农林废弃物双级催化热解及重整的优化试验研究

摘要

本论文采用催化热解+催化重整双级催化反应工艺以获得高品质的生物油。针对传统的生物质催化热解工艺催化剂积碳严重、热解油品质不高等问题，论文从催化剂和原料两个方面开展工作:催化剂方面，采用EDTA化学改性方法、Py-GC/MS和管式炉实验装置探索合适的改性时间使得催化剂在保证催化效果的同时，最大程度的降低催化剂积碳量;原料方面，采用生物质与高有效氢碳比物质共催化的方法，探究不同质量比、不同工艺方法对热解产物分布和催化剂积碳的影响。
　　采用EDTA化学改性方法，并借助XRD、低温氮气吸附和NH3-TPD技术探究不同改性时间对HZSM-5分子筛晶体结构、孔道结构和酸强度分布的影响。EDTA改性方法能够有效脱除HZSM-5表面的骨架铝，改性时间为2h的催化剂(简称EDTA-2H)与HZSM-5物理参数最接近。单级和双级Py-GC/MS实验证实了添加白云石催化剂的积极作用和EDTA的改性效果。EDTA-2H相比于HZSM-5具有更高的有利组分含量(81.91％)和更少的积碳量(1.98％)。
　　采用管式炉装置进行双级催化热解实验，热解产物以酸类为主，随后依次为醇类、糖类、呋喃类和酮类等，有利组分含量从直接热解的31.86％增加至52％～53％，HZSM-5和EDTA-2H在产物分布和有利组分含量上无明显区别，但EDTA-2H积碳量更小，仅为2.85％。HZSM-5和EDTA-2H双级催化连续性和催化剂多次再生实验研究结果表明，催化剂的活性并非使用1次后即减小，EDTA改性能够延长催化剂失活时间和再生使用次数，EDTA-2H抗积碳性能上优于HZSM-5。因此，EDTA改性的积极效果在管式炉实验装置得到进一步的验证。
　　聚丙烯和玉米秸秆单级共催化热解克服了生物质单独催化热解油品质差和HZSM-5积碳严重等缺点，二者在热解过程中存在明显的协同作用，当质量比为1∶1时，烃类含量达到71.7％，含氧有机物中不利组分达仅为6.49％，催化剂积碳量为1.92％。双级共催化中，白云石与原料质量比为1∶2时，油产率最高，为25.5％，烃类含量达到86.03％，催化剂积碳量最少，为2.55％，相对于单级共催化而言，积碳量有所增加。因此，无论是单级还是双级共催化，均能够显著提高热解油品质和降低积碳量。
　　积碳催化剂存在两个典型失重阶段:室温至200℃和300℃至650℃，分别对应于水和积碳的失重，水分失重占整个失重量的70％到85％。采用Coats-Redfern法和DAEM简化模型计算积碳失重阶段的活化能，Coats-Red fern法拟合过程中，0.5反应级数明显不符合实际，对于1、1.44和2级而言，拟合度和活化能随着级数的增加和增加，DAEM模型计算与实际值具有较高的吻合度，计算结果与周为1级的Coats-Red fern法拟合结果存在很大的差异性，但与1.44级较为接近。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 农林废弃物热解研究现状

1．2．2 农林废弃物催化热解技术研究现状

1．2．3 农林废弃物双级催化热解和重整技术研究现状

1．3 研究目标和主要研究内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 主要研究内容

第二章 HZSM-5分子筛改性及Py-GC／MS实验研究

2．1 催化剂改性实验

2．1．1 实验方法

2．1．2 催化剂表征

2．1．3 分析和讨论

2．2 Py-GC／MS单级催化热解实验

2．2．1 实验方法

2．2．2 分析和讨论

2．3 Py-GC／MS双级催化热解实验

2．3．1 实验方法

2．3．2 分析和讨论

2．4 本章小结

第三章 管式炉双级催化实验研究

3．1 实验装置和实验内容

3．1．1 实验原料及装置

3．1．2 实验内容

3．2 单级和双级催化实验

3．2．1 单级和双级催化对热解产物的影响

3．2．2 单级和双级催化对催化剂积碳量的影响

3．3 双级催化连续性运行实验

3．3．1 连续性运行次数对热解产物的影响

3．3．2 连续性运行催化剂的积碳量

3．4 催化剂多次再生的双级催化实验

3．4．1 催化剂再生次数对热解产物的影响

3．4．2 催化剂再生次数对催化剂积碳量的影响

3．5 本章小结

第四章 共催化管式炉实验研究

4．1 共热解实验装置和实验内容

4．2 聚丙烯催化热解实验

4．2．1 温度对热解产物的影响

4．2．2 温度对催化剂积碳量的影响

4．3 聚丙烯和玉米秸秆单级共催化实验

4．3．1 不同质量比对热解产物的影响

4．3．2 不同质量比对催化剂积碳量的影响

4．4 聚丙烯和玉米秸秆双级共催化实验

4．4．1 不同白云石添加量对热解产物的影响

4．4．2 不同白云石添加量对催化剂积碳量的影响

4．5 本章小结

第五章 积碳催化剂热重实验研究

5．1 实验原料和方法

5．1．1 实验原料

5．1．2 实验方法

5．2 实验结果与讨论

5．2．1 TG和DTG结果分析与讨论

5．2．2 积碳失重过程活化能求解方法

5．2．3 活化能结果分析与讨论

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

硕士期间发表论文