生物质热解催化剂积炭问题的研究进展

生物质催化热解获得生物油等高质产品是最有前途替代传统化石能源的方法之一,但在热解过程中存在着严重的催化剂失活问题,其中积炭是导致催化剂失活的最主要因素。本文对近年来生物质催化热解领域的催化剂积炭问题进行综述,重点介绍催化剂积炭失活原因及表征方法、积炭的影响因素分析（催化剂结构、催化剂酸性与反应温度）、抑制催化剂积炭的方法 （催化剂改性、高压反应条件等）以及积炭催化剂再生方法 （氧化灼烧再生、臭氧低温再生、非热等离子体再生等）,并介绍了近年来新兴的微波催化热解技术对催化剂积炭的抑制和消除作用,然后针对该领域目前所面临的困难和发展方向进行展望,以期为生物质催化热解过程中催化剂积炭问题研究提供理论基础。     

生物质热解利用中主要催化剂的研究进展

催化热解目前逐渐成为生物质转化利用技术的主要研究方向,相比常规热解,催化热解可以对生物油进行有效提质并且定向产生高值化产品。本文通过对近年来新兴的催化剂进行综述,包括分子筛类催化剂（ZSM-5、HZSM-5、USY等）、炭基催化剂、金属氧化物、白云石、整体式催化剂等,了解了目前生物质热解利用中催化剂领域内的最新研究进展。文中指出,良好的催化剂是保证反应顺利进行的关键,不同催化剂定向产生的高值化产品也有所不同,因此催化剂的正确选择对于生物油的提质起着重大作用。根据目前领域内所研究内容,本文还对各类催化剂的优缺点、产物特性进行了详细比较,并针对该技术现有问题提出了部分建议并进行展望,为以后生物质热解领域催化剂的研究提供了重要的理论依据。     

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。     

碱土金属氧化物基催化剂催化热解生物质研究进展

快速热解是生物质高效转化利用的重要方法之一,然而其目标产物生物油因含氧量高、组分复杂等不足而难以直接利用。通过在热解体系中引入碱土金属氧化物基催化剂,可以将热解产物中的氧元素以CO₂和H₂O等方式脱除,从而实现生物油品质的提升。总结了典型碱土金属氧化物基催化剂对生物质催化热解过程中发生的酮基化、羟醛缩合、开环和侧链断裂反应及机理,讨论了催化剂类型（CaO、MgO、基于碱土金属氧化物的分子筛和活性炭等）、生物质原料、温度、催化剂用量、停留时间、催化方式、催化剂失活等因素对生物油产率与品质的影响,并对生物质催化热解制备高品质生物油及其应用进行了展望。     

生物质热解制备高品质生物油研究进展

生物质热解制备生物油是能源富集的有效途径,是实现碳闭路循环的重要方式,作为一种环境友好型技术受到广泛关注和研究。然而,生物质热解反应过程复杂,生成的生物油热值低、含氧量高及强酸性等特点,制约了生物油的分离提纯、制备合成气以及燃烧等方面的应用,生物油品质的提升迫在眉睫。本文从生物质三组分、原料预处理、反应参数、催化剂、反应器等方面综述了影响生物油品质的主要因素,分析了生物油的特点,不同预处理下生物质特性的变化与生物油的关系,催化剂参与的热解行为对提升生物油品质的导向作用以及常用生物质热解反应器的特点,并对影响生物油品质的主要因素进行了总结。最后,针对影响制备高品质生物油的诸多因素提出建议,以期为制备高品质生物油提供参考和借鉴。     

生物质选择性催化热解制备芳香烃的研究进展

芳香烃是一种重要的化工原料,生物质常规热解难以形成大量的芳香烃,但在催化热解条件下可显著提高芳香烃的产率,由此可望提供一种新型的芳香烃制备方法。首先阐述了生物质催化热解生成芳香烃的机理,包括综纤维素经解聚、开环和芳构化等反应生成芳香烃;木质素由小分子酚类生成芳香烃。随后讨论了原料、催化剂、预处理及工艺条件等因素对生物质选择性催化热解生成芳香烃的影响,并提出了生物质热解制备芳香烃工艺参数优化方案。     

