金属氧化物对油页岩热解产物收率及组成分布的影响

通过固定床反应器,对4种金属氧化物(Al_2O_3、MgO、CaO、Fe_2O_3)对油页岩热解所得油、气产率及成分的影响进行了研究。结果显示,碱性CaO对油、水、气、焦产率分布影响较为突出,可提高页岩油与半焦产率,并降低热解气产率;而酸性较强的Al_2O_3可同时提高页岩油、热解气和热解水的产率,有利于促进挥发分的析出;比较而言,MgO和Fe_2O_3的作用相对较弱。4种金属氧化物均可提高热解气中H_2、CH_4和C2的产率;CaO作用下CO_2含量降低,而其他金属氧化物对CO_2的产生有不同程度的促进作用;Fe_2O_3可促进H_2产生;Al_2O_3作用下CH_4含量有所增加。4种金属氧化物均可促进页岩油中芳香烃的产生,并且CaO和MgO两种碱土金属氧化物作用下,短链(C6~C12)烷烃和烯烃含量均增加,而掺混Al_2O_3时页岩油中仅短链(C6~C12)烷烃含量增加。对此机理进行推测认为,碱性CaO和MgO首先与以脂肪酸形式存在的有机质进行酸碱反应,得到脱羧活性更高的羧酸盐,后者脱羧所得中间产物具有生成烷烃或烯烃两条可能路径,同时得到碳酸盐;而在具有Lewis酸特征的Al_2O_3作用下,脱羧产物为CO_2,并同时得到饱和烃产物。     

不同金属氧化物对重质生物油再裂解的比较性研究

通过TG-FTIR、GC/MS和XRD等分析手段,研究了Fe₂O₃、Al₂O₃、CaO和TiO₂四种金属氧化物催化下重质生物油的热解特性及产物差异。结果表明：应用上述四种催化剂的再裂解实验均促进了重质生物油的脱氧,其中CaO催化下脱氧效果最好,Al₂O₃能够有效降低反应温度,Fe₂O₃有效促进了重质生物油成炭前的解聚、固相产物质量降幅达21.23%,TiO₂对CO₂的生成有最明显的抑制效果、同时可以降低反应结束温度;在低温下,除CaO外的三种催化剂均对有效产物的生成有促进作用,但对不同种类的物质各有侧重,而CaO则会使反应所需温度升高且对愈创木酚的富集有很强的选择性;在中温下,CaO和TiO₂表现出较好的催化效果。上述催化热解过程有效促进了酚类的富集,效果最好的是Al₂O₃,酚类相对含量增幅达31.10%。除Fe₂O₃外的三种金属氧化物均降低了生物炭的有序度,添加CaO制备的生物炭具有最无序的炭结构和最高的固相产率。     

化学链燃烧过程Fe2O3/Al2O3载氧体表面CH4反应：ReaxFF-MD模拟

借助ReaxFF-MD方法,对化学链燃烧过程Al₂O₃负载Fe₂O₃载氧体（Fe₂O₃/Al₂O₃）表面CH₄反应过程模拟,探究Al₂O₃惰性载体对Fe₂O₃-CH₄体系燃烧过程的调控机制。研究发现添加Al₂O₃惰性载体改变了化学链燃烧过程中Fe₂O₃载氧体反应性和Fe₂O₃/Al₂O₃-CH₄反应体系的热力学和动力学行为。主要是促进了Fe₂O₃载氧体表面CH₄氧化,并对CH₄反应过程、中间体、产物及其反应速率和放热量等均具有显著促进和调控作用。原因在于Al₂O₃惰性载体对Fe₂O₃活性相中晶格氧的活化作用促进了晶格氧的迁移-扩散-释放。添加惰性载体增强了Fe₂O₃载氧体在化学链燃烧过程晶格氧释放速率和释放量,有利于CH₄氧化燃烧向合成气的高效、清洁转化,强化了化学链燃烧过程,满足当前能源高效转化和碳减排目标。     

