基于生物质催化热裂解的炭活化及利用研究
生物质能因其清洁、可再生、资源量巨大，近年来其开发利用得到了越来越多的重视。生物质快速热裂解技术以最大化生物油产量为目的，但是得到的生物油也存在如氧含量较高、稳定性差、酸性较强等品质较差的问题。而使用分子筛催化剂对生物质进行催化热裂解可以将含氧化合物通过脱氧和脱水的过程转变成烃类，从而提高生物油的品质。在众多的分子筛催化剂中，ZSM-5的作用比较显著。但是在ZSM-5对生物质快速热裂解的固体产物-热解炭的影响方面目前尚缺乏深入的了解与研究，而且生物质催化热解产物中15-25wt％的焦炭也没有得到有效的利用。基于此，本文依托相关基金，研究了ZSM-5对流化床中生物质快速热裂解焦炭结构和性能的影响，并对催化热解炭进行了一些探索性的应用研究。
首先在流化床生物质快速热裂解装置中制取了以石英砂和ZSM-5为床料的热解炭和催化热解炭。对这两种炭进行了一系列的表征，包括元素分析和工业分析、SEM分析、氮吸附分析、XRD分析、FTIR分析。结果表明，催化剂的存在能够促进生物质热裂解反应的进行。较之热解炭，催化热解炭的挥发分含量较低，碳元素、固定碳和灰分含量较高。同时无定形排列的碳结构和未完全热解的有机物较少。两种热解炭均有一定的孔结构，且都为中孔，比表面积较小。
然后在管式炉氮气保护下，对热解炭和催化热解炭进行了化学活化(KOH)的研究，探索了活化温度对这两种炭活化产率及其结构和性能的影响。随着活化温度的升高，两种炭的活化产率都逐渐降低，挥发分含量也逐渐降低而固定碳和元素碳的含量逐渐增加。同时无定形炭结构和表面官能团逐渐降低，石墨化结构越来越明显。同样条件下，与热解炭相比，催化热解炭的活化产率较高，但是活化之后的比表面积较小。热解炭和催化热解炭在700℃活化之后的比表面积分别达到了1101m2/g和733.6m2/g，达到了商用活性炭的标准。
最后在固定床反应器上开展了热解炭、催化热解炭以及活化之后两种炭的水蒸气气化实验。实验发现，在相同的气化温度下，热解炭水蒸气气化的转化率比催化热解炭的转化率高。两种炭水蒸气气化产生的气体种类一样，但是气体浓度有所差异。随着气化温度的升高，热解炭和催化热解炭产生的气体总量和氢气量都逐渐增加。在气化温度为800℃时，热解炭和催化热解炭水蒸气气化产生的氢气浓度分别达到了83％和88％。同时对活化之后的热解炭和催化热解炭在800℃条件下的水蒸气气化行为进行了比较。发现经过活化之后的热解炭和催化热解炭水蒸气气化的转化率都有所降低。且活化温度越高，气化转化率越低。同时发现经过活化之后的气体中碳氢化合物的含量降低，热解炭和催化热解炭经过700℃活化之后的水蒸气气化产生的气体纯度得到了很大的提高。经过活化之后的炭水蒸气气化产生的气体产量也有所降低。
生物质;催化热裂解;水蒸气气化;炭活化
浙江大学
硕士
工程热物理
方梦祥;王树荣;谷月玲
2013
中文
TQ203.8
68
2013-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）