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        Fe-Mg-Co催化生物質(zhì)熱解實驗特性研究
        ——以煙桿熱解為例

        2022-02-21 12:48:36袁申富李劍鳳魯秋香
        關(guān)鍵詞:催化劑產(chǎn)量

        袁申富,李劍鳳,魯秋香

        (云南大學(xué) 化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院,自然資源藥物化學(xué)教育部重點實驗室,化學(xué)化工國家級實驗教學(xué)示范中心,云南 昆明 650091)

        隨著化石能源的日益短缺,尋找可再生能源成為人們迫在眉睫的問題.氫氣作為一種清潔、高熱值的能源受到國內(nèi)外的關(guān)注.在傳統(tǒng)上,生產(chǎn)氫氣的工藝包括煤制氫、天然氣制氫等,需要消耗化石能源,且化石能源產(chǎn)生的二氧化碳會帶來環(huán)境污染問題,因此很多專家開始研究可再生能源制氫的技術(shù).目前,新型的制氫技術(shù)包括電解水制氫、太陽能制氫、生物質(zhì)制氫等.由于生物質(zhì)制氫技術(shù)具有原料來源豐富、對環(huán)境友好等優(yōu)點,受到人們的青睞[1].

        生物質(zhì)是除化石燃料及其衍生物外的由光合作用而產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì),其包括植物秸稈、動物殘體、人畜糞便、生活垃圾以及工業(yè)有機(jī)廢物等[2].通過綠色植物的光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在生物體內(nèi),該能量稱為生物質(zhì)能.中國是農(nóng)業(yè)大國,生物質(zhì)資源儲量非常豐富,相當(dāng)于每年7億t 標(biāo)準(zhǔn)煤,其中,農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量約6 億t,其他農(nóng)業(yè)廢棄物約1.3 億t[3].因此合理開發(fā)生物質(zhì)資源對中國的能源保障十分有利.

        生物質(zhì)制氫技術(shù)包括生物質(zhì)熱解制氫、生物質(zhì)超臨界水制氫和生物質(zhì)熱解油重整制氫等方法.反應(yīng)條件為374~650 ℃、22.1~25 MPa 的超臨界水中,生物質(zhì)發(fā)生熱解產(chǎn)生富氫燃?xì)?,但由于該技術(shù)對設(shè)備的要求高,且生物質(zhì)反應(yīng)復(fù)雜,目前只停留在試驗階段.生物質(zhì)熱解制氫技術(shù)是在缺氧和高溫條件下,生物質(zhì)內(nèi)部的大分子裂解和分子鍵斷裂,小分子進(jìn)行重整后轉(zhuǎn)化為氣體、固體、液體產(chǎn)物[4].其中,有些研究者使用生物油進(jìn)行進(jìn)一步重整,得到富氫燃?xì)?,即為生物質(zhì)熱解油重整制氫技術(shù).生物質(zhì)熱解產(chǎn)物受多種因素的影響,包括生物質(zhì)原料、溫度、催化劑等.

        云南是煙草大省,煙桿的利用主要是堆在農(nóng)田里焚燒.這不僅造成資源浪費,且燃燒過程中產(chǎn)生二氧化碳污染大氣環(huán)境.我們以云南省廢棄煙桿為原料進(jìn)行催化熱解制備富氫燃料.

        在生物質(zhì)熱解過程中,氣體主要包括CO、CO2、H2和CH4等.陳應(yīng)泉等[5]的研究發(fā)現(xiàn),在250 ℃下,熱解氣主要為CO 和CO2,此時為半纖維素的熱解,因為半纖維素是由幾種不同類型的單糖構(gòu)成的異質(zhì)多聚體,所以CO 和CO2的生成可能是來自于糖單元連接鍵—糖苷鍵的斷裂,隨著溫度的升高,H2含量也在增加,可能與焦炭顆粒內(nèi)部大量苯環(huán)脫氫形成多環(huán)芳烴有關(guān).這與Li 等[6]的研究結(jié)果一致,較高的溫度有利于富氫氣體的生成.CH4的體積分?jǐn)?shù)隨著溫度的升高也緩慢增長,在低溫段CH4的形成與生物質(zhì)成分中的甲基支鏈脫氫化有關(guān),在高溫段,由于木質(zhì)素中芳香環(huán)烴基支鏈的斷裂導(dǎo)致了CH4的形成[7].

        目前有很多學(xué)者探究了催化劑對生物質(zhì)熱解的影響,李攀等[8]在HZSM-5 分子篩催化劑上使用浸漬法負(fù)載了Fe、Zr、Co 金屬對纖維素?zé)峤膺M(jìn)行分析,研究表明,催化劑的加入可以使氣相產(chǎn)率增加,CoHZSM-5 催化劑能使氣相產(chǎn)率增加最多.張壹豐等[9]通過實驗證明乙酸鎂可以促進(jìn)生成H2和CO2.Fe-Mg-Co 催化劑對煙桿熱解活性的影響研究較少.因此本文將探究溫度及Fe、Mg、Co 催化劑負(fù)載量對煙桿熱解氣體產(chǎn)物的影響,并找出最佳催化劑配比.

