CO2协同金属催化剂催化纤维素热解特性研究

作     者：刘海鹏 

作者单位：东北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姜海峰

授予年度：2023年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：纤维素 热解 催化剂 生物油 CO2 

摘      要：随着社会的不断发展和能源需求量的不断增加,能源的清洁性、可持续性已经受到全球的广泛关注。生物质作为可再生能源,生物质高效利用对于保证全球能源清洁、可持续性供应具有非常重要的意义。本课题选用生物质主要成分纤维素作为研究对象,N和CO作为热解气氛,探究热解温度、催化剂种类以及热解气氛比例等不同工况对纤维素热解合成气、生物油以及生物炭等产物分布的影响规律,进而明确CO协同金属催化剂催化纤维素热解特性,为制取高品质生物质基产品提供重要理论指导。主要研究内容如下:首先,在N/CO热解气氛下通过热重分析仪和管式炉热解反应器相结合的方式,对硝酸钴、硝酸铁以及硝酸铈催化纤维素热解行为效果进行比较和评价。结果表明,硝酸钴催化剂的加入,使纤维素的热分解温度向较低温度移动。CO热解气氛对合成气的生成有促进作用,进一步在CO热解气氛下加入硝酸铈、硝酸铁和硝酸钴使合成气产量分别提高了1.92wt%、2.97wt%和3.7wt%。CO热解气氛下催化纤维素热解使液相产物中芳香烃和呋喃化合物相对含量显著提高,催化剂的催化能力为硝酸铁硝酸钴硝酸铈。其次,采用高温固相法合成了三种Co-Fe、Co-Mg以及Co-Ce二元复合金属催化剂,在N/CO热解气氛下对其催化纤维素热解特性进行了研究。结果表明,添加Co-Fe、Co-Mg催化剂后,纤维素的初始热分解温度降低,而Co-Ce催化剂的添加导致纤维素的初始热分解温度升高。在N热解气氛下Co-Fe、Co-Mg催化剂的加入促进了液体的生成,Co-Ce催化剂的加入促进了气体的生成。与N热解气氛下纤维素热解相比,CO热解气氛导致合成气产率整体提高,同时在CO热解气氛下Co-Fe、Co-Mg以及Co-Ce二元复合金属催化剂的添加导致生物油中呋喃类化合物的相对含量分别提高了9.59%、0.57%和0.62%,酮类化合物的相对含量分别增加了5.21%、2.02%和3.48%。最后,采用高温固相法合成了一系列具有不同Ce添加量的Ce-Co-Na三元复合金属催化剂,研究其在N/CO热解气氛下催化纤维素的热解行为特性。结果表明,当Ce掺杂量大于0.025mol时,产物分布变化趋势较小基本达到稳定。当热解气氛为25%CO/75%N时,Ce-Co-Na三元复合金属催化剂催化纤维素热解生成的合成气产率最高,为44.44wt%。与N气氛下热解相比,CO气氛液体产物中脱水糖的相对含量从14.03%下降到9.18%。综上,在500°C,25%CO/75%N的混合热解气氛下,使用0.02mol Co/0.02mol Na/0.025mol Ce催化剂催化纤维素热解实现了液体产物中酮类化合物的有效富集。