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        Fe2O3/Al2O3催化生物質(zhì)裂解耦合稠油改質(zhì)過程研究

        2022-04-08 07:08:24唐曉東秦光富李晶晶
        石油煉制與化工 2022年4期
        關(guān)鍵詞:催化劑

        何 斌,唐曉東,2,秦光富,李晶晶

        (1.西南石油大學化學化工學院,成都 610500;2.西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室)

        稠油大分子以稠環(huán)芳烴為基本結(jié)構(gòu)單元[1-2],分子間同時存在著酸堿作用、氫鍵作用、配位作用、π-π作用等多種作用力[3-5],致使稠油黏度高、流動性差。因此,為便于開采、集輸和處理,亟需對稠油進行改質(zhì)。由于常規(guī)稠油改質(zhì)過程存在結(jié)焦嚴重、能耗高等問題,供氫改質(zhì)成為更有效的改質(zhì)手段。供氫劑是影響稠油改質(zhì)效果的主要因素之一,傳統(tǒng)供氫劑主要包括水[6]、氫氣、四氫萘[7]等。使用傳統(tǒng)供氫劑時,改質(zhì)過程中易出現(xiàn)相間傳質(zhì)不充分、運行成本高等問題,因此有學者提出以生物質(zhì)裂解的揮發(fā)性產(chǎn)物為供氫劑,進行稠油供氫改質(zhì)[8-10]。

        作為可再生碳源,全球生物質(zhì)能超過2 Gt標準煤(1 kg標準煤的熱值為29.27 MJ)[11-12],可滿足人類社會未來發(fā)展的需要[13-15]。同時,生物質(zhì)油中含有大量脂肪烴、醇等物質(zhì)[16-17],可為稠油改質(zhì)提供活性氫。本課題組前期工作[18-20]采用木屑生物質(zhì)輔助稠油改質(zhì),大幅降低了稠油的黏度,提高了稠油中輕組分的含量。生物質(zhì)裂解和稠油改質(zhì)過程都需要高效催化劑,目前研究較多的催化劑主要有水/油溶性金屬鹽[19-21]、納米催化劑[22-23]和固體酸催化劑[24-25]。其中,固體酸催化劑具有豐富的酸中心,可以催化稠油異構(gòu)化、烷基化、芳構(gòu)化及加氫脫氧(HDO)等反應(yīng);而Al2O3是最常用的酸性載體或催化劑,負載金屬活性組分后被廣泛用于生物質(zhì)裂解[26]和稠油改質(zhì)[27-31]。

        本研究以Fe2O3/Al2O3為催化劑,探究生物質(zhì)裂解與稠油催化改質(zhì)耦合的可能性,考察催化劑對生物質(zhì)裂解耦合稠油改質(zhì)效果的影響;進而分析催化劑上Fe負載量對生物油產(chǎn)率、組成及改質(zhì)油性質(zhì)的影響,探討生物質(zhì)裂解耦合稠油改質(zhì)過程的機理,為生物質(zhì)在稠油改質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

        1 實 驗

        1.1 材 料

        生物質(zhì)分別選用市售微晶纖維素和廢紙屑,原料油為渤海稠油。生物質(zhì)及原料油的性質(zhì)分別如表1和表2所示。Al2O3、九水硝酸鐵,均為分析純,成都科龍試劑公司產(chǎn)品。

        表1 生物質(zhì)的基本性質(zhì)

        表2 原料油基本性質(zhì)

        1.2 催化劑制備

        采用浸漬法制備Fe質(zhì)量分數(shù)為1%~9%的Fe2O3/Al2O3催化劑。將Al2O3載體在500 ℃下焙燒2 h,去除水分;待Al2O3冷卻至室溫后浸入50 mL硝酸鐵溶液(溶液濃度根據(jù)Fe元素負載量變化),浸漬3 h。最后,在105 ℃下攪拌干燥,保證負載均勻。在500 ℃下焙燒3 h,得到Fe2O3/Al2O3催化劑。按照元素Fe負載量(w)的不同,將制備的催化劑記為x%Fe2O3/Al2O3催化劑,x為1,3,5,7,9。

        1.3 耦合改質(zhì)、生物質(zhì)裂解過程

        生物質(zhì)裂解耦合稠油改質(zhì)過程在高溫高壓反應(yīng)釜中進行。在反應(yīng)釜中加入80 g渤海稠油、以稠油質(zhì)量計質(zhì)量分數(shù)為1%~5%的生物質(zhì)和質(zhì)量分數(shù)為0.4%的Fe2O3/Al2O3催化劑,用氮氣吹掃3次,排出反應(yīng)釜內(nèi)的氧氣。然后,在500 r/min的攪拌速率下,以4 ℃/min速率升溫至350 ℃,反應(yīng)30 min[32];反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻至80 ℃,取出改質(zhì)油進行后續(xù)分析。