        1 實驗

        1.1 原料本實驗采用云南煙桿,其工業(yè)分析結(jié)果(w)為:水分3.22%,灰分4.54%,揮發(fā)分76.4%,固定碳15.84%.元素分析結(jié)果(w):C 41.07%,H 5.60%,O 40.0%,N 2.40%,S 0.049%.將煙桿粉粹過篩,選擇過0.441 mm(40 目)篩的煙桿粉碎物,在實驗開始前在80 ℃烘箱中烘干48 h.

        1.2 負(fù)載催化劑本實驗采用浸漬法負(fù)載催化劑,對于催化劑均使用硝酸鹽催化劑.按照比例稱取催化劑溶解后倒入已稱好的生物質(zhì)中,攪拌使其混合均勻,超聲波清洗機(jī)中(20 ℃)超聲處理60 min.超聲處理完成后放入溫度為80 ℃的水浴鍋中使水分揮發(fā),待水分揮發(fā)完成后在80 ℃的烘箱中烘干48 h 備用.

        1.3 實驗流程

        1.3.1 熱解實驗 本文采用0.441 mm 煙桿進(jìn)行熱解實驗,稱取一定質(zhì)量的煙桿后搭建反應(yīng)裝置,反應(yīng)裝置的搭建如圖1 所示,檢查其氣密性良好.由于溫度對煙桿熱解有一定的影響,因此本文在設(shè)置鐵甑反應(yīng)釜參數(shù)時,初始溫度設(shè)置為30 ℃,以10 ℃/min 的升溫速率分別達(dá)到終溫為400、500、600、700、750 ℃,并在該溫度下保溫1 h.產(chǎn)物進(jìn)入三頸瓶內(nèi),液體產(chǎn)物在冰塊以及冷凝水的作用下在三頸瓶中冷卻,氣體產(chǎn)物則進(jìn)入氣袋,剩余的半焦則在反應(yīng)器內(nèi).反應(yīng)結(jié)束后關(guān)閉氣袋,從氣袋處將反應(yīng)裝置拆卸,待反應(yīng)器冷卻至室溫后對各產(chǎn)物進(jìn)行處理.

        圖1 生物質(zhì)催化熱解固定床反應(yīng)器Fig.1 Fixed bed reactor for biomass catalytic pyrolysis

        1.3.2 產(chǎn)物處理(1)殘留物處理.反應(yīng)器內(nèi)的殘留物轉(zhuǎn)移至密封袋后測其質(zhì)量,并通過工業(yè)分析測得其灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù).

        (2)液體產(chǎn)物處理.三頸瓶內(nèi)含有水和焦油,將水和部分輕油轉(zhuǎn)移至離心管內(nèi),并加入一定的正己烷通過超聲和離心使輕油與水分離,由此可得到產(chǎn)物水的質(zhì)量.由于反應(yīng)器出口管未加保溫措施,因此部分焦油在出口管處冷卻.使用四氫呋喃將出口管、冷凝管以及三頸瓶內(nèi)的焦油溶解并轉(zhuǎn)移至旋蒸瓶內(nèi),并通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀回收四氫呋喃得到輕油和重油.待四氫呋喃蒸發(fā)完后,在旋蒸瓶內(nèi)加入正己烷,并使用超聲機(jī)使重油和輕油分離.通過差減法可以得到熱解產(chǎn)物重油和輕油的質(zhì)量.

        (3)氣體產(chǎn)物處理.對于氣體產(chǎn)物,本文使用FULI9790 氣相色譜儀測定其體積分?jǐn)?shù).該氣相色譜儀含有TCD 和FID 兩個檢測器,通過TCD 檢測器測定氣體中CO2、H2和CO 體積分?jǐn)?shù),通過FID檢測器測定烴類氣體的體積分?jǐn)?shù).由于采用外標(biāo)法進(jìn)行氣體體積分?jǐn)?shù)的計算,通過已知體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)氣體建立校正曲線,再測定氣體產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù).待得到氣體產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)后,使用排水法測定氣體總體積.

        1.4 數(shù)據(jù)處理煙桿熱解后的氣體組分為CO2、H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6.因氣相色譜不能直接測定H2的體積分?jǐn)?shù),因此使用差減法計算,如公式(1)所示.

