生物質能是一種潛力巨大的可再生能源,熱解氣化技術是其能源轉化的重要途徑。焦油是生物質熱解氣化過程中的必然產物,如何實現焦油的高效低成本催化轉化直接影響系統(tǒng)安全和能源轉化效率。鋼渣是鋼鐵工業(yè)的一種副產物,產量巨大且富含鐵、鈣、鎂等金屬元素,具有制備生物質熱解及其焦油裂解轉化催化劑的重要潛質。基于此,本文以鋼渣為基體制備新型催化劑,研究了鋼渣對于生物質熱解轉化特性的影響,并系統(tǒng)研究了鋼渣對于生物質熱解焦油裂解與重整反應的作用特性,在此基礎上對鋼渣催化劑進行了載鎳改性處理,獲得了良好的焦油轉化效率,為低成本生物質焦油催化劑的制備提供了一條新的研究思路。本文將從以下幾個方面展開研究:(1)采用熱重分析了煅燒鋼渣對松木屑熱解特性的影響。結果表明,煅燒后的鋼渣結構穩(wěn)定,其添加提高了樣本的最大熱失重速率和與之對應的溫度。采用分布式活化能模型(DAEM)法和Flynn-Wall-Ozawa(FWO)法計算了鋼渣摻混條件下松木屑熱解活化能,在轉化率為0.2-0.8區(qū)間內,純松木樣本的活化能在135kJ/mol附近,鋼渣加入后使松木熱解的活化能得到了不同程度降低,從活化能的角度證實了鋼渣對于生物質熱解的催化作用。(2)采用高溫煅燒鋼渣對松木焦油進行催化重整,結果顯示,800℃煅燒后,鋼渣表面形成了相對穩(wěn)定的Fe_2O_3和MgFe_2O_4晶型,對焦油表現出較為穩(wěn)定的催化活性。重整溫度為800℃,三次循環(huán)的鋼渣催化作用下,可實現焦油轉化率達到90.8%,不可冷凝氣體產率達到370.6 mL/g。水蒸汽進一步增強了焦油和氣體水蒸汽重整反應,氣體產率得到進一步提高,最高可達493.5 mL/g,其中水煤氣變換反應(WGSR)導致H_2和CO_2產率提高明顯。反應過程中鋼渣表面的鐵氧化物被生物質熱解最初產生的還原性氣體(H_2和CO)還原為低價鐵氧化物,保持其催化活性的長期穩(wěn)定。(3)采用傳統(tǒng)的浸漬法制備載鎳鋼渣催化劑,并研究了其對生物質熱解焦油的催化與重整特性。結果顯示,900℃煅燒后鋼渣表面形成了穩(wěn)定的Fe_2O_3和MgFe_2O_4晶型,負載鎳后可以形成分布均勻的NiO顆粒。載鎳鋼渣對焦油催化重整具有很高的活性,重整溫度為800℃,鎳基鋼渣催化劑可使焦油轉化率達到97.5%,不可冷凝氣體產率達到463 mL/g。水蒸汽重整顯著的增強了焦油和氣體水蒸氣重整反應,氣體產率進一步得到提高,達到540.5 mL/g,其中水煤氣變換反應(WGSR)導致H_2和CO_2產率提高明顯。反應過程催化劑表面鐵和鎳氧化物被還原性氣體(H_2和CO)還原,形成低價鐵氧化物和鎳單質結構,并形成了相對穩(wěn)定的表面多孔結構,有利于其催化活性的長期維持。
【學位單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TK6
【部分圖文】：

和松木屑單獨熱解特性，然后考察不同比例鋼渣對松木屑熱解產生的影響，并采用Flynn-Ozawa-Wall（FWO）法及分布活化能（DAEM）法對松木熱解行為進行動力學分析，探究鋼渣對松木屑熱解活化能的影響規(guī)律，進而為后續(xù)確定鋼渣催化重整松木焦油工藝參數提供理論參考。2.2 實驗材料與方法（Experimental Materials and Methods）2.2.1 樣本制備本實驗中鋼渣來源為徐州市當地煉鋼廠，松木來源為當地周邊區(qū)域，首先采用去離子水對原料進行清洗，除去表面雜質。其次，使用實驗室規(guī)模的粉碎機對松木和鋼渣進行粉碎和篩分，其中松木粉碎至粒徑為 0.125 mm-0.15 mm，然后經鼓風式干燥箱 105℃干燥 24 小時備用。鋼渣粉碎至粒徑為 0.125 mm-0.15 mm，同時放入干燥箱中 105℃干燥 24 小時后，放入馬弗爐中空氣狀態(tài)下 800℃煅燒 4 小時，自然冷卻至室溫后，取出備用，鋼渣和松木屑實物如圖 2-1 所示。采用機械混合的方法，將松木屑和鋼渣按照 20%鋼渣、33.3%鋼渣、50%鋼渣三種不同的質量比例混合均勻后備用，記為 x-SS，x 為鋼渣所占樣本質量百分數，wt.%。

溫速率依次設定為 5 ℃/min，10 ℃/min，20 ℃/min 和 30 ℃/min。表 2-3 差熱天平規(guī)格Table 2-3 biomass main composition analysis項目 范圍DSC 測量范圍 ±1 mV~ ± 100 mVDSC 精度 ±1 μW溫度范圍 中 HCT-1:室溫-1150℃溫度精確度 1℃升溫速率 0.1℃至 80℃測量范圍 1 mg 至 200 mg解析度 0.1 μg熱重噪聲 <0.1 μg氣路控制冷卻方式二路進氣，一路出氣水循環(huán)式注：本產品符合《中華人民共和國機械行業(yè)標準》[69]

3.2.3 實驗設備及條件生物質（松木）的整個熱解氣化反應系統(tǒng)如圖3-1所示，系統(tǒng)裝置實物圖如圖3-2（a）所示，反應在自制的兩段（兩個固定床）石英反應器（圖3-2（b））中進行。實驗系統(tǒng)主要由兩段式石英固定床反應器、氣體供應系統(tǒng)、水蒸汽供應系統(tǒng)、雙溫區(qū)電加熱爐、焦油和氣體收集及檢測系統(tǒng)組成。實驗所用的固定床石英反應器中部有兩個內徑為30 mm的石英砂芯板，將反應器分為上中下三個部分，上部砂芯板用來支撐松木樣本，下部砂芯板用來放置鋼渣催化劑。反應器上下兩層分別由雙溫區(qū)電加熱爐加熱，電加熱爐上下兩層的有效加熱高度均是200 mm，中間布置石英棉隔熱結構，保證反應器熱解層和焦油裂解層分別處于穩(wěn)定的溫度環(huán)境。焦油收集裝置是由4個裝有異丙醇的氣體洗氣瓶組成，并采用冰水浴的方法，保證洗氣瓶處于接近0℃環(huán)境。經焦油收集裝置后，氣體流過一個裝有水的氣體洗氣瓶和一個裝有變色硅膠的干燥氣體洗氣瓶
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本文編號：2843712