生物质/塑料共催化热解过程中HZSM-5失活分析

利用管式炉热解装置进行HZSM-5在线共催化热解玉米秸秆/高密度聚乙烯过程中的循环和再生利用实验,对玉米秸秆进行酸洗预处理,考察原料酸洗预处理对HZSM-5催化性能的影响。采用GC-MS（气相色谱-质谱联用仪）对生物油的化学组成进行分析,并对反应前、反应后以及再生催化剂进行TG（热重分析）、ICP-MS（电感耦合等离子体发射光谱仪）、SEM/EDS（场发射扫描电镜）、BET、NH₃-TPD（程序升温脱附技术）等表征分析。研究表明,HZSM-5催化玉米秸秆/高密度聚乙烯热解的主要产物为芳烃,随着催化剂重复利用次数的增加,芳烃含量逐渐降低,催化剂的比表面积、孔容、酸性等也随之降低,说明催化剂的活性逐渐降低;原料经酸洗预处理后有利于热解中间体的生成,加速了催化剂的结焦失活速率;催化热解酸洗玉米秸秆/高密度聚乙烯的催化剂经焙烧再生后其活性基本恢复至原有水平,而催化热解未处理玉米秸秆/高密度聚乙烯的催化剂再生后其活性有所降低,碱/碱土金属在HZSM-5催化剂上发生累积,从而引起酸性位点“中毒”失活,而原料经酸洗预处理后可有效降低催化剂上碱/碱土金属的累积量,有利于延长催化剂的使用寿命。     

Zn 助剂对WC/HZSM-5催化正己烷芳构化性能影响

以WC/HZSM-5为前驱体制备了一系列不同Zn含量的Zn-WC/HZSM-5催化剂,采用X射线衍射、扫描电子显微镜、N₂物理吸附、傅里叶变换红外光谱和热重分析等手段对Zn-WC/HZSM-5的晶相、形貌、比表面积、酸性质、积炭量等进行了表征,并研究了正己烷芳构化的催化性能,探究了助剂Zn与WC在反应过程中的作用。结果表明,Zn的引入可以提高催化剂的芳烃选择性和芳烃收率。当Zn负载量为1.5%(质量分数)时,所制备的Zn-WC/HZSM-5催化剂芳构化活性最佳,芳烃收率达到36.18%。Zn的引入不仅改变了WC/HZSM-5表面的酸性分布,而且可以减少WC/HZSM-5催化剂的积炭量。     

纤维素快速热解反应气体的在线催化裂解

通过浸渍法制备MHZSM-5(M Fe,Zr,Co)催化剂,采用激光粒度分析仪、比表面积及孔径分析仪和X射线衍射仪(XRD)对催化剂的性质进行表征,并在立式两段加热炉上进行纤维素快速热解蒸汽的在线催化实验。对不同催化剂条件下的产物分布特性及生物油组成特性进行分析,结果表明,随着催化剂的引入,液相产率从52.06%最大下降至23.63%,气相产率从42.39%最大提高至70.84%,CoHZSM-5对于热解蒸汽的催化气化效果最为明显;纤维素快速热解生物油中以1,6-脱水-β-D-吡喃葡萄糖(左旋葡聚糖)为主,引入催化剂对纤维素热解蒸汽进行在线催化重整后,产物中芳烃类物质显著增加,以FeHZSM-5和ZrHZSM-5效果最佳;HZSM-5催化下生物油中左旋葡聚糖的含量提高至63.78%;催化后热解油中乙酸及丙酸含量均减少,但降低幅度有限。综合催化剂对产率及组分的影响效果来看,FeHZSM-5和ZrHZSM-5对纤维素快速热解蒸汽的催化调控作用较为显著。     

改性HZSM-5对甲醇制汽油反应性能的影响

对HZSM-5分子筛改性是提高甲醇制汽油反应催化性能的有效方式,分别用非金属、稀土金属及水热处理对HZSM-5分子筛催化剂进行改性,考察改性方法对HZSM-5分子筛酸性、孔径和比表面积等性质的影响,同时对改性HZSM-5分子筛催化剂催化甲醇制汽油的汽油收率和芳烃含量等指标进行比较。结果表明,经La改性的催化剂可明显提高汽油收率,水热处理的催化剂反应产物汽油中的均四甲苯含量大幅增加。改性催化剂对反应的影响可一定程度验证相关理论。     

