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        催化熱裂解工藝裂解氣急冷技術(shù)研究

        2024-12-23 00:00:00支世濤龐亞杰王文文
        現(xiàn)代鹽化工 2024年4期

        摘要:以熱帶農(nóng)林廢棄物為原料,反應(yīng)過(guò)程為發(fā)酵→催化→裂解,經(jīng)多重生物化學(xué)長(zhǎng)炭鏈和短炭鏈變化反應(yīng),經(jīng)相對(duì)低溫60 ℃發(fā)酵催化,進(jìn)入反應(yīng)釜經(jīng)160~340 ℃裂解蒸餾出單烷基脂溶液即生物質(zhì)液體燃料,繼而將裂解后產(chǎn)生的生物炭進(jìn)行化學(xué)活化,制備高性能材料。裂解氣急冷技術(shù)能夠抑制熱裂解反應(yīng)中的副反應(yīng),提高目標(biāo)產(chǎn)品的產(chǎn)率,并且能夠有效回收和利用廢熱,提高能源利用效率。這項(xiàng)研究為催化熱裂解工藝的優(yōu)化和工業(yè)應(yīng)用提供了重要的理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

        關(guān)鍵詞:催化裂解;熱裂解;熱帶農(nóng)林廢棄物

        隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)和化石燃料資源的日益枯竭,開(kāi)發(fā)利用可再生能源成了全球范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)[1]。生物質(zhì)作為一種可再生資源,具有豐富的碳水化合物和能量,被廣泛用于能源生產(chǎn)和化工領(lǐng)域[2]。催化熱裂解工藝是一種重要的生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù),將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高附加值的產(chǎn)品,如生物炭、生物油和合成氣等[3]。

        1實(shí)驗(yàn)部分

        1.1實(shí)驗(yàn)原料

        原料為熱帶農(nóng)林廢棄物,該廢棄物的密度為0.840 4 g/cm3,廢棄物主要為秸稈發(fā)酵渣(秸稈、榕樹(shù)葉、雜草植被)。

        該催化劑的化學(xué)組成為44.3%的Al2O3和49.9%的SiO2,比表面積為185 m2/g,微孔比表面積為114 m2/g。

        1.2實(shí)驗(yàn)儀器

        發(fā)酵罐、催化反應(yīng)器(CY-CR1000C-S型)、多功能蒸餾儀(YDL06)、掃描電子顯微鏡(TIMA3)、透射電子顯微鏡。

        1.3實(shí)驗(yàn)步驟

        1.3.1樣品前處理

        為了去除樣品中的灰塵等雜質(zhì),使用去離子水對(duì)樣品進(jìn)行充分沖洗。為了使樣品完全干燥,將樣品置于105 ℃的烘箱中,進(jìn)行過(guò)夜干燥。最后,為得到所需的顆粒大小,將樣品粉碎成60~80目的顆粒。

        1.3.2樣品發(fā)酵

        將樣品放入發(fā)酵罐中,添加合適的發(fā)酵菌種和發(fā)酵培養(yǎng)基在相對(duì)低溫(約60 ℃)條件下進(jìn)行發(fā)酵。

        1.3.3催化處理

        將發(fā)酵產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到催化反應(yīng)器中,添加合適的催化劑,如酸性催化劑,控制催化反應(yīng)溫度在160~340 ℃范圍內(nèi)。

        1.3.4裂解蒸餾

        將催化反應(yīng)產(chǎn)生的氣體和液體轉(zhuǎn)入裂解蒸餾設(shè)備,通過(guò)控制溫度和壓力,分離出目標(biāo)產(chǎn)物,即生物質(zhì)單烷基脂油。