        以正庚烷為溶劑,分別進行纖維素和廢紙屑裂解。其中,正庚烷的體積為100 mL,生物質(zhì)的質(zhì)量為2 g,以正庚烷質(zhì)量計Fe2O3/Al2O3的質(zhì)量分數(shù)為0.4%。裂解過程的反應(yīng)條件與上述耦合改質(zhì)過程的反應(yīng)條件相同,反應(yīng)結(jié)束后,過濾分離裂解生物質(zhì)油與殘渣。用丙酮洗滌生物質(zhì)殘渣中殘留生物質(zhì)油,并通過蒸餾除生物質(zhì)油中的丙酮。生物質(zhì)油、生物炭及氣體產(chǎn)物的產(chǎn)率由式(1)~式(3)計算。

        (1)

        (2)

        Ygas=1-Yoil-Ybc

        (3)

        式中:Yoil為生物質(zhì)油的產(chǎn)率,%;moil為裂解產(chǎn)物中生物質(zhì)油的質(zhì)量,g;mb為反應(yīng)物生物質(zhì)的質(zhì)量,g;Ybc為生物炭的產(chǎn)率,%;mbc為產(chǎn)物中生物炭的質(zhì)量,g;Ygas為氣體產(chǎn)物的產(chǎn)率,%。

        1.4 分析表征方法

        按照GB/T 28731—2012標準方法和文獻[33],對廢紙屑進行工業(yè)分析及三組分分析。按照NB/SH/T 0509—2010標準方法,對稠油的族組成進行分析。利用德國Elementa公司制造的VarioEL cube型元素分析儀分析纖維素和廢紙屑的元素組成。

        利用荷蘭PANalytical公司制造的Empyrean型X射線衍射(XRD)儀對催化劑的晶體結(jié)構(gòu)進行表征,管電壓40 kV,管電流40 mA,2θ掃描范圍5°~80°,掃描速率為5(°)/min,參考JCPDS卡片鑒定催化劑晶相。利用美國麥克公司制造的Auto ChemⅡ2920型全自動程序升溫化學吸附儀通過NH3程序升溫脫附(NH3-TPD)方法表征催化劑的酸性。利用德國ZEISS公司制造的SEM EVO MA15型掃描電子顯微鏡分析催化劑的微觀結(jié)構(gòu),并用配套X射線能譜儀(EDS)表征催化劑表面的元素分布。

        利用北京瑞利分析儀器有限公司制造的WQF-520紅外光譜儀表征稠油分子中的官能團;利用美國Agilent公司制造的 7890A-5975C型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對生物油的組成成分進行分析鑒定。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 催化劑表征

        2.1.1XRD表征

        不同F(xiàn)e負載量的Fe2O3/Al2O3催化劑的晶體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知,負載Fe2O3對Al2O3載體的晶體結(jié)構(gòu)沒有明顯影響。隨著Fe2O3負載量的增大,2θ為65°~68°處Al2O3的特征峰強度逐漸減小,而在2θ為32°~34°處Fe2O3的特征峰強度明顯增大,這是由于負載的Fe2O3在載體表面富集,載體Al2O3的晶面被覆蓋。當Fe質(zhì)量分數(shù)達到5%時,F(xiàn)e2O3在Al2O3表面開始發(fā)生聚集。總體來說,催化劑載體結(jié)構(gòu)保存完整,F(xiàn)e2O3物種在載體上分散較均勻。

        圖1 不同F(xiàn)e負載量Fe2O3/Al2O3催化劑的XRD圖譜

        2.1.2SEM和EDS表征

        為了進一步觀察Fe2O3的負載情況,用SEM觀察Al2O3載體和5%Fe2O3/Al2O3催化劑的微觀形貌,結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)可知,Al2O3載體表面較光滑,負載Fe2O3后,催化劑整體結(jié)構(gòu)無明顯變化,表面出現(xiàn)大量Fe2O3顆粒,其粒徑為20~40 nm。由圖2(c)可知,F(xiàn)e2O3在Al2O3載體表面分散均勻。

