镍基催化剂催化转化生物质焦油典型组分的研究

发布时间：2020-06-15 19:01

【摘要】：对于生物质气化技术,焦油的存在是限制其大规模应用的主要问题。焦油不仅会堵塞管道和腐蚀设备,还会造成能量浪费与环境污染。因此,如何高效脱除焦油成为亟待解决的问题。在众多焦油脱除方法中,催化转化法是十分理想的选择。因为其可将大分子焦油转化成小分子可燃气体,既能脱除焦油,又能增加燃气产量。但是由于生物质气化具有多种方式,而且每种方式的操作过程都不相同,所以在每种气化过程中对焦油进行催化转化的具体操作方法也会有所不同。目前生物质气化技术中最为常用的是空气气化和干馏气化,所以本文分别针对两种气化过程产生的焦油开展催化转化研究。具体研究内容如下：1.生物质空气气化焦油的催化转化对于焦油的催化转化,催化剂的选取至关重要。在各种催化剂中,综合考虑催化效果和经济性后,镍基催化剂是十分理想的选择。但常规镍基催化剂会因积碳的生成而导致快速失活,极大地缩短了其使用寿命。基于此原因,在对前人研究工作进行总结和分析的基础上,将CeO2作为助剂添加到常规镍基催化剂(Ni/γ-Al2O3)中。并以甲苯(典型焦油模型化合物)为研究对象,在自行设计的常规催化水蒸气重整装置上进行实验。分别考察了反应温度、CeO2负载量及水/碳比对甲苯转化率、产气组成及积碳生成的影响。结果表明,催化剂的活性和抗积碳能力会因CeO2的存在而得到明显提高,且会随着CeO2负载量的增大而得到进一步增强。当使用Ni-CeO2(3wt%)/γ-Al2O3催化剂,在反应温度为8500℃、水/碳比为3时,甲苯转化率可达到90.4%,且催化剂的积碳量仅为0.42wt%。由于使用Ni-CeO2/γ-Al2O3催化剂时所得到的甲苯转化率还有待提高,所以使用性能更为出色的介孔材料SBA-15作为载体,制备了一系列Ni-CeO2/SBA-15催化剂,并在评价Ni-CeO2/γ-Al2O3催化剂的条件下进行实验。结果表明,使用SBA-15作为载体时,催化剂的活性和抗积碳能力都会得到进一步提高。当使用Ni-CeO2(3 wt%)/SB A-15催化剂,在反应温度为850℃、水/碳比为3时,甲苯转化率可达到98.9%,且催化剂的积碳量仅为0.01wt%。此外,该催化剂在29小时的稳定性测试中表现出较高的稳定性及较强的抗积碳能力。为了降低焦油水蒸气重整所需温度,并进一步抑制积碳的生成,在常规催化水蒸气重整工艺中引入了“电催化”技术。以甲苯、苯、1-甲基萘和空气气化焦油为研究对象,使用Ni-CeO2/γ-Al2O3催化剂在自行设计的电催化水蒸气重整装置上进行实验。结果表明,该工艺可在降低甲苯水蒸气重整所需温度的同时显著提高甲苯转化率,并能有效抑制积碳的生成。在电流为4A、反应温度为800℃水/碳比为3时,甲苯转化率可以达到99.9%,且催化剂积碳量仅为0.10wt%。此外,在24小时的稳定性测试中,甲苯、苯和空气气化焦油的转化率可分别保持在99%、98%和95%左右,而1-甲基萘的转化率却只能维持在83%左右。2.生物质干馏气化焦油的催化转化与空气气化相比,干馏气化的最大特点是在惰性氛围中进行的,没有氧化介质存在,所以可将炭基材料作为镍基催化剂的载体。基于此原因,以活性炭为载体,创新性地制备了一种高效的NiO/活性炭复合催化剂。并在自行设计的两级固定床反应装置上对稻壳干馏气化焦油进行热裂解和催化裂解实验,考察了反应温度和NiO负载量对焦油催化转化的影响。结果表明,热裂解可以转化部分轻质焦油,但是难以转化重质焦油。而在使用NiO/活性炭催化剂进行催化裂解时,轻质焦油和重质焦油都可以得到有效裂解,并能增加H2和CO2的产率。与无裂解时相比,在700℃使用NiO/活性炭(4.3wt%)催化剂时,轻质和重质焦油的产率分别可以减小95.5%和94.7%,而H2和CO2的产率则约为无裂解时的2倍。此外,NiO/活性炭催化剂的催化能力会随着NiO负载量的增大和反应温度的升高而得到增强。
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK6

【参考文献】