NTP協(xié)同HZSM-5在線催化裂解提質(zhì)生物油試驗(yàn)及機(jī)理研究.pdf

1、生物質(zhì)是一種儲(chǔ)量大、來源廣且價(jià)格低的可再生能源，具有替代化石燃料的巨大潛力。生物質(zhì)熱解液化是生物質(zhì)能利用的主要技術(shù)之一，但其產(chǎn)物生物油因氧含量高、熱值低、腐蝕性強(qiáng)等特性難以直接應(yīng)用，需要對(duì)其進(jìn)行提質(zhì)。由于催化裂解的反應(yīng)條件溫和以及成本低，因此被廣泛用于生物油提質(zhì)，但該項(xiàng)技術(shù)的催化劑在作用過程中易產(chǎn)生結(jié)焦失活，造成精制生物油品質(zhì)降低，需要進(jìn)一步深入研究。
　　本文針對(duì)生物油催化裂解提質(zhì)過程中存在的技術(shù)問題，提出了低溫等離子體（Non

2、-thermal Plasma，NTP）協(xié)同分子篩催化劑在線催化裂解提質(zhì)生物油的解決方案。為此，設(shè)計(jì)了基于介質(zhì)阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，DBD）工作原理的NTP輔助催化裂解反應(yīng)器，研究了體系壓力、催化劑床層高度、放電區(qū)溫度和催化劑粒徑等參數(shù)對(duì)反應(yīng)器工作性能的影響。在此基礎(chǔ)上，以油菜秸稈為熱解原料，開展了NTP協(xié)同HZSM-5分子篩在線催化裂解提質(zhì)生物油的試驗(yàn)及理論研究，探討了NTP協(xié)同HZSM-

3、5催化裂解提質(zhì)生物油時(shí)，精制生物油的熱值、含氧量和油相產(chǎn)率隨催化劑溫度、催化劑床層高度、反應(yīng)器放電功率等參數(shù)的變化規(guī)律，并分析了NTP協(xié)同作用對(duì)精制生物油品質(zhì)和催化劑抗結(jié)焦性能的影響。全文主要內(nèi)容及結(jié)論如下：
　?。?）NTP輔助催化裂解反應(yīng)器設(shè)計(jì)及其工作性能?；贒BD基本理論，采用同軸圓柱電極結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套將催化劑置于放電區(qū)域內(nèi)部的NTP輔助催化裂解反應(yīng)器，系統(tǒng)探究了體系壓力、催化劑床層高度、放電區(qū)溫度和催化劑粒徑等參數(shù)對(duì)反

4、應(yīng)器放電功率的影響規(guī)律。結(jié)果表明，放電區(qū)溫度的升高、體系壓力的降低、催化劑床層高度的增加均有利于提高放電功率，而隨催化劑粒徑的增加，放電功率呈先升高后降低的趨勢。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)選了 NTP協(xié)同催化裂解提質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)，將體系壓力和催化劑粒徑確定為5 kPa和4 mm。
　?。?）生物質(zhì)原料選擇與NTP協(xié)同HZSM-5提質(zhì)生物油研究。對(duì)棉花秸稈、水稻秸稈、油菜秸稈、谷草和松葉五種常見的生物質(zhì)進(jìn)行了元素及工業(yè)對(duì)比分析，結(jié)果表明

5、，油菜秸稈具有氮硫含量低、水分和灰分適中、揮發(fā)分含量較高等特點(diǎn)，因此將其確定為試驗(yàn)用生物質(zhì)原料。進(jìn)行了NTP協(xié)同HZSM-5在線提質(zhì)油菜秸稈熱裂解蒸汽的試驗(yàn)，研究了催化劑溫度、催化劑床層高度和反應(yīng)器放電功率對(duì)精制生物油熱值、氧含量和油相產(chǎn)率的影響，并探討了 NTP協(xié)同催化作用對(duì)精制油品質(zhì)和催化劑抗結(jié)焦性能的影響。結(jié)果表明，隨催化劑溫度、催化劑床層高度和反應(yīng)器放電功率的增加，精制生物油的熱值和油相產(chǎn)率呈先增加后降低的趨勢，而精制生物油的含

6、氧量則呈先降低后升高的趨勢；與單 HZSM-5催化相比，在NTP協(xié)同催化作用下，催化劑的積炭量大幅度降低，精制生物油的氧含量和重質(zhì)組分含量分別從26.25％、6.38%降低至19.79%、3.15%，pH值和熱值分別從4.47、29.5 MJ/kg提升至4.98、33.14 MJ/kg，運(yùn)動(dòng)粘度和密度減小，精制生物油的品質(zhì)得到明顯提升，證實(shí)了NTP協(xié)同催化裂解提質(zhì)方案的可行性。
　　（3）NTP協(xié)同 HZSM-5提質(zhì)生物油工藝參數(shù)

7、優(yōu)化。以催化劑溫度、催化劑床層高度和反應(yīng)器放電功率三個(gè)工藝參數(shù)為變量，精制生物油油相產(chǎn)率為響應(yīng)值，采用響應(yīng)面法建立了NTP協(xié)同HZSM-5提質(zhì)生物油的工藝參數(shù)優(yōu)化模型，并對(duì)模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)模型得出了NTP協(xié)同HZSM-5提質(zhì)生物油的最優(yōu)工藝參數(shù)為：催化劑溫度391.56℃，催化劑床層高度33.53 mm，反應(yīng)器放電功率23.76 W。該工藝條件下精制生物油油相的預(yù)測產(chǎn)率為9.26%，實(shí)際產(chǎn)率為9.18%，與預(yù)測值相吻合，誤差較小

8、；精制油的氧含量、pH值、熱值和重質(zhì)組分含量分別為19.41%、5.06、33.62 MJ/kg和2.87%，精制油的品質(zhì)得到進(jìn)一步提升。
　?。?）NTP協(xié)同HZSM-5催化裂解提質(zhì)生物油機(jī)理研究。利用GC-MS對(duì)HZSM-5以及NTP協(xié)同HZSM-5提質(zhì)獲取的精制生物油組分進(jìn)行檢測，并借助TG-DTG對(duì)兩種提質(zhì)方法中相同使用時(shí)間的催化劑進(jìn)行熱重分析。結(jié)果表明，采用 NTP協(xié)同催化后，高能活性粒子對(duì)反應(yīng)物的活化和催化劑的改性作用