微波作用下含炭催化剂深度脱除焦油机理研究

生物质气化技术具有广阔的发展前景，目前阻碍其推广应用的主要是焦油问题。焦油的深度脱除有利于燃气的高值化利用，是目前研究的热点。本项目从解决焦油裂解催化剂积碳失活入手，提出了以微波加热为主要手段提高含炭催化剂的活性、实现生物质气化焦油深度脱除的新方法。利用微波加热热惯性小、降温快的特点，探索焦油裂解过程中不同反应阶段的焦炭物理化学特性的演变规律，并将焦炭催化活性和焦油裂解反应途径与其直接关联，从而揭示微波作用下焦炭催化焦油裂解的机理；通过实验和理论模型计算，揭示微波诱导催化机理，同时探讨焦油裂解过程和焦炭气化过程的竞争关系及调控机制；根据含炭催化剂净化生物质气化气的实际效果，揭示微波作用下混合催化剂的协同效应，分析评价混合催化剂的综合性能，探索催化剂制备和使用的方法。本项目的研究有助于深入揭示焦油裂解催化剂的作用过程，也将为微波加热技术在生物质能源领域的应用探索出一条新的途径。

本项目从解决焦油裂解催化剂积碳失活入手，提出了以微波加热为主要手段提高含炭催化剂的活性、实现生物质气化焦油深度脱除的新方法。通过实验和理论研究，取得了如下的研究结果：.（1）搭建了微波加热固定床焦油裂解实验台架，根据微波加热效果，对实验参数进行了优化。制备了生物质焦炭，并对热解焦炭的物理化学特性进行了分析，为后续焦油裂解实验提供了催化剂和基础数据。.（2）用制备的生物质炭作为固定床的填充料在自制的微波反应器上进行焦油模型化合物-甲苯、甲苯与萘、甲苯与苯酚的催化裂解实验研究，研究结果发现：生物质炭对焦油模型化合物甲苯无明显的催化裂解活性，即与常规加热方式下同温度的热裂解相当；且实验过程中发现微波发射功率随温度的升高而下降，焦油催化裂解使催化剂失活的原因是因为焦油裂解积碳导致，采用炭催化剂以及添加炭可减少焦油的积炭。.（3）研究生物质燃料中的纤维素、木质素热解气化时焦油组份与温度的变化规律。实验结果发现：纤维素热解气化时所产生的焦油组份中主要以酸、醛、酚、酮组份为主，且随温度的增加，焦油组份中是一个脱氧向萘及多环芳烃转化的过程；而木质素热解气化时主要以苯、甲苯以及多环芳烃组份为主，且随温度的增加，甲苯向苯及多环芳烃转化。并以谷壳与木粉气化过程中产生的焦油为研究对象，研究了在不同温度情况下的焦油组成变化情况，并考查了高温下焦油自身热裂解情况，为焦油催化裂解扣除自身热裂解提供了对比实验数据。.（4）针对生物质气化过程产生的焦油，研制开发了一种以金属钴为活性物质的焦油裂解催化剂，该催化剂可以负载在CaO、MgO、木炭以及生物质热解气化灰上，当金属钴活性组份的含量为15%及以上时，在650℃以上时可以将生物质气化过程中产生焦油完全催化裂解转化为小分子气体。.（5）开发出了一种整体式新型生物质气化催化反应器，并对该反应器进行了相关的实验研究。考查了有、无催化剂时对木粉气化产生的燃气中焦油的组份及其气体组份的影响；当采用钴基催化剂作为焦油裂解催化剂，裂解温度为800℃，标态下体积空时为1.8s的情况下，燃气中夹带的焦油可完全被催化裂解，同时燃气中的气体成份氢含量可无催化剂时从15%提高到有催化剂时的35%，净提高20%。同时也对使用前后的钴基催化剂进行了XRD与SEM表征分析。