植物生物质催化热解转化轻质芳烃的定向控制研究

轻质芳烃（苯、甲苯、二甲苯和萘）95%来自煤化工和石油化工，用可再生的生物质资源制取轻质芳烃不仅是可再生能源的开发与利用过程，而且该过程可以较好地与传统的化石能源产业接轨，进而实现化石能源的部分替代，这对改善我国能源消费结构、提高环境友好都具有积极意义。本研究使用连续双颗粒流化床反应器，选用具有代表性的玉米秸秆和大豆秸秆等农业废弃物以及松木生物质，利用植物生物质挥发份多、热解温度低以及热解时易产生大量焦油的特点，对工业常用的Ni基和Co基催化剂以及HZSM-5沸石进行改性，深入研究生物质催化热解二次气相反应进程，控制催化剂的加氢活性，实现催化热解产物更多地向中间产物轻质芳烃的转化。采用SEM和BET等手段对催化剂的织构性质进行表征，揭示催化剂促进生物质常压中温下向轻质芳烃转化的特性，探讨反应机理，为植物生物质热化学转化的深入研究及应用提供理论基础和技术依据。

“植物生物质催化热解转化轻质芳烃的定向控制研究”项目已按申请书确定的研究内容和计划要求完成了研究工作，主要研究结果如下：①钾元素对生物质及其三组分热解的研究结果表明：K元素对生物质三组分热解特性的影响比较复杂，纤维素的最大热解失重速率随KCl添加量的增加而降低，但KCl对半纤维素和木质素热解特性的影响不显著。K元素的存在对生物质热解具有一定的催化作用。②金属盐对生物质热解的影响研究结果表明：CaCl2能抑制生物质热解过程中的缩合反应，促进热分解过程；MgCl2对纤维素的热解有一定的催化效果，使其最大热解失重速率及对应的热解温度降低，但对半纤维素的热解影响较小；KCl对生物质三组分的影响虽然很小，但对樟子松酸洗样品表现出较好的热解催化效果。③生物质催化热解定向控制产物研究结果表明：生物质在CoMo/Al2O3作用下，在863K时，HCL的收率可达到6.3wt%,daf，与非催化过程1173K下的HCL相比，收率提高了2倍，热解温度下降了310 K。CoMo-S/Al2O3催化加氢有利于BTXN的生成；NiMo/Al2O3催化剂在H2气氛下对CH4的选择性非常高，但在He气氛下，热解产物主要以合成气为主。MS-5A、MS-13X和HZSM-5分子筛的孔径大小可以控制产物分布，HZSM-5均一的孔径大小有助于HCG和HCL产物的生成，973 K时，HCL和HCG收率分别为3.44wt%,daf和14.98wt%,daf。稻壳生物质催化热解制过程中加入CO2吸附剂可以提高氢气产量。选择CaO作为CO2吸附剂，H2产量随着Ca/C的增加而增加，当Ca/C=1时，产氢量为302.48ml/g。④生物质催化转化动力学的研究结果表明：使用Kissinger微分法、FWO法和Popescu 法联合对热解数据进行分析，分别计算反应活化能E、指前因子A和最可几机理函数，其中Jander方程为纤维素、辐射松和稻壳的最可几机理函数，反Jander方程为半纤维素和木质素的最可几机理函数。⑤催化剂的改性研究结果表明：Zn改性后的催化剂由于自身的微孔结构，能够抑制产物分布的随意性，促使产物向目的产物BTXN转化。当Zn含量为2wt%时，BTXN最大收率可达到6.21wt%,daf，同时HCG收率达到了22.63wt%,daf。