裂生成壬烷得率13%×84%×100%=10.92%(十八碳烯酸)
亚油酸双键位置彻底断裂生成壬烷得率2%×84%×50%=5.04%(十八碳二烯酸)
亚麻酸双键位置彻底断裂生成壬烷得率8%×84%×50%=3.36%(十八碳三烯酸)
二十碳烯酸双键位置彻底断裂生成十一烷和壬烷得率9%×85%×100%=7.65%(二十碳烯酸)
芥酸双键位置彻底断裂生成十三烷和壬烷得率51%×86%×100%=43.86%(二十二碳烯酸)
菜油生物航煤理论得率10.92%+5.04%+3.36%+7.65%=70.83%。(高芥酸菜籽油原料生产生物航煤的得率在70%左右)。
3.4以大豆油为原料的生物航煤得率
油酸双键位置彻底断裂生成壬烷得率28%×84%×100%=23.52%(十八碳烯酸)
亚油酸双键位置彻底断裂生成壬烷得率53%×84%×50%=22.26%(十八碳二烯酸)
亚麻酸双键位置彻底断裂生成壬烷得率5%×84%×50%=2.10%(十八碳三烯酸)
豆油生物航煤理论得率23.52%+22.26%+2.10%=47.88%。即大豆油原料生产生物航煤的得率在47%左右。
3.5以棕榈油为原料的生物航煤得率
油酸双键位置彻底断裂生成壬烷得率40%×84%×100%=33.6%(十八碳烯酸)
亚油酸双键位置彻底断裂生成壬烷得率10%×84%×50%=4.20%(十八碳二烯酸)
棕榈油生物航煤理论得率33.6%+4.20%=37.80%。即棕榈油原料生产生物航煤的得率在37%左右。
3.6中碳脂肪酸甘油酯棕榈仁油、椰子油加氢脱氧、裂化、异构化烷烃的得率
棕榈仁油:辛烷9%×69%=6.21%、癸烷10%×74%=7.4%、十二烷50%×77%=38.5%、十四烷15%×80%=12%、十六烷5%×82%=4.1%、壬烷10%×84%=8.4%。合计生物航煤得率76.61%左右。
椰子油:辛烷8%×69%=5.52%、癸烷6%×74%=4.44%、十二烷49%×77%=37.73%、十四烷17%×80%=13.6%、十六烷13%×82%=10.66%、壬烷6%×84%=5.04%、壬烷1%×84%×50%=0.42%。合计生物航煤得率77.41%左右。
以上由不同油脂为原料制备生物航煤的得率如表1所示
表1
从上表可以看出,对于以不饱和脂肪酸为主的原料中,低芥酸菜籽油和高芥酸菜籽油为原料制备生物航煤的理论产率最高,约为70%。可见,用菜籽油生产生物航煤是科学的、合适的、得率也是最高的、无效副产物也是最少的,故企业为了生产高收率的生物航煤,可优先选择以菜籽油为原料。对于以饱和脂肪酸为主的中碳脂肪酸甘油酯为原料制备生物航煤,棕榈仁油和椰子油理论得率相当,企业可以根据实际情况选择合适的原料。
综上所述,本申请意识到目前技术人员总是从石化烷烃氢化裂解的角度思考问题,实际上油脂与石油是具有完全不同化学结构的物质,有着不同氢化裂解的路径。本发明从理论上分析了可持续航空燃料SAF的理论收率与油脂中脂肪酸组成的逻辑关系,根据油脂中脂肪酸的组成便可得到由其制备可持续航空燃料的理论收率,为企业高效、高得率、高价值生产油脂基生物航煤提供指导。
需要说明的是,以上各实施例均属于同一发明构思,各实施例的描述各有侧重,在个别实施例中描述未详尽之处,可参考其他实施例中的描述。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高收率可持续航空燃料的原料筛选方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.获取不同废弃动植物油脂中脂肪酸的组成及含量;
S2.分析所述废弃动植物油脂中不同脂肪酸加氢脱氧、裂化、异构化生成可持续航空燃料时化学键断裂的位置,得到由不同脂肪酸制备可持续航空燃料的理论极限得率;