HZSM-5/MCM-41对小球藻催化热解的影响

以HZSM-5/MCM-41为催化剂,在管式炉内对小球藻进行了催化热解研究。考察了HZSM-5/MCM-41复合催化剂中MCM-41的添加比例对小球藻热解产物影响,并采用GC-MS和元素分析对所制取生物油进行了表征。结果表明:与HZSM-5催化剂相比,90%HZSM-5与10%MCM-41混合后生物油中3,7,11,15-四甲基-2-十六烯的选择性最好。羧酸类和含氮物质分别降低12.85%、43.97%,脂肪烃和芳烃的质量分数之和达到50.34%,且不存在硬脂酰胺和油酸腈等物质。根据元素分析可知,10%的MCM-41的引入使生物油含氧量降低23.52%,O/C原子比明显降低,H/C原子比得到提高,热值达到32.995 MJ·k-1,且油品组成与生物柴油接近。热重实验表明,分子筛催化剂失活主要是由于积炭的产生,HZSM-5/MCM-41具有良好的稳定性。随着催化剂用量的增加,生物油热值增加,同时含水量也增多,HZSM-5/MCM-41与小球藻质量比例为1:5时,生物油产率最高。     

碱处理改性对Zn/HZSM-5分子筛催化剂性能的影响

以不同浓度的NaOH溶液对HZSM-5分子筛进行碱处理改性后所得多级孔ZSM-5分子筛作为活性组分制备甲醇制芳烃催化剂,采用XRD、SEM、NH3-TPD和N2吸-脱附等手段对催化剂进行了表征,分别考察了碱处理改性对分子筛催化剂骨架结构、酸性质、孔结构以及催化性能的影响.结果表明,通过合适浓度的NaOH碱溶液处理后,HZSM-5分子筛在保持微孔骨架结构的同时,可以调变其晶内介孔孔道结构分布以及酸性质.随着NaOH碱溶液浓度升高,HZSM-5分子筛的酸量、介孔孔容、介孔表面积都增加、孔容分布变宽,催化剂的活性和稳定性等催化性能得以改善.HZSM-5分子筛碱处理改性适宜的NaOH溶液浓度为0.4 mol/L,改性后的催化剂芳烃收率由25.07％增加到32.22％,使用寿命由8d增加到16d,但NaOH溶液浓度超过0.6 mol/L后会严重破坏HZSM-5分子筛骨架结构,催化活性下降较快.     

基于NPSC的Zn/HZSM-5在线催化提质生物油的研究

建立了低温等离子体协同催化体系,并在该体系下利用Zn/HZSM-5进行了在线催化提质生物油的研究,分析了三效(低温等离子体、HZSM-5本身和Zn改性成分)催化对生物油品质和Zn/HZSM-5结焦的影响规律。结果表明,精制生物油产率进一步降低,但理化特性得到提升,含氧量、pH值、运动黏度和高位热值分别达到16.45%、5.00、5.10 mm2·s-1和34.25 MJ·kg-1;低温等离子体放电的协同作用使Zn/HZSM-5的裂解脱氧性能得到增强,精制生物油中烃类含量和组成均有明显提升和改善,多环芳香烃明显减少,单环芳香烃占比显著升高;Zn/HZSM-5的抗结焦性能得到进一步增强,但反应物较低的有效氢碳比使精制生物油燃料品位和催化剂稳定性难以得到实质性提升。因此,需进一步从原料角度切入,提高催化提质过程中可有效转移利用的氢元素。     

基于PDEC的生物油在线提质工艺优化与机理研究1

构建了等离子体前置放电增强催化的反应系统,依托该系统开展了HZSM-5在线提质生物油的研究,采用响应面法分析了反应温度、催化剂填装高度和放电功率等对精制生物油产率的影响规律;并在最佳工艺下引入Ti/HZSM-5进行生物油提质,探讨催化反应机理。结果表明,各因素对产率影响显著,且相互之间存在交互作用;当反应温度为400℃,催化剂填装高度为20 mm,放电功率为30 W时,精制生物油产率达到18.1%,与预测值18.5%较为接近。采用Ti/HZSM-5催化时裂解脱氧性能明显增强,产率下降至16.0%,但烃类含量和组成得到明显提高和改善,多环芳香烃降至6.33%,C_(14)及以上的大分子烃类仅为2.81%。前置放电为后续催化反应提供了物料基础,且活性物质的冲击既增强了催化剂活性,又改变了反应物的吸附行为,而Ti离子与活性物质的相互作用促进了碳正离子反应的进行,并在"烃池"机理的作用下,形成以单环芳香烃为主的产物。     