        圖2 Al2O3載體、催化劑的SEM照片及催化劑表面的Fe元素的EDS照片

        2.1.3NH3-TPD分析

        催化劑酸中心對催化劑的催化活性有至關(guān)重要的影響,采用NH3-TPD表征負載Fe2O3前后催化劑的酸性變化,結(jié)果如表3和圖3所示。由表3可知:負載Fe2O3后催化劑總酸量略微下降,由606.58 μmol/g降至553.78 μmol/g;其中,弱酸、中強酸占比下降;強酸占比升高,說明負載Fe2O3有利于增加強酸的占比。由表3和圖3還可以看出,負載Fe2O3后,催化劑上弱酸位點的NH3脫附溫度升高,中強酸和強酸位點的NH3脫附溫度明顯降低,說明負載Fe2O3后催化劑弱酸酸性增強,中強酸和強酸的酸性減弱。

        表3 Al2O3載體和Fe2O3/Al2O3催化劑的酸分布

        圖3 Al2O3載體和Fe2O3/Al2O3催化劑的NH3-TPD曲線 —弱酸位點; —中強酸位點; —強酸位點; —TPD曲線

        2.2 生物質(zhì)催化裂解

        Fe2O3/Al2O3中元素Fe負載量對纖維素和廢紙屑裂解產(chǎn)物產(chǎn)率和生物質(zhì)油組成的影響分別如圖4和圖5所示。由圖4可以看出:隨著催化劑Fe負載量增大,生物質(zhì)油產(chǎn)率逐步提高;當Fe質(zhì)量分數(shù)為5%時,纖維素裂解生物質(zhì)油的產(chǎn)率為76.25%,廢紙屑裂解生物質(zhì)油的產(chǎn)率達到65.26%。當Fe負載量超過5%后,廢紙屑裂解生物質(zhì)油的產(chǎn)率增長不明顯,而纖維素裂解生物質(zhì)油的產(chǎn)率開始降低。由圖5可以看出,隨著Fe負載量的增大,纖維素裂解生物質(zhì)油和廢紙屑裂解生物質(zhì)油中的酮類和酸類化合物的占比降低,而烴類、芳香類及呋喃類化合物的占比升高,說明催化劑上鐵物種的量增多有助于生物質(zhì)脫氧、烷基化及芳構(gòu)化反應(yīng)的發(fā)生。

        2.3 生物質(zhì)耦合稠油催化改質(zhì)

        在生物質(zhì)裂解耦合稠油催化改質(zhì)過程中,生物質(zhì)的用量及催化劑的性能是影響耦合改質(zhì)效果的關(guān)鍵因素??疾焐镔|(zhì)用量及催化劑Fe元素負載量對改質(zhì)油黏度和降黏率的影響,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:當纖維素或廢紙屑的質(zhì)量分數(shù)為3%時,改質(zhì)后稠油的降黏率分別達到66%和55%,比稠油單獨熱裂解的降黏率(44%)有大幅提升;當生物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)超過3%時,改質(zhì)稠油的降黏率呈下降趨勢。這主要是因為,生物質(zhì)過多時,其裂解生成的焦炭對稠油改質(zhì)不利,且影響?zhàn)ざ鹊臏y定;而且,生物質(zhì)分子中氧元素的質(zhì)量分數(shù)超過50%,過多的引入生物質(zhì)會增大體系的含氧量,產(chǎn)生更多酸性物質(zhì),影響改質(zhì)油品質(zhì),對稠油改質(zhì)不利。因此,生物質(zhì)適宜的質(zhì)量分數(shù)為3%。

        由圖6還可以看出,當Fe質(zhì)量分數(shù)為5%時,稠油改質(zhì)效果最好。在5%Fe2O3/Al2O3催化劑作用下,纖維素耦合稠油和廢紙屑耦合稠油體系改質(zhì)稠油的降黏率分別達到74.14%和65.93%,產(chǎn)物中生物質(zhì)油產(chǎn)率較高,且醇類、芳香烴及脂肪烴等潛在供氫劑含量高,可為稠油提供良好的改質(zhì)條件。此外,與廢紙屑相比,纖維素降解耦合稠油改質(zhì)的效果更好,改質(zhì)稠油的降黏率更高。

        2.4 生物質(zhì)耦合稠油改質(zhì)機理

        2.4.1改質(zhì)稠油性質(zhì)分析

        鑒于纖維素耦合稠油改質(zhì)效果優(yōu)于廢紙屑,以下分析均以纖維素耦合稠油催化改質(zhì)為例。表4為改質(zhì)前后稠油的族組成(SARA)分析結(jié)果。由表4可知,稠油改質(zhì)后,飽和分、芳香分的含量明顯增多,膠質(zhì)含量大幅降低。這說明在Fe2O3/Al2O3催化劑和纖維素共同作用下,稠油重組分發(fā)生了不同程度的裂解,稠油輕質(zhì)化明顯。同時,因部分稠油在高溫下發(fā)生縮合結(jié)焦,催化改質(zhì)后稠油中瀝青質(zhì)的含量稍微增加。