        使用公式(2)對氣體組分產(chǎn)率進(jìn)行計算:

        式中:Yi—氣體組分體積產(chǎn)量,mL/g;

        Vgas—氣體體積,mL;

        φi—氣相色譜測得的氣體體積分?jǐn)?shù),%;

        mbio—煙桿質(zhì)量,g;

        wbio—煙桿灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù),%.

        使用公式(3)和(4)對氣體轉(zhuǎn)化率和生物質(zhì)熱解總轉(zhuǎn)化率進(jìn)行計算:

        式中:mchar—反應(yīng)器內(nèi)殘留物質(zhì)量,g;

        wchar—反應(yīng)器內(nèi)殘留物灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù),%.

        2 結(jié)果與討論

        2.1 溫度對煙桿熱解氣體產(chǎn)物的影響煙桿在不同溫度下熱解產(chǎn)率如圖2 所示.氣體的產(chǎn)率隨著溫度的升高而逐漸上升,這是由于隨著溫度的升高,熱解反應(yīng)愈加劇烈,從而有更多的氣體產(chǎn)物產(chǎn)生,在高溫區(qū),隨著二次反應(yīng)的發(fā)生,產(chǎn)生了更多的氣體.熱解轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高逐漸上升,在700 ℃時達(dá)到峰值,為76.69%.

        圖2 溫度對熱解產(chǎn)物的影響Fig.2 Effect of temperature on pyrolysis products

        各氣體組分體積產(chǎn)量隨溫度的變化如圖3 所示,由于不同的氣體組分來源于不同官能團(tuán)的斷裂,CO 和CO2主要來源于纖維素和半纖維素中糖苷鍵的斷裂,半纖維素的糖醛酸側(cè)鏈在熱解過程中發(fā)生脫羧基反應(yīng)從而釋放出大量的CO2[10].隨著溫度的升高,發(fā)生二次反應(yīng),二次反應(yīng)的氣體產(chǎn)物主要為CO,因此CO 的含量增加.木質(zhì)素中的芳香環(huán)烴進(jìn)行縮合產(chǎn)生H2,同時木質(zhì)素中含有的甲氧基裂解產(chǎn)生CH4,因此隨著溫度的升高,H2和CH4的體積產(chǎn)量增加.

        圖3 不同溫度下各氣體組分體積產(chǎn)量Fig.3 The composition of gases at different temperature

        綜上所述,熱解溫度為700 ℃時,煙稈熱解的總轉(zhuǎn)化率最高,且氣體產(chǎn)率增加顯著,并考慮經(jīng)濟(jì)因素,選擇700 ℃的熱解溫度進(jìn)行進(jìn)一步的探究.

        2.2 Fe 催化劑對煙桿熱解氣體產(chǎn)物的影響由圖4(a)可以得出,隨著催化劑Fe 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,F(xiàn)e 改性催化劑的孔體積和平均孔徑有所增加[11],促使Fe 催化過程中釋放出更多的揮發(fā)性物質(zhì),導(dǎo)致氣體產(chǎn)率顯著提高.負(fù)載Fe 催化劑后,煙桿熱解的總轉(zhuǎn)化率相比于純生物質(zhì)有了一定的增加,并在催化劑Fe 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時達(dá)到最大值,為83.19%.圖4(b)可見,氫氣的體積產(chǎn)量比純生物質(zhì)熱解時有了較大的增加,這可能是催化劑Fe 促進(jìn)了水煤氣反應(yīng)C+H2O→CO+H2,生成了H2和CO.由于催化劑Fe 的前驅(qū)體為Fe(NO3)3,引入了硝酸根離子,其中氧離子與水煤氣產(chǎn)生的CO 發(fā)生反應(yīng)生成了CO2,導(dǎo)致CO2的體積產(chǎn)量顯著增加.CO 的體積產(chǎn)量在Fe 催化劑添加量為7%之后呈上升趨勢.相對于純煙桿熱解,CH4的體積產(chǎn)量有了一定的降低,這可能與大量的CO2與CH4發(fā)生重整反應(yīng)CH4+CO2→2CO+2H2有關(guān).在Fe 添加量為13%后,氫氣體積產(chǎn)量沒有較大的變化,結(jié)合總轉(zhuǎn)化率,選擇Fe添加量為w=15%進(jìn)行進(jìn)一步的探究.

        圖4 Fe 催化劑負(fù)載量對生物質(zhì)熱解產(chǎn)物的影響Fig.4 Effect of Fe catalyst loading on biomass pyrolysis products(a)yield and(b)gas composition

        2.3 Mg 催化劑對煙桿熱解氣體產(chǎn)物的影響由圖5(a)可見,負(fù)載Mg 催化劑后生物質(zhì)熱解轉(zhuǎn)化率增加,而氣體產(chǎn)率則有一定的降低.圖5(b)中,CO2的體積產(chǎn)量有了一定的增加,這可能是半纖維素聚糖結(jié)構(gòu)的解聚和單糖結(jié)構(gòu)的破裂,Mg2+能夠起促進(jìn)作用[12],而半纖維素的熱解主要產(chǎn)生CO2.氫氣體積產(chǎn)量有一定的增加,CH4體積產(chǎn)量基本不變.

