生物质原位半焦催化裂解焦油反应过程机理研究

Tar is one of the major issues to be solved when implementing biomass pyrolysis transformation. Although current researches verified that biomass char can achieve catalytic cracking of tar technologically, the underlying principle of the reactions is not clear yet. In this project, the study will begin from the evolution law of the structure and functional groups of the biomass char during biomass pyrolysis process. The basic method of catalytic cracking of tar using in-situ biomass char will be developed, and the essence of the interactive reaction process of functional groups between in-situ char and tar will be analyzed. The evaluation standard of catalytic property of biomass char will be established in association with the mode of occurrence of functional groups. In addition, the various levels of reactions will be studied during tar catalytic cracking by in-situ hot char. The effective law of mixture gas flow structure, temperature distribution, mass and heat transfer and other parameters on tar cracking and reforming will be studied. Furthermore, the molecular dynamics model of tar catalytic conversion by in-situ hot char will be established to study the mass and energy conversion during the interaction between biomass tar and char, and the elementary reactions of tar cracking will be analyzed by the model to reveal the basic law of tar molecule cracking. The research of this project is very important in revealing the basic law in the conversion of the main functional groups and chemical bonding during tar cracking. The research results will provide a new way for the solution of tar issue in biomass pyrolysis process.

焦油问题是生物质热解转化过程中的重要难题，目前尽管从工艺上证实了生物质半焦能够实现焦油的催化裂解，但二者反应过程的本质作用原理尚不清晰。基于此，本课题从生物质热解过程半焦结构特性和表面官能团演变规律出发，提出生物质原位半焦催化裂解焦油的基本方法，分析原位半焦与焦油反应过程主要官能团断裂变化规律，结合半焦表面官能团赋存方式建立原位半焦催化活性评估方法。同时，研究原位半焦催化裂解焦油过程各级反应形式，分析半焦表面反应气混合流场结构、温度场分布、传质和传热过程等对焦油裂解和重整反应的影响规律。在此基础上，建立原位半焦催化裂解焦油分子动力学模型，模拟半焦与焦油分子交互作用过程主要物质和能量变化，解析焦油裂解过程主要基元反应。本课题的研究对于揭示焦油分子裂解转化过程中主要官能团和化学键的转化基本规律具有重要意义，为生物质热解转化过程中焦油问题解决提供新的思路。

焦油问题是生物质热解转化过程中的重要难题，其产生不仅降低了生物质资源的利用率，还对生产设备及周围环境造成污染和损害。.基于此，本项目提出了采用生物质原位半焦催化裂解焦油制备小分子气体，并开展了以下研究内容：（1）对生物质热解过程焦油和气体产物析出特性进行了研究，证实了辅加金属元素能够影响生物质热解特性；同时采用微型流化床等温快速反应实验装置，从产物生成特性和动力学参数的角度解析了生物质热解规律。（2）针对典型焦油模化物，实验研究了焦油高温裂解和催化裂解动力学特性，分析了催化作用下焦油分子的裂解转化基本路径，从活化能的角度阐述了催化作用对焦油裂解的影响。（3）设计了单层固定床热解试验系统，研究了生物质在金属元素影响下热解产物生成特性，并对焦油组分和半焦结构进行了表征分析，证实了生物质热解与金属元素演变过程存在交互作用，对生物质热解和半焦表面结构形成具有显著影响。（4）设计了两段式原位半焦催化裂解试验台，对焦油催化转化规律进行了研究，根据焦油裂解特性分析了生物质半焦表面活性位点的分布特性及制备过程的影响，获得了催化裂解过程半焦表面结构和官能团的演变过程，归纳总结了原位半焦催化裂解焦油规律并推测了基本反应机理，证实了通过对生物质自身所含的无机金属元素的主动强化，可以定向改变焦油裂解转化途径并提高效率。（5）在实验研究基础上，对半焦催化裂解焦油进行了分子动力学模拟，研究了生物质原位半焦表面焦油分子的吸附和裂解转化过程，解析了焦油裂解转化的基本路径，发现半焦表面金属活性位点能够实现对焦油分子的有效吸附，并能够降低焦油分子化合建断裂所需的能量。.项目完成了预期指标，相关成果为生物质热解或气化过程依托半焦实现焦油的催化转化提供了理论支撑，在生物质热化学制备清洁燃气领域具有一定的使用价值。