论文总字数：24829字

摘 要

随着能源结构的不断的优化升级，生物质能因为其绿色、清洁、可再生等优点，在新时代受到了广泛的关注。目前而言，主流的生物质能使用方式是将生物质热解气化，产生高热值的热解气。但在气化过程中，焦油是无法避免的副产物。它不仅会降低气化效率，更有可能威胁到设备的安全运行。针对焦油问题，寻求高效稳定的催化剂至关重要。本次试验以苯作为焦油模化物，通过浸渍法制备了Cu基催化剂，并使用XRD对催化剂进行了表征分析。根据响应面法制备了总计13种催化剂，并对所有的催化剂进行了从低温至高温的催化氧化实验，得到了不同反应温度下各催化剂的碳转化率X_C。基于响应面法设计了三因素三水平总计15个实验点的分析实验，以煅烧温度T、煅烧时间t以及活性组份浓度C%为自变量，选取了反应温度为300℃和350℃时的实验数据，并以这两个反应温度条件下的碳转化率X_C 为响应值分别建立响应面，优化结果表明当煅烧温度为800℃、煅烧时间为8h、活性组份浓度为10wt%时，碳转化率X_C能够分别达到最优值84.5%和96.8%。对此进行了验证实验，得到实验值87.4%和92.0%，这与预测值基本吻合。Cu基催化剂作为一种非贵金属催化剂，表现出了良好的催化效果。

关键词：生物质焦油；低温；催化氧化；铜基催化剂；响应面法

Abstract

With the continuous optimization and upgrading of energy structure, biomass can be widely concerned in the new era because of its green, clean and renewable advantages. At present, the mainstream biomass energy use is the pyrolysis of biomass, resulting in high calorific value of pyrolysis gas. But in the gasification process, tar is an inevitable by-product. It will not only reduce the efficiency of gasification, more likely to threaten the safe operation of the equipment. In view of the problem of tar, it is very important to find efficient and stable catalyst. In this paper, benzene was used as the tar model, and the Cu-based catalyst was prepared by impregnation method. The catalyst was characterized by XRD. A total of 13 catalysts were prepared according to the response surface method. The catalytic oxidation experiments were carried out for all the catalysts from low temperature to high temperature. The carbon conversion rate X_C of the benzene at different reaction temperatures was obtained. Based on the response surface method, three experiments were carried out to analyze the experimental conditions. The calcination temperature T, the calcination time t and the active component concentration C% were independent variables. When the reaction temperature was 300 ℃ and 350 ℃ The results show that when the calcination temperature is 800 ℃, the calcination time is 8h and the active component concentration is 10wt%, the carbon dioxide conversion rate XC is the response value. The conversion rate X_C can reach the optimal value of 84.5% and 96.8%, respectively. The experimental results were 87.4% and 92.0%, which were in agreement with the predicted values. As a non-precious metal catalyst, Cu-based catalyst shows a good catalytic effect.

Keywords: Biomass tar; Lower temperatures; Catalytic oxidation ；Cu-based catalyst; Response surface analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1研究背景 1

1.2生物质的开发利用 1

1.2.1生物质的主要特点 1

1.2.2我国的生物质资源量 1

1.2.3生物质能的技术使用现状 2

1.3生物质焦油处理技术研究现状 3

1.3.1焦油的定义和危害 3

1.3.1国内外研究进展 3

1.4响应面法 4

1.5研究目的与研究内容 4

1.6本章小结 4

第二章 以活性Al₂O₃为载体使用浸渍法制备负载型铜基催化剂 5

2.1引言 5

2.2实验 5

2.2.1实验材料 5

2.2.2制备不同活性组分浓度的催化剂 5

2.2.3煅烧过程 6

2.3催化剂比表面积与物相分析 7

2.4本章小结 8

第三章 生物质焦油催化氧化实验研究 9

3.1引言 9

3.2催化氧化实验 9

3.2.1实验系统 9

3.2.2实验方案 11

3.2.3实验数据处理 11

3.3实验结果与分析 12

3.3.1实验结果 12

3.3.2建立响应面 13

3.3.3响应面分析 14

3.3.4碳转化率趋势分析 18

3.4本章小结 19

第四章 总结与展望 21

4.1总结 21

4.2展望 21

参考文献 23

致 谢 26

第一章 绪 论

1.1研究背景

工业革命以来，化石燃料的使用量呈几何倍数的增长，一方面它使生产力急速提高，另一方面也导致了严重问题。据统计，目前地球大气层中的气体组成成分较二十年前已有较大变化，空气中CO₂增加了25%，NOx增加了19%，CH₄增加了100%，其他如氟化物、硫化物等均有不同程度的增加^[1]。而且根据推算，现有的传统能源如石油、煤炭、天然气等都将在百年之内开采完毕。与此同时，随着人类社会的不断进步，能源的需求量也将随之增加，届时能源的供需矛盾必将成为阻碍人类社会发展的一大难题。所以充分合理开发使用生物质能这一清洁、可再生能源，对改变传统的能源生产方式和消费方式，具有重要意义。

生物质是指直接或间接通过光合作用，将太阳能转化为化学能而存储在有机体中，进而通过别的方式转化为电能、热能或其他形式能源的有机物资源的总称。生物质能源的使用其实由来已久，其在人类社会发展的历史进程中始终发挥着极其重要的作用。在我国，生物质是仅次于煤、石油、天然气的第四位能源资源，在能源系统中占有重要的地位。从化学成分的角度来看，其元素的主要成分是C、H、O，是构成地球结构的基本元素^[2]。在能源转化利用的角度来说，大规模使用不会对地球各平衡系统产生较大影响。相较于其他新型能源如太阳能、风能、潮汐能的不稳定性，生物质能可以满足较为稳定的能量输出需求。

1.2生物质的开发利用

1.2.1生物质的主要特点

本质上来讲，生物质能的形成是植物依靠光合作用，将太阳能转化为化学能，其基本反应过程如下：

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