生物质气化产物洁净催化燃烧研究

生物质气化产物作为替代燃料用于燃气轮机发电及联合循环（B/IGCC），对于生物质能源的高效大规模利用和有效降低CO2排放具有十分重要的意义。本项目以生物质气化产物的高温催化燃烧机理和低NOx生成控制为研究目标。研究不同催化剂的类型及载体结构对燃烧过程的影响，对催化剂进行体系性能分析和优化，提出具有低温催化活性和高温热稳定性的催化剂体系；通过催化燃烧试验，揭示不同气体组分在催化燃烧过程的物理化学机理及其影响机制；通过对NH3-N2选择性氧化反应机理及促进NOx还原反应机制的研究，优化催化剂结构，改善催化燃烧工况，实现降低NH3的氧化反应程度和提高NOx还原率的目的。在上述研究的基础上，建立生物质气化产物气相催化燃烧反应反应动力学模型，优化生物质气化产物高效洁净催化燃烧过程，为催化燃烧反应器的开发与应用提供理论依据。

为实现生物质气化低热值气体燃料洁净催化燃烧机理和低NOx排放的研究目标，本项目提出并制备了贵金属负载Al2O3型和六铝酸盐LaMeAl11O19型及贵金属负载LaMeAl11O19型催化剂，对催化剂晶相结构、孔径分布、比表面积、催化剂表面元素价态进行了分析表征，通过模拟气化气燃烧实验进行不同结构催化剂的性能评价与改性，研究不同气体成分在催化剂表面的吸附/反应特性，揭示了不同气体组分在催化燃烧过程中的化学反应机理与影响机制，同时结合DRIFT实验结果探讨NH3-N2转化的机理及促进NOX还原反应的途径,结果发现在催化剂作用下NH3的转化遵循-NH反应机理，即催化剂表面吸附的NH3分解产生-NH，-NH与氧原子反应生成HNO，在进一步反应生成N2或N2O,或是-NH直接与氧分子反应生成NO。研究在催化剂作用下模拟气中通入H2S对可燃性成分催化燃烧的影响以及探究S中毒失活机理，结合失活样的XPS、SEM、FTIR表征结果分析探寻催化剂硫中毒的机理及中毒后可逆性，提出抗中毒性和活性优良的催化剂体系。结果表明Pd和Pt在抗硫中毒性上是不同的，推测Pd/Pt 双金属负载型催化剂可以成为一个很好的抗中毒催化剂应用在低热值气体催化燃烧领域, 催化剂失活后有一定的再生性，催硫中毒主要通过生成的硫酸盐在表面沉积进而覆盖活性位，导致活性位转变成钝性的表面硫酸盐，导致催化活性下降。最后建立生物质气化产物气相催化燃烧的相关反应动力学模型，在此我们采用基于密度泛函理论(DFT)的Dmol3模块，系统的研究了CO，H2，CH4三种气体在γ-Al2O3和Pd/γ-Al2O3催化剂表面各位置的吸附情况，结果发现分析Pd/γ-Al2O3中Pd原子取代八面体和四面体Al原子后催化效果差异很大，说明负载型催化剂的取代位置对催化效果有影响。总结以上结果为催化燃烧反应器的开发与利用提供理论依据。