        1.3.5化學(xué)活化

        將生物炭樣品進(jìn)行表面處理,如酸堿處理、活化劑浸漬等。

        2結(jié)果與討論

        2.1裂解反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)溫度的關(guān)系

        裂解反應(yīng)轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化見(jiàn)圖1。

        如圖1所示,在相同的反應(yīng)溫度下,催化劑的引入顯著提高裂解反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。在160 ℃的反應(yīng)溫度下,熱裂解的轉(zhuǎn)化率為15.32%,而催化裂解的轉(zhuǎn)化率為69.92%,表明催化劑的引入將反應(yīng)轉(zhuǎn)化率提高了近70%,相比于熱裂解,催化裂解具有更高的反應(yīng)效率。在160~340 ℃的溫度范圍內(nèi),隨著反應(yīng)溫度的升高,催化劑對(duì)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的貢獻(xiàn)逐漸減小,而熱裂解反應(yīng)的程度明顯提高。這是由于熱裂解反應(yīng)的活化能較高,所以對(duì)反應(yīng)溫度的升高更為敏感,而催化裂解反應(yīng)的活化能較低,因此對(duì)反應(yīng)溫度的變化不敏感[4]。

        2.2裂解產(chǎn)物分布

        催化裂解和熱裂解產(chǎn)物組成如表1及圖2、圖3所示。

        隨著反應(yīng)溫度的升高,催化裂解和熱裂解反應(yīng)的單烷基酮產(chǎn)率均明顯增加。同時(shí),催化劑的引入使單烷基酮產(chǎn)率增加了1.54%~6.01%。這是由于催化劑的酸性中心能夠吸附和活化單烷基醚分子,使其發(fā)生裂解反應(yīng),從而增加了單烷基酮的產(chǎn)率,催化裂解比熱裂解反應(yīng)的單烷基酮選擇性增加更快。這是由于在酸性催化劑的作用下,催化裂解反應(yīng)中的酸性中心能夠促進(jìn)單烷基醚組分的二次反應(yīng),將其轉(zhuǎn)化為單烷基酮。

        2.3裂解生物炭化學(xué)活化

        掃描電子顯微鏡(SEM)觀(guān)察結(jié)果顯示,活化后的生物炭表面呈現(xiàn)出更多的孔洞和微觀(guān)孔隙結(jié)構(gòu)。比表面積和孔隙體積的測(cè)定結(jié)果表明,活化后的生物炭具有更大的比表面積和孔隙體積,分別增加了30%和40%。在催化反應(yīng)中,活化后的生物炭表現(xiàn)出較高的催化活性和選擇性。催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果表明,活化后的生物炭具有較快的反應(yīng)速率和較低的活化能,表明其在催化反應(yīng)中具有較高的催化活性[5]。

        3結(jié)論

        通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析,深入探究了裂解氣急冷技術(shù)在催化熱裂解工藝中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,裂解氣急冷技術(shù)能夠顯著提高熱裂解反應(yīng)的選擇性和能源利用效率。未來(lái)將進(jìn)一步探討裂解氣急冷技術(shù)的優(yōu)化和工藝參數(shù)的調(diào)控,以進(jìn)一步提高催化熱裂解工藝的經(jīng)濟(jì)性和可行性。

        參考文獻(xiàn):

        [1]孫雷,胡睿,王杰.花生秸稈熱解揮發(fā)分在HZSM5負(fù)載Ga催化劑上的裂解特性[J].低碳化學(xué)與化工,2024,49(4):6370,89.

        [2]鐘少聰,史會(huì)兵,姜海英,等.珠磨重結(jié)晶制納米ZSM5及催化正庚烷裂解性能[J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝,2023(5):394404,422.

        [3]譚菲凡,朱麗雯,周成,等.微生物源甲硫氨酸γ裂解酶的研究進(jìn)展[J].微生物學(xué)報(bào),2022,62(2):421433.

        [4]KANEZA PASCAL,楊林青,孫付保,等.甘蔗渣在添加劑和輔助酶作用下的濃醪酶解糖化[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2019,45(17):16.

        [5]邱梅,李雪,徐建春,等.固體酸催化廢舊塑料裂解制燃油的研究[J].天然氣化工(C1化學(xué)與化工),2012,37(2):2831.

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