生物质气化过程中CO2捕集与非热等离子体甲烷干重整耦合制备高品质合成气

Production of renewable syngas from biomass gasification is a promising technology. However, the low quality of syngas (low heating value and concentration) prohibits the deployment of biomass gasification. Currently, CO2 adsorbent is added to enhance hydrogen and syngas production. However, it requires high-stability sorbent and the efficient use of the adsorbed CO2. In this project, bi-functional catalysts will be developed to adsorb CO2 from syngas and use non-thermal plasma catalysis to regenerate the adsorbent and convert CO2 into extra syngas by reacting with methane. Therefore, CO2 adsorption and desorption can be carried out in one reactor at same temperature. The transfer of adsorbent is avoided and a low requirement of mechanical strength of the adsorbent is obtained. In addition, the utilisation of the adsorbed CO2 is fulfilled through non-thermal plasma catalytic conversion. By developing bi-functional catalysts, an integrated CO2 adsorption and non-thermal plasma catalytic methane dry reforming is proposed. The mechanisms studies on the synergies between non-thermal plasma and catalysis and combined CO2 desorption with methane dry reforming are also investigated in this project. This work will promote the development and the fundamental understanding of biomass gasification.

生物质气化制备可再生合成气具有很大的发展前景，如何提高气化过程的合成气品质是气化技术发展的主要瓶颈。虽然目前通过添加吸附剂来捕集CO2，来提高合成气中氢气和CO浓度和热值。但缺乏高效的强抗磨损性的吸附剂，以及对吸附后的CO2缺乏有效的回收利用方式，成为CO2强化吸附生物质气化难以大规模普及的障碍。本项目通过制备双功能催化剂与耦合非热等离子体催化，吸附并转化CO2，来提高合成气品质。非热等离子体响应快，能够实现CO2吸附与脱附在同一温度同一反应器内进行。避免了吸附剂在再生过程中的流动，极大的降低对吸附剂抗磨损性能的要求。同时非热等离子体催化能够在吸附剂再生的同时进行CO2甲烷干重整制备合成气。本项目的研究内容包括制备新型双功能催化剂，耦合CO2吸附与非热等离子体催化甲烷干重整，揭示催化剂在等离子体条件下的CO2脱附以及甲烷干重整机理。本课题对生物质气化领域的应用方面具有理论意义和应用价值。

生物质气化有着广泛的应用前景，其能够有效的处理生物基废弃物，也能生产可再生能源与材料。但是目前制备的合成气品质较低。虽然目前通过添加吸附剂来捕集CO2，来提高合成气中氢气和CO浓度和热值。但吸附剂需要在不同的反应器和温度之间实现捕积和再生，以及对吸附后的CO2缺乏有效的回收利用方式，成为CO2强化吸附生物质气化难以大规模普及的障碍。本项目主要从双功能催化吸附剂的制备和应用来促进生物质气化技术的发展。比如用一种溶胶凝胶法一锅法合成双功能材料，该材料包含吸附剂和催化剂组分，从而允许在单个反应器中同时进行吸附剂再生和将CO2转化为CO。该过程不需要额外的温度来再生吸附剂。另外，将CeO2掺入双功能材料中能很大的提高该工艺材料的稳定性。比如发现Ca/Ni/Ce摩尔比为1:0.1:0.033的DFM在逆水煤气反应中显示出几乎100％的CO选择性和51.8％的CO2转化率。同时研究也表明在镍表面上解离的CO2和氢可以直接形成CO，并将溢出的氢分别提供给附近的氧空位。经过20个完整的CO2捕获和转化循环后，Ce掺杂双功能材料表现出优异的稳定性，因为CeO2分散良好，可以充当物理屏障，有效地防止CaO晶体和NiO烧结和聚集。在生物质的热解/气化过程中，源自生物质热解的焦油被裂解成低分子产物，如CO，CO2，CH4和H2。与Ni/Al2O3催化剂相比，Ni/CaO在生物质热解催化过程中产生更好的制氢性能部分是由于Ca2对CO2的吸附。根据勒查特利尔(LeChatelier)的原理，CaO吸附可减少二氧化碳的排放，这有助于使烃类分解的平衡朝着氢气转移。值得注意的是，除了碳氢化合物的最大浓度外，其相应的温度也明显从5％Ni/Al2O3的475 oC降至20％Ni/CaO的415 oC。表明添加CaO吸附剂导致焦油裂解的最高温度降低。有人认为，由CaO形成CaCO3的放热反应可以提供热量来驱动吸热焦油裂解。Ni在CaO上的掺杂会降低C–O键的稳定性，特别是在Ni原子附近，这有利于CO2的吸附能力。这可能是当Ni含量从5wt％增加到20wt％Ni/CaO时检测到更多的氢和更少的碳沉积的原因。此外，在实验开始时，来自木材样品的相对较低温度的水分也可通过WGSR促进氢气产生。因此本项目的结果对生物质高校热转化应用有着较强的科学指导意义。