        表4 改質(zhì)前后稠油的族組成 w,%

        采用傅里葉變換紅外光譜表征改質(zhì)前后稠油分子官能團的變化,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:波數(shù)為2 800~2 950 cm-1處的吸收峰是甲基和亞甲基的特征峰,熱解后稠油在該處的峰強度減弱,說明稠油熱解過程中發(fā)生了脫烷基反應(yīng);波數(shù)為750 cm-1處的吸收峰歸屬于C—S鍵的伸縮振動,熱解后該峰強度明顯減弱,說明熱解過程中有大量C—S鍵斷裂,這是稠油黏度降低的主要原因;波數(shù)為3 200~3 700 cm-1處的吸收峰歸屬于—OH的振動峰,該峰強度輕微增強,很可能是由于纖維素裂解過程中生成的醇類化合物增多。

        圖7 改質(zhì)前后稠油的紅外光譜 —稠油; —稠油單獨改質(zhì); —纖維素耦合稠油改質(zhì); —纖維素耦合稠油催化改質(zhì)

        2.4.2機理分析

        為了考察生物質(zhì)裂解油對稠油的稀釋效果,在80 g稠油中分別加入2 mL的纖維素生物質(zhì)油或廢紙屑生物質(zhì)油,在70 ℃下攪拌1 h后測定稀釋稠油50 ℃黏度。生物質(zhì)油對稠油的稀釋降黏效果如表5所示。由表5可知,纖維素生物質(zhì)油和廢紙屑生物質(zhì)油對稠油的降黏率分別為8.6%和7.2%,說明在耦合催化改質(zhì)過程中,生物質(zhì)裂解油對稠油的稀釋降黏作用較小,而起主要作用的是更多的生物質(zhì)和稠油耦合催化改質(zhì)過程中發(fā)生的化學作用。

        在耦合催化改質(zhì)反應(yīng)初期,生物質(zhì)在催化劑作用下轉(zhuǎn)化為醇類化合物、脂肪烴和芳香烴。脂肪烴和醇類化合物在催化劑表面會產(chǎn)生活性氫[34],從而捕獲稠油裂解產(chǎn)生的烴自由基碎片,抑制稠油分子縮合和鏈增長。本課題組之前的研究表明[32],在生物質(zhì)裂解耦合稠油催化改質(zhì)過程中,生物質(zhì)油催化裂解供氫的機理為裂解產(chǎn)物在催化劑表面發(fā)生了氧的儲存與釋放過程,如圖8所示。由于催化劑上Fe3+與Fe2+轉(zhuǎn)換的過程中,具備一定儲存和釋放氧的能力,使生物質(zhì)油中的脂肪烴和醇類化合物可以產(chǎn)生活性氫,同時稠油分子被氧化斷鏈而降黏[35]。在活性氫與Fe2O3的共同作用下,稠油分子中的C—C鍵和C—S鍵斷裂,發(fā)生深度裂解,產(chǎn)生輕質(zhì)組分。此外,芳烴產(chǎn)生活性氫的能力弱[36],無明顯的供氫效果,但其對體系中的自由基具有稀釋作用,降低體系中自由基的濃度而提高體系的芳香度,從而增強體系對瀝青質(zhì)的溶解性,對稠油降黏有一定的輔助作用。

        3 結(jié) 論

        (1)在制備的Fe2O3/Al2O3催化劑表面鐵元素分布均勻,當Fe質(zhì)量分數(shù)為5%時,負載Fe2O3顆粒的粒徑為20~40 nm,催化劑總酸量比載體有所降低,但其弱酸酸性增強,中強酸和強酸酸性減弱。

        (2)在Fe2O3/Al2O3催化劑質(zhì)量分數(shù)為0.4%、反應(yīng)溫度為350 ℃和反應(yīng)時間為30 min的條件下,隨著催化劑Fe負載量增大,生物質(zhì)油產(chǎn)率逐步提高,生物質(zhì)油中的酮類和酸類化合物的占比降低,而烴類、芳香類及呋喃類化合物的占比升高。當Fe質(zhì)量分數(shù)為5%時,纖維素、廢紙屑裂解生物質(zhì)油的產(chǎn)率分別為76.25%、65.26%。

        (3)在5%Fe2O3/Al2O3催化劑作用下,纖維素-稠油和廢紙屑-稠油兩種耦合體系,稠油改質(zhì)降黏率分別達到74.14%和65.93%。在生物質(zhì)裂解產(chǎn)生的活性氫和Fe2O3共同作用下,稠油發(fā)生深度裂解,分子中C—C鍵和C—S鍵斷裂,生成輕質(zhì)組分。

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