S3.根据废弃动植物油脂中脂肪酸的组成及含量,以及由不同脂肪酸制备可持续航空燃料的理论极限得率,计算以不同废弃动植物油脂为原料制备可持续航空燃料的理论得率;
可持续航空燃料的理论得率计算公式如下:
式中,Ai为废弃动植物油脂中不同脂肪酸的含量,Pi为不同脂肪酸制备可持续航空燃料的理论极限得率,η为可持续航空燃料的理论得率;
S4.根据所述可持续航空燃料的理论得率,选择合适的动植物油脂作为生产可持续航空燃料的原料。
2.根据权利要求1所述的高收率可持续航空燃料的原料筛选方法,其特征在于,步骤S1中,所述废弃动植物油脂为餐饮废油、地沟油、泔水油、油酸基植物油、亚油酸基植物油、中碳链脂肪酸基植物油中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的高收率可持续航空燃料的原料筛选方法,其特征在于,所述油酸基植物油脂包括低芥酸菜籽油、高芥酸菜籽油、山茶油、潲水油、棕榈油、橄榄油中的一种或多种;所述亚油酸基植物油包括葵花油、棉籽油、大豆油中的一种或多种;所述中碳链脂肪酸基植物油包括棕榈仁油、椰子油中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的高收率可持续航空燃料的原料筛选方法,其特征在于,当所述脂肪酸为不饱和脂肪酸,步骤S2中,根据不饱和脂肪酸加氢脱氧生成烷烃的理论极限得率和加氢脱氧生成的烷烃裂化后生成可持续航空燃料的理论极限得率,计算不饱和脂肪酸加氢脱氧、裂化、异构化制备可持续航空燃料的理论极限得率;
不饱和脂肪酸制备可持续航空燃料的理论极限得率计算公式为:Qi=Bi×Ci
式中,Qi为不饱和脂肪酸制备可持续航空燃料的理论极限得率,Bi为不饱和脂肪酸加氢脱氧生成烷烃的理论极限得率,Ci为加氢脱氧生成的烷烃裂化后生成可持续航空燃料的理论极限得率;
当所述脂肪酸为饱和脂肪酸,以饱和脂肪酸加氢脱氧生成烷烃的理论极限得率作为饱和脂肪酸制备可持续航空燃料的理论极限得率。
5.根据权利要求1所述的高收率可持续航空燃料的原料筛选方法,其特征在于,当所述动植物油脂以不饱和脂肪酸甘油酯为主时,步骤S3中,根据油脂中不饱和脂肪酸的组成及含量和不饱和脂肪酸加氢脱氧、裂化、异构化生成可持续航空燃料的理论极限得率,计算以不饱和脂肪酸甘油酯为主要原料制备可持续航空燃料的理论得率。
6.根据权利要求1所述的高收率可持续航空燃料的原料筛选方法,其特征在于,当所述动植物油脂以饱和脂肪酸甘油酯为主时,步骤S3中,根据油脂中饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的组成及含量以及可持续航空燃料的理论极限得率,计算以饱和脂肪酸甘油酯为主要原料制备可持续航空燃料的理论得率。
7.根据权利要求1所述的高收率可持续航空燃料的原料筛选方法,其特征在于,步骤S2中,分析所述废弃动植物油脂中不同脂肪酸加氢脱氧、裂化、异构化生成可持续航空燃料化学键断裂的位置时,不考虑脂肪酸脱羧基反应和脱羰基反应。
8.根据权利要求1所述的高收率可持续航空燃料的原料筛选方法,其特征在于,步骤S2中,分析所述废弃动植物油脂中不同脂肪酸加氢脱氧、裂化、异构化生成可持续航空燃料化学键断裂的位置时,不考虑生产过程中产生的二氧化碳、乙烷、丙烷、石脑油的再聚合。
9.根据权利要求1所述的高收率可持续航空燃料的原料筛选方法,其特征在于,步骤S2中,分析所述废弃动植物油脂中不同脂肪酸加氢脱氧、裂化、异构化生成可持续航空燃料化学键断裂的位置时,不考虑长链烷烃催化裂化反应。
10.根据权利要求9所述的高收率可持续航空燃料的原料筛选方法,其特征在于,所述长链烷烃包括15烷烃、17烷烃和18烷烃。
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