化学链燃烧过程Fe2O3/Al2O3载氧体表面CH4反应：ReaxFF-MD模拟

借助ReaxFF-MD方法,对化学链燃烧过程Al₂O₃负载Fe₂O₃载氧体（Fe₂O₃/Al₂O₃）表面CH₄反应过程模拟,探究Al₂O₃惰性载体对Fe₂O₃-CH₄体系燃烧过程的调控机制。研究发现添加Al₂O₃惰性载体改变了化学链燃烧过程中Fe₂O₃载氧体反应性和Fe₂O₃/Al₂O₃-CH₄反应体系的热力学和动力学行为。主要是促进了Fe₂O₃载氧体表面CH₄氧化,并对CH₄反应过程、中间体、产物及其反应速率和放热量等均具有显著促进和调控作用。原因在于Al₂O₃惰性载体对Fe₂O₃活性相中晶格氧的活化作用促进了晶格氧的迁移-扩散-释放。添加惰性载体增强了Fe₂O₃载氧体在化学链燃烧过程晶格氧释放速率和释放量,有利于CH₄氧化燃烧向合成气的高效、清洁转化,强化了化学链燃烧过程,满足当前能源高效转化和碳减排目标。     

碱/碱土金属修饰Ni基催化剂的CO2吸附与甲烷化性能

采用分步浸渍法制备了碱/碱土金属修饰Ni基催化剂Ni-M/Al₂O₃ (M=K₂CO₃, Na₂CO₃, MgO, CaO)。探究了碱/碱土金属的添加对改性Ni基催化剂CO₂吸附和甲烷化性能的影响。研究发现,碱/碱土金属的添加提高了Ni/Al₂O₃催化剂表面的碱性活性位点密度,强化了其CO₂吸附性能。碱/碱土金属类型影响Ni-M/Al₂O₃催化剂碱性活性位点的分布、NiO物相的转化及Ni的分散度,进而影响其甲烷化性能。MgO添加使NiO物相转化为与载体呈强相互作用的β型和γ型NiO,降低了催化剂表面的强碱性活性位点比例,有利于CO₂吸附活化。Ni-MgO/Al₂O₃的CO₂吸附容量最高为0.68mmolCO₂/g,其CO₂转化率和CH₄选择性分别高达58.4%和95.4%,其在烟气CO₂捕集与原位甲烷化中极具应用前景。     

钙钛矿型复合氧化物对甲烷的部分氧化及在混合太阳能氧化还原过程的应用

利用固相法合成了3种钙钛矿型复合氧化物Fe₂O₃-CaTi_xM_1-xO₃,研究了其结构、晶型和氧化还原活性。在固定床反应器中考察了该氧化物对两步法甲烷催化氧化制合成气及水分解制氢的活性及选择性。X射线衍射结果表明3种钙钛型复合氧化物均由正交晶系钙钛矿相和赤铁矿相组成。3种钙钛矿复合氧化物对甲烷的氧化活性顺序为Fe₂O₃-CaTi_0.85Ni_0.15O₃ >Fe₂O₃-CaTi_0.85Co_0.15O₃ >Fe₂O₃-CaTi_0.85Fe_0.15O₃。固定床反应结果表明,以Fe₂O₃-CaTi_0.85Ni_0.15O₃为氧载体催化剂,CH₄转化率可达96%,CO和H₂产率达71%,同时水分解反应的转化率为40%。利用Aspen Plus^®对Fe₂O₃-CaTi_0.85Ni_0.15O₃在混合太阳能氧化还原过程的效率及合成油和H₂产率进行了模拟。模拟计算结果证明基于复合氧化物的混合太阳能氧化还原过程可以有效提高CH₄利用率。     

废旧聚丙烯/活性炭微波共裂解制取可燃裂解气与轻质裂解油

为实现对废旧塑料的资源化利用,本文采用微波裂解法,以废弃聚丙烯（PP）为裂解原料、颗粒状活性炭为吸波材料通过微波共裂解制取可燃裂解气与轻质裂解油。实验研究了不添加催化剂时微波功率对裂解所得裂解气、裂解油和固体碳的影响,以及添加不同种类金属氧化物作为辅助催化剂时对裂解产物的影响,并详细研究了MgO、ZnO的添加量和功率对产物的影响。研究发现,不添加催化剂时裂解气的产率可达40%,其中H₂、CH₄约占气体总体积的40%,裂解油的产率为40%左右,固体碳的产率为15%左右。裂解油中烷烃、烯烃和单环芳烃三者的总含量可达90%以上,裂解油的相对密度介于0.7~0.8之间,属于轻质裂解油;添加不同金属氧化物后部分金属氧化物可加深PP的裂化程度,其中MgO可显著提高CH₄的含量,ZnO可显著提高H₂的含量,且金属氧化物可进一步提高裂解油中单环芳烃的含量;结合响应面分析PP的最佳裂解条件为：加入MgO后功率范围在660~720W,催化剂量在0.6~1g;加入ZnO后功率范围在680~740W,催化剂量在0.4~1g。     

