基于流化床反应器的炼厂酸性气光催化制氢循环利用的基础研究

Traditional Claus process has been used in large and medium-sized oil refineries of our country for treatment of acidic refinery gas containing hydrogen sulfide, leading to large equipment investment, high energy consumption and significant waste of hydrogen resource. Photocatalytic technology can directly use the cheap sunlight or artificial light as energy source under mild reaction condition. It has the advantages of low cost and high efficiency. Based on our previous work, we further propose to use hydrogen sulfide as gas source for design of bubbling fluidized bed photocatalytic reactor. We developed glass microsphere photocatalyst with controllable grain size, good stability, and optical transparency. It is also easy for separation and recycles. Our design solves the low light energy utilization efficiency and poor mass transfer of the traditional fluidized bed photocatalytic reactor. In addition, we will focus on the linkage between micr- structure and macro kinetics and on its differences from traditional loaded photocatalyst. Through the study of operating mode, radiant energy distribution, heat and mass transfer in the fluidized bed reactor,it is expected to make clear the matching characteristics between photocatalyst and the fluidized bed reactor and to find the enhancement pathway. After in-depth study of the key scientific issues, more comprehensive technical parameters and theoretical support could be provided for the industrialization of the technology.

我国大中型炼油厂均采用传统的Claus工艺处理含硫化氢的酸性尾气,设备投资大、能耗高且造成对氢资源的极大浪费。光催化技术可直接利用廉价的太阳光或人工光源为能量源头，反应条件温和，具有成本低、效率高的显著优势。在前期青年基金工作的基础上，我们进一步提出以硫化氢气体为气源的鼓泡式流化床光催化反应器的设计思路，研制与之匹配的粒径可控、稳定性好、光学通透，易分离回收的玻璃微球光催化剂，以解决传统流化床光催化反应器光能利用率低、传质效率差的缺点。在催化剂方面，将重点研究催化剂微观结构和宏观动力学的内在关联及其与传统负载型光催化剂的差异。通过对流化床反应器的操作参数、辐射能分布、热质传递过程等的研究，明确光催化剂与流化床反应器的匹配特性及强化途径。通过对上述关键科学问题的深入研究，为未来该技术工业化应用提供较为完备的技术参数和理论支持。

本项目以炼厂酸性气光催化制氢循环利用为最终目标及背景。对于常规的有气相生成的反应器，气泡必须经历成核、生长，且产物气必须穿越较长的液相空间到达气液表面，使反应总体效率偏低。 本项目基于光催反应特点，以原料气为气源设计了鼓泡式流化床光催化反应器。项目在具体研究中发现，对于流态化光催化反应器，纳米尺度光催化剂颗粒由于其高的表面能而极易团聚成微米尺度的二级颗粒，从而与微米尺度的入射光波长达到同一量级。此时，团聚颗粒的尺寸及形貌不仅偏离了粉末态时的预期形貌功能，其在分散相中的粒径分布及悬浮状态亦发生明显变化，并进一步对入射辐射能吸收转化及最终的产氢性能的产生重要影响，而以往的研究却极少对该问题给予关注。 项目在研究过程中，针对该科学问题，调整研究内容，对微纳颗粒在气液相中的团聚动力学及其辐射吸收转化进行了深入研究， 期望相关研究成果能为未来该技术工业化应用提供理论支持。发现了催化剂颗粒群的非对称分布对光吸收的强化效应，阐明了气泡分布对悬浮体系中界面光氢转化反应的促进机理，实现了多物理场下反应体系的水动力优化及光能吸收转化的定向调控。项目共计发表SCI源期刊论文30篇，其中1作或通讯28篇，授权发明专利2项、公示2项。主要研究论文以一作或唯一通讯发表在Nature Communications（共同一作）、化学类知名期刊Chem. Commun.、化工类知名期刊: Chem. Eng. Sci. 、 Ind. Eng. Chem. Res. 、Chem. Eng. J.等说明项目工作已经得到国际主流期刊的认可。受邀在国际光学工程大会(SPIE)做半小时的大会主旨报告（Plenary Talk），并被其官网给予专门报道。项目负责人受邀担任“Asian Journal of Energy”国际期刊的编委，以及2014年new Energy Forum 国际会议的科学委员会委员，并在2014年中国工程热物理学会上当选为学会多相流专业委员会委员。项目成果部分内容获得2016年陕西省科学技术一等奖(排名第2）。