催化剂结构与焦油模型化合物裂解行为的关联性

以Ni（NO₃）₂·6H₂O为镍源,分别以HZSM-5（Si/Al=25）、HZSM-5（Si/Al=50）、HZSM-5（Si/Al=200）、USY、Al₂O₃为载体制备了5种镍基催化剂,采用XRD、H₂-TPR、BET、NH₃-TPD等方法对其进行了表征,在固定床反应器中考察了上述催化剂对煤焦油模型化合物甲苯+芘的催化裂解性能。结果表明,相比惰性载体石英砂,在催化剂作用下,液相产物中轻质芳烃种类明显增多。3种Ni/HZSM-5催化剂的比表面积和平均孔径较为接近,然而酸性中心数量最多的Ni/HZSM-5（Si/Al=25）,对甲苯+芘的裂解能力最强,体现为液体产物收率最低（仅为15.95%）,气产率和析碳率均最高,分别达16.73%和67.32%。在酸性中心数量相近的Ni/HZSM-5（Si/Al=200）与Ni/Al₂O₃作用下,液体产物收率差别较小,但后者的芘裂解率比前者高41.47%,主要是由于后者的平均孔径比前者高1.64倍,说明平均孔径大有利于重质组分芘的裂解。综合考虑液体产物收率、气产率、析碳率和芘的裂解率,Ni/Al₂O₃更适合甲苯+芘裂解反应体系。     

NTP再生La改性多级孔HZSM-5及催化提质生物油的试验研究

以氧气为气源，利用低温等离子体（NTP）喷射系统，在不同温度下对结焦失活的La改性多级孔HZSM-5分子筛进行再生，采用TG、XRD、Py-IR及N₂吸附-脱附等测试技术对再生前后催化剂的理化性质进行表征，并利用再生催化剂进行在线催化提质生物油试验。结果表明，再生温度为250℃时，失活La改性多级孔HZSM-5分子筛再生效果最好，去除了97.4%的积炭，其表面结晶度、酸性、比表面积和孔容恢复程度最高。再生温度上升至300℃时，O₃分解较多，此时O₃分解已经成为积炭氧化分解的限制因素，排气中CO₂和CO浓度峰值减小，失活催化剂再生效果有所下降。再生温度为250℃时，再生催化剂催化性能恢复最好，制得的生物油高位热值最大（36.48 MJ/kg），烃类含量最高（40.51%），其理化性质与新鲜催化剂制得的生物油理化性质最接近。     

小球藻热解油在Ni-Cu/ZrO2催化剂上的加氢脱氧

在小型固定床反应器中以Ni-Cu/ZrO₂为催化剂,对小球藻热解油进行催化加氢脱氧,以改善生物油性能。利用XRD、H₂-TPR、TG、NH₃-TPD等技术对催化剂进行了结构表征。结果表明,Cu的加入有效促进了Ni-Cu/ZrO₂催化剂活性相的表面分散,提高了该催化剂对小球藻热解油加氢脱氧反应的催化活性。在2 MPa、350 ℃反应条件下,随Cu/Ni的增大,Ni-Cu/ZrO₂的催化活性先升高后降低,Cu/Ni质量比为0.40时的催化性能最好,连续运行3 h后所得精制生物油脱氧率达82.0%。Ni-Cu/ZrO₂催化剂在反应过程中,表面结焦少,活性粒子及催化剂性能稳定,连续运行24 h后所得精制生物油脱氧率依然维持在77.0%以上。小球藻热解油经催化加氢脱氧所得的精制生物油,低位热值由31.5 MJ·kg^-1提高至35.0 MJ·kg^-1,40℃运动黏度由20.5 mm²·s^-1降至9.5 mm²·s^-1,且油品中水分更易于脱除。精制生物油中高级脂肪酸的含量减少,油品稳定性大幅提高。     