淖毛湖煤加氢热解产物特性及半焦气化反应性

在加压固定床反应器中进行淖毛湖煤在常压和1.5 MPa氢气和氮气中的热解试验,利用多种表征方法对比研究了氢气和氮气下的热解产物产率和组成及半焦结构的变化,并利用热重分析研究热解半焦的CO₂气化反应性。结果表明：与常压N₂中热解相比,煤在加压的H₂中热解可有效提高热解气体中CH₄和C₂～C₃的产率,在800℃热解CH₄和C₂～C₃的体积产率分别由53.5和16.6 mL/g增至345.6和20.8 mL/g。焦油和轻质焦油产率也有效提升,在600℃下,与常压N₂中热解相比,1.5 MPa H₂中煤热解的焦油产率由19.3%升至22.8%,焦油中脂肪烃含量由35.5%降至14.8%,单环芳烃含量由8.3%增至28.9%,轻质焦油质量分数和产率分别升至95.0%和21.8%。半焦的N₂吸附和拉曼光谱分析结果表明,煤在加压H_...     

MxOy/USY双功能催化剂对神东煤的快速热解产物的调控

以USY分子筛为载体,采用等体积浸渍法分别制备了NiO、Fe₂O₃、Co₃O₄、MoO₃负载量均为9%的M_xO_y/USY双功能催化剂,并借助ICP、XRD、BET、TEM、NH₃-TPD、TG等分析手段对催化剂进行表征。使用自建的粉-粒流化床对神东煤进行快速催化热解实验,结果表明：①M_xO_y/USY使气体产物收率提高,液体产物收率降低,催化剂的积炭量增加,对半焦的产率基本没有影响;②M_xO_y/USY使CH₄、CO的收率均不同程度地提高,但H₂、C₂的收率皆有所降低;焦油中脂肪烃、单环芳烃、酚类化合物、含氧化合物的含量大幅增加,萘类化合物、联（多）苯的含量显著减少;③M_xO_y/USY的调控作用存在差异性。其中,Fe₂O₃/USY、Co₃O₄/USY的产物调控作用相似,但Fe₂O₃/USY的气体选择性更高,气体总收率提高23%;NiO/USY使C₃收率提高79%,CO₂收率降低91%,使焦油中脂肪烃、酚类、含氧化合物的含量分别增加1555%、739%、412%,萘类化合物的含量减少46%;MoO₃/USY使稠环芳烃的含量增加8%。     

玉米秸秆棒状燃料热解过程和产物特征研究

以玉米秸秆棒状燃料为原料,在固定床反应器上探究热解温度对玉米秸秆棒状燃料热解过程和热解产品性质的影响。研究发现,随着热解温度的升高,热解气体产量增加,固体炭产量逐渐减少,生物油产量先增后减在450℃时达到最大值35.61%。对固体炭进行工业分析,发现其灰分含量较高;FT-IR分析表明:玉米秸秆棒状燃料的热解反应主要发生在650℃之前;SEM图显示断截面表现为蜂窝状的孔结构。生物油的GC-MS分析表明:在250~750℃下生物油的组成主要是呋喃、酮、醛和酚类等含氧化合物,其中酚类和呋喃类化合物是含量最多的物质;而在850~950℃下以多环芳烃类化合物为主。热解气的主要组成是CO₂、CO、CH₄和H₂,同时有少量的C₂H_n化合物,在250~450℃范围内,气体的主要组成是CO和CO₂,随着温度升高,CO、H₂、CH₄和C₂H_n逐渐增加,热解气的热值逐渐增加,在650℃下气体产品的热值已达到13.05 MJ/m³,当温度大于650℃后,热值增加速率变慢。     

Effects of methane and oxygen on decomposition of nitrous oxide over metal oxide catalysts