        圖5 Mg 添加量對生物質(zhì)催化熱解產(chǎn)物的影響Fig.5 Effects of different Mg additions on biomass catalytic pyrolysis products(a)yield and(b)gas composition

        2.4 Fe-Mg 催化劑對煙桿熱解氣體產(chǎn)物的影響圖6(a)是15%Fe 基礎(chǔ)上添加不同負(fù)載量的Mg,從圖中可以發(fā)現(xiàn),添加了Mg 后,熱解轉(zhuǎn)化率下降,這可能是由于添加硝酸鎂后,Mg2+促進(jìn)了分解的揮發(fā)性物質(zhì)復(fù)合,使半焦在鎂存在下發(fā)生團(tuán)聚[13].Fe-Mg 兩種催化劑互相作用促進(jìn)了液相產(chǎn)物的分解,使氣體的產(chǎn)率有一定的增加.

        圖6(b)中,F(xiàn)e-Mg 復(fù)合催化劑體系產(chǎn)生的CO2體積產(chǎn)量比單一Fe 催化體系時低,氫氣的體積產(chǎn)量顯著增加,當(dāng)Mg 添加量為w=0.8%時,氫氣的體積產(chǎn)量最高,為113.48 mL/g,這可能是雙金屬催化劑進(jìn)一步促進(jìn)水煤氣反應(yīng)以及甲烷重整反應(yīng),使生成的H2體積產(chǎn)量增加,而CO2體積產(chǎn)量降低.且氫氣體積產(chǎn)量的增加也會抑制水氣變換反應(yīng)CO+H2O→H2+CO2,導(dǎo)致CO2體積產(chǎn)量減少.因此在Fe 催化劑中添加Mg 催化劑能促進(jìn)氫氣體積產(chǎn)量的增加,且最佳添加比為15%+0.8%Mg(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同).

        圖6 不同F(xiàn)e-Mg 添加量對催化熱解產(chǎn)物分布的影響(w (Fe)=15%)Fig.6 Effects of Fe-Mg additions on distribution of catalytic pyrolysis products(w (Fe)=15%)

        2.5 Fe-Mg-Co 催化劑對煙桿熱解氣體產(chǎn)物的影響由圖7(a)可知,煙桿催化熱解的轉(zhuǎn)化率隨著Co 添加量的增加而提高,最高為84.31%,氣體產(chǎn)率也隨著Co 添加量的增加而顯著提高.在圖7(b)中,CO2和CO 的體積產(chǎn)量均隨著Co 添加量的增加而增加.但是對于Fe-Mg 催化劑,在添加Co 后,氫氣體積產(chǎn)量降低,因此Co 的添加對于氫氣的生成不利.

        圖7 不同F(xiàn)e+Mg+Co 添加量對催化熱解產(chǎn)物分布的影響(w (Fe)=15%,w (Mg)=0.8%)Fig.7 Effects of Fe-Mg additions on the distribution of catalytic pyrolysis products(w (Fe)=15%,w (Mg)=0.8%)

        3 結(jié)論

        (1)本文首先探究了溫度對熱解過程的影響,由于溫度的升高可以促進(jìn)纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素的分解,因此隨著溫度的升高,氣體轉(zhuǎn)化率及總轉(zhuǎn)化率均升高,各氣體組分CO2、CO、H2、CH4的體積產(chǎn)量都呈上升趨勢.在700 ℃時,煙桿熱解的總轉(zhuǎn)化率最高,為76.69%.

        (2)通過探究金屬元素對煙桿氣體產(chǎn)物的影響,結(jié)果表明金屬催化劑可以提高煙桿催化熱解的總轉(zhuǎn)化率以及氣體轉(zhuǎn)化率,催化活性依次為:Fe-Mg-Co>Fe-Mg>Fe>Mg.

        (3)Fe 催化劑促進(jìn)了水煤氣反應(yīng),H2以及CO體積產(chǎn)量顯著增加,甲烷發(fā)生重整反應(yīng)使CH4體積產(chǎn)量降低.Mg 催化劑促進(jìn)半纖維素的裂解,使CO2體積產(chǎn)量增加.

        (4)Fe-Mg 復(fù)合催化劑促進(jìn)液相產(chǎn)物的分解,氣體產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率增加.提高水煤氣反應(yīng)及甲烷重整反應(yīng),H2體積產(chǎn)量增加,當(dāng)催化劑添加量為15%Fe+0.8%Mg 時,氫氣體積產(chǎn)量最高,達(dá)到113.48mL/g.

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