NTP再生La改性多级孔HZSM-5及催化提质生物油的试验研究

以氧气为气源,利用低温等离子体(NTP)喷射系统,在不同温度下对结焦失活的La改性多级孔HZSM-5分子筛进行再生,采用TG、XRD、Py-IR及N_2吸附-脱附等测试技术对再生前后催化剂的理化性质进行表征,并利用再生催化剂进行在线催化提质生物油试验。结果表明,再生温度为250℃时,失活La改性多级孔HZSM-5分子筛再生效果最好,去除了97.4%的积炭,其表面结晶度、酸性、比表面积和孔容恢复程度最高。再生温度上升至300℃时,O_3分解较多,此时O_3分解已经成为积炭氧化分解的限制因素,排气中CO_2和CO浓度峰值减小,失活催化剂再生效果有所下降。再生温度为250℃时,再生催化剂催化性能恢复最好,制得的生物油高位热值最大(36.48 MJ/kg),烃类含量最高(40.51%),其理化性质与新鲜催化剂制得的生物油理化性质最接近。     

轻汽油催化裂解生产丙烯催化剂的研究

采用HZSM-5和改性的HZSM-5催化剂,以抚顺石油二厂初馏点~75℃的催化裂化轻汽油馏分为原料,在实验室连续固定床反应装置上进行了催化裂化轻汽油的催化裂解反应,考察了反应条件对催化裂化轻汽油裂解及芳构化反应的影响和A l2O3作为催化剂的载体对HZSM-5催化剂上催化裂解产品分部的影响,并且考察了载镧HZSM-5催化剂上主要产品分布的影响。研究结果表明,在载镧量5%左右的催化剂上,丙烯产率比改性前下降5%、芳烃产率下降15%;当催化剂中载体组分为30%时,丙烯产率最高为38.26%,芳烃产率为26.26%,同不使用载体相比,芳烃产率下降了5.1%。     

多级孔HZSM-5分子筛催化快速热解生物质制芳烃

采用酸和/或碱处理法制备了一系列多级孔HZSM-5分子筛,采用XRD、N₂吸附、XRF、TEM、²⁷Al MAS NMR和NH₃-TPD等表征手段对其孔道结构和酸性进行表征。表征结果表明,采用碱处理方法,可获得孔径集中于3~6 nm的介孔结构,通过改变酸、碱处理次序,可调变酸中心数量和强酸/总酸中心比例。在Py-GC/MS装置上,以纤维素和水稻秸秆为原料,研究多级孔分子筛结构对催化快速热解（CFP）制芳烃反应的影响。反应评价结果表明,同商品级HZSM-5相比,采用先碱后酸处理获得的多级孔HZSM-5分子筛（HZ-OH/H）,可将纤维素CFP芳烃碳产率由32.3%提高至43.6%,可将水稻秸秆CFP芳烃碳产率由23.0%提高至30.8%。多级孔HZ-OH/H分子筛的孔道结构和酸中心分布特征,对开发应用于生物质制芳烃的高效工业催化剂具有借鉴意义。     

金属改性多级孔HZSM-5分子筛催化甲醇制芳烃反应研究

采用双模板剂水热合成的HZSM-5分子筛为纳米多级孔分子筛,用超声的方法将金属M1和M2负载在分子筛上,负载后的催化剂催化甲醇制芳烃MTA反应,并对合成的HZSM-5分子筛和金属负载后的HZSM-5进行了XRD、TEN、BET、NH_3-TPD表征分析。研究表明:采用上述方法合成的催化剂催化MTA反应,在反应温度400℃,反应压力0.5 MPa,反应空速1.0h~(-1),产物中芳烃的选择性提高了16.8%。催化剂表征分析表明:采用双金属同时负载ZSM-5分子筛催化剂,金属粒子均匀分散在HZSM-5分子筛表面,分子筛双金属同时负载时,部分弱酸以及强酸性位都会向中强酸性位转变,催化剂的稳定性大大地提高了。     

加氢裂化尾油非临氢降凝催化剂研究

以辽化加氢裂化尾油为原料,在常压非临氢条件下评价了HZSM-5/Al2O3和HM/Al2O3催化剂的降凝效果。考察了反应温度、催化剂使用时间和空速对白油收率、凝点和闪点的影响。通过对催化剂的比表面积、孔径分布和酸中心分布进行表征,发现催化剂的这些理化性质与催化剂的催化性能有着密切的关系。实验结果表明,在常压非临氢条件下,HZSM-5分子筛催化剂比丝光沸石分子筛有更好催化降凝效果和催化稳定性。     