Catalytic activities of various metal oxides for decomposition of nitrous oxide were compared in the presence and absence of methane and oxygen, and the general rule in the effects of the coexisting gases was discussed. The reaction rates of nitrous oxide were well correlated to the heat of formation of metal oxide, i.e., a V-shaped relationship with a minimum at −ΔH_f⁰ around 450 kJ (O mol)⁻¹ was observed in N₂O decomposition in an inert gas. In the case of metal oxides having the heat of formation lower than 450 kJ (O mol)⁻¹, CuO, Co₃O₄, NiO, Fe₂O₃, SnO₂, In₂O₃, Cr₂O₃, the activities were strongly affected by the presence of methane and oxygen. On the other hand, the activities of TiO₂, Al₂O₃, La₂O₃, MgO and CaO were almost independent. The reaction rate of nitrous oxide was significantly enhanced by methane. The promotion effect of methane was attributed to the reduction of nitrous oxide with methane: 4N₂O+CH₄→2N₂+CO₂+2H₂O. The activity was suppressed in the presence of oxygen on the metal oxides having lower heat of formation. On the basis of Langmuir–Hinshelwood mechanism, the effect of oxygen on nitrous oxide decomposition was rationalized with the strength of metal–oxygen bond.     

可燃生活垃圾气化Ca-Fe复合金属氧化物的原位固硫性能

气化技术可有效缓解因可燃生活垃圾产量不断增加而衍生的环境问题,但仍需要对气化产生的H₂S和SO₂进行脱除以降低硫污染物排放风险。可燃生活垃圾组成的复杂性决定了需要开发适宜的双效固硫剂以对H₂S和SO₂一步脱除。原位固硫指将气化原料与固硫剂预先混合,气化与硫脱除同时进行且硫污染物被固定于灰渣中。本文使用聚苯乙烯颗粒、木屑等典型组分配制可燃生活垃圾作为气化原料,以CO₂为气化剂,采用球磨法制备了一系列Ca-Fe复合金属氧化物作为固硫剂并对其原位固硫性能进行了研究。结果表明,在600℃气化温度下,Ca-Fe复合金属氧化物中的CaO/Fe₂O₃比例对固硫率产生影响,且两者质量比为1∶1时固硫性能最佳,固硫率可达82.65%。作为对比,CaO和Fe₂O₃单一组分固硫率仅分别为65.57%和74.12%。BET、SEM等分析表明CaO、Fe₂O₃球磨形成复合金属氧化物时产生相互作用并影响粒径分布、孔径、比表面积等物化性质,且能够改善固硫剂的烧结现象,质量比为1∶1时综合作用效果最优。     

油页岩矿物质催化半焦燃烧特性及机理

利用微型流化床反应分析仪（MFBRA）研究了油页岩矿物质催化半焦燃烧特性,重点考察了半焦内部矿物质和外部页岩灰床料对半焦燃烧的催化作用,揭示了流化床反应器中半焦燃烧过程和机理。结果表明：内部矿物质和外部床料对半焦燃烧均具有明显催化作用,而两者共同催化效果最为显著。矿物质中CaO和Fe₂O₃对半焦燃烧具有催化活性,CaO催化作用强于Fe₂O₃。油页岩半焦燃烧反应活化能在60.41~78.97 kJ/mol之间,矿物质的催化作用会明显降低反应活化能。流化床反应器中,矿物质对半焦燃烧的催化作用主要表现在四个反应,即：挥发分裂解和燃烧、半焦表面炭燃烧、半焦内部炭燃烧以及一氧化碳燃烧。     

Characteristics and mechanism of catalytic effect of inner minerals on combustion of oil shale coke

The micro fluidized bed reaction analyzer (MFBRA) was used to study the combustion characteristics of oil shale mineral catalytic semi-coke. This study compared the effect of minerals inside char and bed material (oil shale ash) outside char on char combustion, and the process and mechanism of char combustion in the fluidized bed were further revealed. Both of minerals inside char and bed material outside char had a marked catalysis for char combustion and their combined catalysis was most notable. It is found that the CaO and Fe₂O₃ were the major active components in oil shale minerals for catalytic combustion of char, and the catalysis of CaO was stronger than that of Fe₂O₃. The activation energy of char combustion ranged from 60.41 kJ/mol to 78.97 kJ/mol, and it would significantly decrease with presence of the catalysis by minerals in oil shale. For char combustion in a fluidized bed, the contribution of minerals to catalytic combustion was mainly reflected in four reactions, such as volatiles cracking and combustion, surface carbon combustion, internal carbon combustion and CO combustion.     

复合生料无光釉的研制

叙述了复合生料釉的研制过程,讨论了MgO、CaO、ZnO、Al₂O₃、SiO₂等氧化物及Al₂O₃/SiO₂比、烧成制度和其他因素对无光釉的影响。