论文总字数：26814字

摘 要

生物质因其具有资源丰富、可再生、环境友好等优点，使得其在人类生活和社会活动中的利用价值不断提高。生物质气化可产生富氢气体，使其具有广阔的应用前景，但气化过程不可避免的会产生焦油，影响制氢效果。针对焦油问题，寻求高效稳定的催化剂至关重要，许多学者的研究显示镍基催化剂有较好的焦油重整催化效果。焦油种类繁多，低温气化产生的焦油以酚类焦油为主，本文采用甲酚作为焦油模化物进行实验，使用浸渍法制备了多种催化剂，并利用BET和XRD对催化剂进行表征分析。经前期对多种催化剂的测试分析，选出催化重整效果最好的碱土金属Mg修饰的Ni基催化剂Ni-Mg/Al，后期基于响应面法，研究了Ni-Mg/Al催化剂对甲酚水蒸气重整的影响。实验采用由上游流化床与下游固定床组成的两级反应器，以两级反应器温度T、水碳摩尔比S/C、二级反应器Ni/Al催化剂比例Cat-Ni为自变量，碳转化率X_C和氢气产率R_H2为响应值建立响应面，优化结果表明当流化床与固定床温度均为850℃、水碳摩尔比为12、二级反应器Ni/Al催化剂为100%时，碳转化率和氢气产率分别达到最优值85.1%与128.9mol/kg-tar，与实验值基本吻合。对响应面的分析可得在实验条件范围内反应温度越高，水碳摩尔比越大，二级反应器Ni/Al催化剂比例越高，焦油转化效果越好，且反应温度T对两个响应值影响最大。对部分工况的碳转化率变化趋势加以分析比较后发现优化工况的条件是有利于减少积碳形成的。

关键词：生物质焦油；甲酚水蒸气重整；镍基催化剂；响应面法

Experimental study on model compound of phenolic biomass tar

03012112 Xiaodong Huo

Supervised by Jun Xiao

Abstract

Biomass is gaining more and more attention for being resourceful, renewable and environment-friendly. Biomass gasification can produce hydrogen-rich gas, which is one of the promising technologies in the future. However, gasification process would also produce tar, an undesirable product for hydrogen yield. To solve the problem, Ni-based catalyst was studied and recommended by many researchers. Phenolic compounds are main tar products from biomass gasification at low temperature. Different kinds of catalysts were made by impregnation and tested by BET and XRD. Steam reforming of cresol used as model compound of tar was studied based on response surface analysis over Ni-Mg/Al catalyst, which was better than other catalysts tested. Two-stage reactor system(TSR) was used in the reforming experiments, which comprises a fluidized bed reactor as the first reactor(FR) and a fixed bed reactor as the second one(SR). The response surface was set up with the temperature of both reactors, the molar ratio of steam to carbon (S/C)and the percent of Ni/Al in SR(Cat-Ni) for cresol reforming performances of X_C and R_H2 to analyze and optimize the experimental conditions. The optimized conditions are 850℃ for the temperature of both reactors, 12 for S/C and 100% for Cat-Ni. In these conditions, results of model prediction indicate that X_C is 85.1% and R_H2 reaches 128.9mol/kg-tar, which is in good agreement with the results achieved from the experiment. The analysis of the response surfaces shows that under experimental conditions, the higher the temperature, S/C and Cat-Ni are, the higher X_C and R_H2 would be. The temperature has the most remarkable influence among the three factors. The changes of X_C in some conditions indicates that the optimized conditions are beneficial to reducing carbon deposit.

Keywords: Biomass tar; Steam reforming of cresol; Ni-based catalyst; Response surface analysis

目 录

摘 要 Ⅰ

关键词 Ⅰ

Abstract Ⅱ

Keywords Ⅱ

目 录 Ⅲ

第一章 绪 论 1

1.1研究背景 1

1.2生物质焦油 1

1.2.1生物质气化技术 1

1.2.2生物质气化焦油 2

1.2.3生物质焦油重整 3

1.3响应面法 4

1.4研究目的与研究内容 5

1.5本章小结 5

第二章 生物质焦油酚类模化物重整预备实验 6

2.1实验装置 6

2.2催化剂制备 7

2.3催化剂比较 9

2.4催化剂比表面积与物相分析 9

2.5本章小结 11

第三章 生物质焦油酚类模化物重整实验研究 12

3.1重整实验 12

3.1.1实验方案 12

3.1.2数据处理 12

3.2实验结果与讨论 13

3.2.1实验结果 13

3.2.2建立响应面 13

3.2.3响应面分析 15

3.2.4产气成分分析 21

3.2.5碳转化率趋势分析 22

3.2.6催化剂积碳分析 24

3.3本章小结 28

第四章 总结与展望 29

4.1总结 29

4.2展望 29

参考文献 31

致 谢 33

第一章 绪 论

1.1研究背景

能源是人类生产、生活、社会经济发展的必备资源和战略物资。随着社会经济的飞速发展，人类对能源的需求趋势也随之改变。化石能源消耗带来的环境问题使得人们将焦点转向那些充足可再生的清洁能源。生物质能因其具有资源丰富、可再生、低污染等优点，使得其在人类生活和社会活动中的利用价值不断提高。据报道，生物质能已上升为仅次于化石能源煤、石油和天然气之后的第四位能源。与传统的直接燃烧方式相比，现代生物质能源的利用更多的是借助热化学、生物化学、化学催化等手段，通过一系列先进的转换技术，生产出固、液、气等高品位能源产品来代替化石燃料，为人类生产、生活提供电力、交通燃料、热能、燃气等终端能源产品 ^[1]。

生物质是通过光合作用生成的有机化合物，品种繁多，形态各异，其主要元素成分有碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）、灰分（A）和水分（M），其中碳、氢、氧元素并不是以单质形式存在，而是组成各种大分子的聚合物。一般来说，生物质由纤维素、半纤维素、木质素以及少量的灰分和提取物组成，其中纤维素,是由由葡萄糖组成的大分子多糖，半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体、遇酸后远较纤维素易于水解的那部分植物多糖是碳水化合物，木质素则是由碳水化合物通过一系列生物化学反应合成的, 由聚合的芳香醇构成的一类物质^[2] 。目前，生物质能作为一种可再生的低碳能源，具有巨大的发展潜力。针对现代生物质能源利用技术的开发和研究，对替代或部分替代化石能源，保护生态环境，实现可再生资源的合理利用及人类社会的可持续发展意义重大。

1.2生物质焦油

1.2.1生物质气化技术

生物质热解气化是20世纪70年代石油危机以后蓬勃发展的可再生能源技术，近30年来的发展主要集中在以下方面：①生物质热解气化和发电技术；②生物质快速热解制取热解油技术；③生物质气化合成液体燃料技术；④生物质制氢技术。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：26814字