锯末快速热解气的在线催化裂解

采用Py-GC/MS装置对锯末进行快速热解并对热解气进行在线检测,研究了HZSM-5分子筛和SBA-15介孔催化剂对热解气进行在线催化裂解的效果。结果表明,热解气经HZSM-5催化裂解后,乙酸、羟基乙醛、呋喃类以及酚类物质的产率都大幅降低,同时形成了大量的芳香烃产物,主要是甲苯和二甲苯;而热解气经SBA-15催化裂解后,乙酸产率降低、羟基乙醛产率稍有降低、呋喃类和酚类物质的产率增加,只检测到了极少的烃类产物。由此可知,这两种催化剂对热解气有着不同的催化裂解效果：HZSM-5具有较好的催化脱氧功效;而SBA-15则基本不具有催化脱氧形成烃类产物的能力,但其介孔结构能够允许生物质裂解过程中形成的分子较大的低聚物进入其中并发生二次裂解,从而形成小分子产物。     

小球藻热解油在Ni-Cu/ZrO_2催化剂上的加氢脱氧

在小型固定床反应器中以Ni-Cu/ZrO2为催化剂,对小球藻热解油进行催化加氢脱氧,以改善生物油性能。利用XRD、H2-TPR、TG、NH3-TPD等技术对催化剂进行了结构表征。结果表明,Cu的加入有效促进了Ni-Cu/ZrO2催化剂活性相的表面分散,提高了该催化剂对小球藻热解油加氢脱氧反应的催化活性。在2 MPa、350℃反应条件下,随Cu/Ni的增大,Ni-Cu/ZrO2的催化活性先升高后降低,Cu/Ni质量比为0.40时的催化性能最好,连续运行3 h后所得精制生物油脱氧率达82.0%。Ni-Cu/ZrO2催化剂在反应过程中,表面结焦少,活性粒子及催化剂性能稳定,连续运行24 h后所得精制生物油脱氧率依然维持在77.0%以上。小球藻热解油经催化加氢脱氧所得的精制生物油,低位热值由31.5 MJ·kg-1提高至35.0 MJ·kg-1,40℃运动黏度由20.5 mm2·s-1降至9.5 mm2·s-1,且油品中水分更易于脱除。精制生物油中高级脂肪酸的含量减少,油品稳定性大幅提高。     

纳米HZSM-5分子筛催化剂制备及其在乙酸丁醇酯化反应中的应用

以四丙基氢氧化铵为模板剂,碱性有机生物分子L-Lysine为添加剂,水热合成系列不同硅铝物质的量比的纳米HZSM-5分子筛,结合XRD、SEM、Py-FTIR和N2吸附-脱附技术,探讨分子筛结构形态、酸性与其在乙酸和丁醇酯化反应中的催化性能关系。结果表明,纳米HZSM-5分子筛催化剂的酸性位与比表面积、孔径和孔容等结构形态间存在协同作用,共同决定最终的催化效果;在反应温度125℃、乙酸用量0.125 mol、醇酸物质的量比2∶1、带水剂苯用量为10 m L、催化剂用量0.4 g和反应时间4.5 h条件下,乙酸转化率93.65%,乙酸丁酯选择性大于97%。催化剂重复使用6次,乙酸转化率仍大于90%,重复使用性能较好。     

ZSM-5分子筛对生物质热解特性影响

人类在面临能源短缺问题的同时面临着能源开发所引起的环境问题。而生物质作为一种具有强大的清洁性,可再生性的优势,得到了许多国内外研究者的重视。其中：利用气化、热解、和直接液化将生物质能转变为能源较为普遍。本实验通过TG-MS/FTIR和PY-GC/MS对催化共热解（CCP）中玉米秸秆衍生含氧化合物与HDPE衍生烯烃的相互反应和芳烃形成的影响机制进行研究,研究发现：玉米秸秆与HDPE在HZSM-5上的催化共热解,明显改善了产物分布：加入Cu改性的HZSM-5催化剂后,烷烃、烯烃的产率下降,芳香烃的产率提高,说明Cu改性过的催化剂使烷烃进一步向芳香烃和轻质芳烃转化。