【摘要】：生物質(zhì)的催化氣化作為生物質(zhì)能源化利用的新一代氣化技術(shù),具有很高的能源應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。研究表明,烘焙可以減少生物質(zhì)在催化氣化過程中焦油的形成,因而可以減少鎳基催化劑表面上積碳的形成。淀粉類廚余的成分與生物質(zhì)類似,故此對淀粉類廚余先進(jìn)行烘焙預(yù)處理再進(jìn)行催化氣化,不僅能夠減少積碳的形成,還能進(jìn)一步提高合成氣的質(zhì)量。本文主要對原樣進(jìn)行烘焙預(yù)處理后再進(jìn)行催化氣化,研究烘焙溫度及催化劑對產(chǎn)氣特性的影響。首先,在固定床系統(tǒng)上研究水蒸氣氣氛方式下淀粉類廚余原樣及不同溫度的烘焙樣的氣化特性,分別比較不同氣化溫度和不同烘焙溫度對氣化的影響。重點(diǎn)研究烘焙溫度對氣化的影響,研究烘焙溫度對原樣結(jié)構(gòu)的細(xì)微改變,同時(shí)對反應(yīng)的總碳平衡進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明,剩米飯的最佳預(yù)處理烘焙溫度為240℃,此溫度下,烘焙能夠降低樣品的O/C比和水分,而不會(huì)導(dǎo)致樣品的碳化和平面外芳香族的C-H鍵的斷裂。烘焙溫度的提高會(huì)一定程度上提高氫氣產(chǎn)量是因?yàn)楹姹菏沟媒箻又械膲A金屬K的含量的提高和碳的富集。提高氣化溫度很大程度上提高了樣品的冷煤氣效率,這是因?yàn)樘岣邭饣瘻囟?焦油的裂解更加充分,焦炭的氣化反應(yīng)和水汽重整反應(yīng)更加完全。相比于Ni/Al_2O_3催化劑,Ni/SiO_2催化劑中鎳與載體形成的有助于提高催化活性的交聯(lián)結(jié)構(gòu)在催化活性方面有更大的提升空間。Ni/SiO_2催化劑的最佳添加比例為30%。其次,研究了水蒸氣氣氛方式下不同烘焙樣品在Ni/SiO_2催化劑催化下的產(chǎn)氣特性。重點(diǎn)研究催化劑對氣態(tài)產(chǎn)物分布的影響,此外,對催化劑進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)特性(BET)、程序升溫還原(TPR)、透射電子顯微鏡(TEM)和X射線光電子能譜儀(XPS)的表征和分析,探究了助劑Ce和Co對提升催化劑的催化性能的機(jī)理。結(jié)果表明,催化劑的加入促進(jìn)了焦油和H_2O的焦油重整反應(yīng),從而轉(zhuǎn)化成更多的H_2和CO_2。在Ni/SiO_2催化劑摻雜Co,僅對原樣RI催化氣化中H_2產(chǎn)量才會(huì)進(jìn)一步提高。在Ni/SiO_2催化劑摻雜Ce,對于所有樣品的催化氣化中H_2產(chǎn)量都會(huì)進(jìn)一步提高,Ce均能起到進(jìn)一步提高Ni/SiO_2催化劑的催化作用。摻雜Co改性的鎳基催化劑僅能一定程度上改善Ni的分散,對Ni的還原影響不大;Ce的存在一方面能夠改善Ni的分散性,另一方面能提高催化劑的可還原性,這是因?yàn)镃e提高了催化劑的抗積碳能力和Ni2p_(3/2)g軌道上電子的活躍度。在Ce-Ni/SiO_2對260℃烘焙樣品的氣化實(shí)驗(yàn)中,廚余垃圾的烘焙加催化氣化的耦合效果最高,對H_2的定向增幅可達(dá)199.3%。
【圖文】：

源背景源與環(huán)境概況石能源的不斷開發(fā)和利用使得人類生活質(zhì)量不斷提高，與此同時(shí)全球人口使得人類的能源消費(fèi)大幅度提高。根據(jù)《2018年BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》[1]報(bào)全球一次能源消費(fèi)強(qiáng)勁增長，主要由天然氣和可再生能源引領(lǐng)，煤炭在能比例呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢。但中國仍是世界上一次能源消費(fèi)第一大國，能全球能源消費(fèi)總量的23%。圖1-1為1992~2017年全球?qū)γ禾俊⑹�、天然氣源、水電及核電的消費(fèi)量。2017年煤炭占全球一次能源消費(fèi)總量的比重下為2004年來的最低水平；而可再生能源在全球一次能源消費(fèi)中的比例上可再生能源在發(fā)電結(jié)構(gòu)中的占比從7.4%提高至8.4%，高于近十年平均值。

形成聚合度高的碳化產(chǎn)物-焦炭。焦炭與水的反應(yīng)（反應(yīng)方開始進(jìn)行，，當(dāng)溫度大于 850℃時(shí)反應(yīng)尤其劇烈。焦炭也會(huì)與熱解H2反應(yīng)分別生成 CO2和 CH4。當(dāng)溫度高于 640℃時(shí)，焦油會(huì)與水應(yīng)方程（7）），或者自身發(fā)生裂解反應(yīng)（反應(yīng)方程（6））。水蒸氣也應(yīng)（反應(yīng)方程（5）），CO 與 H2會(huì)發(fā)生甲烷化反應(yīng)（反應(yīng)方程（4應(yīng)。生物質(zhì)的整個(gè)反應(yīng)轉(zhuǎn)化（裂解+氣化）系統(tǒng)是一個(gè)吸熱反應(yīng)，不斷供給來維持這些反應(yīng)的發(fā)生。由反應(yīng)方程（1）可見，水蒸氣合成氣中的 CO 和 H2 的含量，并且減少焦炭的含量；由反應(yīng)方程化能夠?qū)⒔褂娃D(zhuǎn)化成氣體產(chǎn)物。綜合比較可知，水蒸氣氣化能夠量，提高合成氣的質(zhì)量和產(chǎn)率。術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與工藝國生物質(zhì)氣化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀[29]如下：
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：X799.3;O643.36

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