生物质催化热解制备芳烃类产物的研究

发布时间：2020-05-20 11:04

【摘要】：生物质作为一种可再生能源,来源广泛,具有替代化石燃料的应用前景。生物质快速热解制备生物油技术因具有周期短、成本低、效率高等优点,受到各界广泛关注。但是,热解制备的生物油同时具有含氧量高、酸性强、粘度大、能量密度低等缺点。正是由于这些缺点,生物油无法直接应用于现有的内燃机。为了将其应用于现有的内燃机,必须对生物油进行脱氧处理,以提升生物油品质。快速催化热解技术可以通过对生物质热解气进行催化处理,获得富含芳烃类产物的生物油,从而提高生物油品质。基于此背景,本文的研究包括以下四个方面： 1、研究生物质热解液化技术的调控机理生物质快速热解是一种可以有效利用木质纤维素类生物质的技术,其热解过程极其复杂,受到原料种类及多种实验条件的影响。生物质快速热解一般在缺氧和中温(400-600。C)条件下进行,生成气、液、固三种产物。核桃壳作为一种常见农林废弃物,广泛种植于亚洲、欧洲和南美洲。为了有效利用干果壳类生物质,选用产自安徽宁国的山核桃壳作为实验原料,进行了快速热解实验的研究。实验利用Py-GC/MS装置,分别考察了热解温度和热解时间对热解产物分布的影响,以及在特定实验条件下对液体产物的组分性质进行分析。实验发现,热解产物的量随热解温度的上升呈现先上升后下降的趋势,且在600℃左右达到峰值。最·优实验条件为600℃和20s,热解主要产物中含有大量的杂酚类和少量的小分子醇、醛、烃类化合物。 2、新型催化剂W2C/MCM-41的制备与表征通过等体积浸制法和程序升温还原法制备碳化钨负载MCM-41的催化剂,并通过调节浸制液中钨酸铵的浓度获得不同负载量的目标催化剂W2C/MCM-41。利用比表面积孔径分析仪对目标催化剂进行表征,发现目标催化剂W2C/MCM-41比较面积较高(880cm2/g)、孔径均一(3mm)。SEM和TEM图显示,制备的催化剂金属碳化钨负载均匀、催化剂粒径均一,且催化剂制备过程对MCM-41载体原本形态并无较大影响。 3、研究新型催化剂W2C/MCM-41对木质素催化热解的效果以获取富含芳烃类化合物的生物油为目标,通过Py-GC/MS进行木质素快速催化热解实验,在研究碳化钨负载量Si/W、热解温度、催化剂使用量C/L对热解芳烃类产物分布的影响基础上,考察新型催化剂W2C/MCM-41的催化效果及其稳定性。实验发现,该催化剂能够有效地促进生物质热解气中单环芳烃的形成,且具有良好的催化稳定性。在最优实验条件下,即催化剂W2C/MCM-41的Si/W=50、温度750℃时,芳烃类产率达到约20%,单环芳烃的选择性可达85%。 4、催化剂的催化路径和催化机理基于热解产物分析,提出了目标催化剂的催化路径,主要分为四步。第一步,木质素裂解成大分子聚合物,中间体化合物以及小分子化合物,主要包括COx,SOx和H20。中间体化合物包括四种典型化合物：苯酚、甲苯酚、愈创木酚和二甲氧基苯酚。这些中间体可以扩散至催化剂的孔道中。第二步,催化脱水过程,苯环上的羟基-OH被移除,使酚类得以转化为芳烃类物质。同时,部分中间体发生脱水、脱羰基及聚合反应,从而生成稠环化合物,而稠环化合物进一步反应形成积碳。水分的存在有利于碳发生水煤气转化反应,为催化加氢脱氧反应提供氢气。第三步,含有甲氧基的芳环物质上的PhO-CH3键发生断裂,形成酚类。甲基一方面转化成甲烷,另一方面由于协同效应发生甲基转移作用回到苯环上。最后一步,第三步中生成的酚类进一步的发生脱水作用,移除羟基-OH官能团转化成芳烃类物质。最终的芳烃产物主要包括苯、甲苯、二甲苯和三甲苯等。
【图文】：

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图1.1全球表面温度随时间变化趋势图1.1给出了全球温度随着时间变化的趋势。可以看到，，全球变暖的速度呈线性增长趋势。在20世纪以前，全球表面温度一直在±0.1 °C范围内波动。而到了 20世纪中期全球表面温度^u始呈现增长的趋势，并且在2020年后，预计全球表面温度的升温速度将达到0.25 °C/10年。然而，化石燃料的过度消费所带来的问题不仅仅是温室效应，还有能源危机、臭氧破坏等。BP石油公司于2014年6月发布的世界能源统计显示，石油、煤炭和天然气仍是世界的主要能源

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第1章绪论如生物质能、地热能、太阳能、风能、潮沙能等。近些年来，可再生能源相关的利用技术发展迅猛。从图1.2中可以看到，在2013年石油、煤炭和天然气的消费增长速率降到3%以下，而可再生能源的全年增长速率达到了 16.3%。以美国、德国和中国为例，可再生能源在能源消费结构中所占比例分别为24.4%、13.4%和10.9%。由此可以看出，作为化石燃料的替代能源，可再生能源拥有着优秀的发展潜力。这些都得益于石油价格的持续上涨以及政府的大力支持，为新能源的^u发带来了机遇。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK6

【参考文献】