發(fā)布時間：2020-04-27 08:37

【摘要】：在眾多制氫方式中,催化重整制氫應(yīng)用最為廣泛,其中乙醇作為一種可再生的生物燃料,以其為原料制取氫氣具有廣闊發(fā)展前景。乙醇水蒸氣重整反應(yīng)是一個緩慢的過程,催化劑的加入可以加快反應(yīng)進(jìn)程,同時加入吸附劑吸附過程中產(chǎn)生的CO_2,使反應(yīng)正向進(jìn)行,加快反應(yīng)速率,提高H_2濃度,這一整個過程被稱為吸附強(qiáng)化乙醇水蒸氣重整制氫(SE-SRE)。為了探究適用于SE-SRE系統(tǒng)的催化劑以及吸附劑,本文分別對催化劑不同制備方法以及新型稻殼灰硅酸鋰(RH-Li_4SiO_4)吸附劑進(jìn)行了研究,同時研究了催化劑吸附劑不同裝填方式對SE-SRE系統(tǒng)的影響。在整個SE-SRE系統(tǒng)中,催化劑的選擇至關(guān)重要,不同的催化劑對副反應(yīng)的發(fā)生有不同的選擇性,同種催化劑通過不同制備方法進(jìn)行制備性能也有很大不同。本文選用過量浸漬法、共沉淀法以及溶膠凝膠法進(jìn)行了15 wt%Ni/Al_2O_3的制備,使用固定床實驗臺架進(jìn)行測試,并以BET、XRD、H_2-TPR(氫氣程序升溫還原)作為表征手段進(jìn)行催化劑表征。結(jié)果表明:溶膠凝膠法制備的15 wt%Ni/Al_2O_3催化劑表現(xiàn)最好,具有更高的H_2選擇性以及更低的CO、CO_2、CH_4選擇性,具有最大的比表面積、較大的孔容以及較小的孔徑,可以負(fù)載更多的活性組分,同時含有更多更強(qiáng)的NiO衍射峰以及更高更寬的還原峰,還原性最好。單獨(dú)的乙醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)產(chǎn)生的H_2濃度不高,添加吸附劑可以提高H_2濃度,而不同的吸附劑在SE-SRE系統(tǒng)中的表現(xiàn)不同,所以,吸附劑的選擇至關(guān)重要。對比RH-Li_4SiO_4和P-Li_4SiO_4的程序升溫吸附特性,結(jié)合XRD表征進(jìn)一步說明了RH-Li_4SiO_4具有更好的吸附特性。考慮到乙醇水蒸氣重整反應(yīng)過程非常復(fù)雜,為進(jìn)一步了解SE-SRE過程中反應(yīng)氣氛,使用ASPENPLUS進(jìn)行熱力學(xué)模擬,模擬結(jié)果與實際實驗結(jié)果能較好地擬合,同時發(fā)現(xiàn)水蒸氣對RH-Li_4SiO_4吸附性能有較大影響。為了探索水蒸氣對RH-Li_4SiO_4吸附性能的影響,以模擬結(jié)果為依據(jù),研究了水蒸氣濃度為0%、20%、40%、50%、60%五種氣氛下RH-Li_4SiO_4吸附性能的變化,由于實際SE-SRE反應(yīng)中吸附過程為等溫吸附,進(jìn)一步研究了這五種氣氛下RH-Li_4SiO_4的等溫吸附特性。結(jié)果表明:水蒸氣濃度越高,RH-Li_4SiO_4吸附速率越快,在水蒸氣濃度在0%~50%范圍內(nèi)時,隨水蒸氣濃度升高,RH-Li_4SiO_4吸附容量逐漸變大,水蒸氣濃度為60%時,吸附容量有所下降,水蒸氣濃度為50%時,吸附容量最大。水蒸氣對RH-Li_4SiO_4吸附和脫附溫度影響不大。等溫吸附特性研究結(jié)果表明水蒸氣的加入提高了化學(xué)反應(yīng)階段和擴(kuò)散階段的反應(yīng)速率,其中,對擴(kuò)散階段影響更為明顯,且隨水蒸氣濃度提高反應(yīng)速率加快。吸附劑與催化劑的耦合方式對兩者耦合效果具有較大影響,針對這一問題,比較了四種不同裝填方式對兩者耦合效果的影響。為更好地實現(xiàn)耦合,對SE-SRE系統(tǒng)工藝條件進(jìn)行探索,結(jié)果表明:當(dāng)溫度在525℃~575℃范圍內(nèi)時,對整個SE-SRE反應(yīng)影響不大,當(dāng)乙醇水溶液泵入速率為0.01 ml/min時,催化劑與吸附劑能實現(xiàn)較好的耦合。對催化劑與吸附劑不同裝填方式的研究表明:四種裝填方式中催化劑在上吸附劑在下分四層間隔放置時兩者耦合效果最佳,當(dāng)催化劑與吸附劑機(jī)械混合或者催化劑在上吸附劑在下不分層放置時在SE-SRE系統(tǒng)中經(jīng)一次反應(yīng)后催化劑和吸附劑具有更好的耦合效果。
【圖文】：

圖 1-1 2015 年中國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)來源：BP 2016，數(shù)據(jù)未包含香港、澳門和臺灣地區(qū)）氣作為一種高效、清潔的新能源，，符合人類對可替代化石燃料能源的要求只生成水，不污染環(huán)境；氫氣熱值高，放出的熱量約為同質(zhì)量汽油的 3 倍9 倍、焦炭的 4.5 倍，氫氣可用于合成氨、甲醇、石油煉制、燃料電池。另動車用油質(zhì)量指標(biāo)提高，加氫裂化、加氫精制等作為改善油品質(zhì)量的有效手加受到重視。在氫能利用方面，氫氣的儲存和加壓技術(shù)已取得極大進(jìn)步。另料電池汽車的不斷發(fā)展，氫氣作為新型燃料必將應(yīng)用于未來汽車的發(fā)展，目匹配的我國的加氫技術(shù)以及相關(guān)設(shè)備已愈漸成熟。為適應(yīng)未來燃料電池汽在未來，氫氣的需求量將越來越多[3]。前氫氣的制備方式有：煤制氫、天然氣制氫、焦?fàn)t煤氣制氫、甲醇制氫、、水電解制氫[3]。我國的制氫工藝以煤[4]和天然氣[5,6]為主，為解決這一問

圖 2-1 固定床反應(yīng)器具體操作步驟如下：1）打開氣體分析儀（德國 MRU），待氧氣含量穩(wěn)定后開啟氮?dú)獯祾咧翢o其他氣進(jìn)行檢漏；2）反應(yīng)器溫度升至 600 ℃，關(guān)閉氮?dú)忾y門，通入混氣（10 vol%H2和 90 vol%N2）催化劑還原，待氫氣含量穩(wěn)定即激活催化劑完成；3）關(guān)閉混氣閥，通入氮?dú)膺M(jìn)行殘余氣體吹掃，同時降低溫度至重整溫度，打開監(jiān)測軟件開始記錄數(shù)據(jù)；4）通過液體注射泵（北京萊伯泰科有限公司 P600 型）調(diào)節(jié)乙醇水溶液的泵入速指定值；5）反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉記錄軟件、液體注射泵和爐膛加熱開關(guān)，通入氮?dú)獯祾邭報w；
【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】：2018
【分類號】：TQ116.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2642077