催化剂与催化方式对生物质/塑料共热解的影响

首先使用HZSM⁃5作为催化剂,探究原位与异位催化方式对生物质与塑料共热解过程的影响。之后对HY、HZSM⁃5和Fe/HZSM⁃5 3种催化剂进行全面表征,进一步对比研究三者对生物质与塑料共热解过程的影响,并对3种催化剂积炭失活行为进行了分析。结果表明,原位催化生物油产率高于异位催化,但是异位催化方式强化了“双烯合成”和芳构化等反应,显著提升了芳烃的选择性,高达82.8 %。过渡金属Fe的引入提高了催化剂抑制积炭的能力,Fe/HZSM⁃5催化剂结焦量远少于HY和HZSM⁃5催化剂,仅为3.77 %。同HZSM⁃5相比, Fe/HZSM⁃5中Brönsted酸强度减弱,略微降低了碳氢化合物的选择性,但是将碳氢化合物中芳烃的选择性提高了16.7 %。由于焦炭的附着,反应后的催化剂比表面积、孔容和酸强度均有所降低,进而降低了其催化活性。     

甲烷化催化剂及其失活研究进展

阐述甲烷化催化剂活性组分、载体和助剂种类对催化性能的影响。分析催化剂失活的主要原因为中毒失活、积炭失活和烧结失活。目前在国内外工业装置上得到应用的主要为Al2O3、镁铝尖晶石类负载的Ni基甲烷化催化剂。通过载体改性、助剂添加及调配提升催化剂性能是催化剂研发的主要方向。复合载体可以形成特定的稳定结构,提高催化剂的热稳定性;其较高的比表面积利于Ni的分散;碱金属、碱土金属和稀土金属的添加,可以调变载体表面酸性和电负性,减小Ni晶粒尺寸,降低积炭的可能性。     

生物质热解技术研究进展

生物质是地球上最丰富的可再生资源,通过热解实现生物质高效转化是一种前景广阔的工艺技术。生物质热解技术是把低能密度生物质能转化为高能密度产物以及高附加值化学品的一种新型生物质能利用技术。论述了国内外对热解技术的研究现状,分析了生物质的热解机理,并且指出了热解技术中需要解决的问题以及今后的主要研究方向。     

生物质热解技术研究进展

生物质能源是一种可再生的能源,占世界能源的 14% 以上,可以有效地替代日渐枯竭的化石能源。生物质热解转化为高能量密度的燃料,不仅可以缓解能源的短缺,还可以减少大气污染,改善生态环境。本文介绍了生物质的分类及其结构组成,并从热解反应起始温度和终止温度以及热解产物组成和分布等方面,阐述了生物质类别、催化剂、热解温度、热解压力、升温速率以及气相滞留期等因素对热解过程的影响。     

催化热解生物质生成左旋葡聚糖酮的研究进展

左旋葡聚糖酮(LGO)在有机合成领域有巨大的应用价值,快速热解生物质制取左旋葡聚糖酮是生物质能开发与利用的研究热点。目前LGO的应用主要受到其产量的限制:一是没有较好的化学合成方法,二是常规热解生物质得到的产物中左旋葡聚糖酮的含量极低,使得LGO难以大量生产。催化热解可以显著提高左旋葡聚糖酮的产率,目前用于催化热解生物质制取左旋葡聚糖酮的各类催化剂,包括液体酸、固体酸、金属氯化物、离子液体等均取得了一定的成果,但效果差异明显,因此分析了不同催化剂间的优势与劣势,并对以后的工作进行了展望。     

Research progress of catalytic pyrolysis of biomass to yield levoglucosenone

Levoglucosenone (LGO) has great applicable value in the field of organic synthesis. The rapid pyrolysis of biomass to produce LGO is a research hotspot in the development and utilization of biomass energy. The application of LGO is mainly limited by its yield: first, it is difficult to prepare LGO by chemical synthesis, and second, the content of LGO in the products obtained by conventional pyrolysis biomass is extremely low, making LGO challenge to produce in large quantities. Catalytic pyrolysis can significantly increase the yield of LGO. Currently, various catalysts which used to prepare LGO, including liquid acid, solid acid, metal chloride and ionic liquid, have achieved evident results, but the effects are individually different. The difference in catalytic effect of various catalysts are analyzed, and a brief conclusion for the challenge in this topic is provided.     

Ni基生物质焦油重整催化剂的研究进展

Ni基催化剂对生物质气化过程中生成焦油的催化裂解重整具有较好的催化活性,但在催化反应中存在容易积炭进而失活的现象。如何提高Ni基催化剂的催化活性和抗积炭能力是Ni基催化剂研究中的难点。本文从催化剂的活性组分、载体和助催化剂3个方面入手,详细综述了近几年关于提高Ni基生物质焦油重整催化剂催化活性和抗积炭能力的研究进展,讨论了催化剂的活性组分、载体和助催化剂对催化剂催化活性的影响。指出Ni-Fe、Ni-Co、Ni-Cu催化剂均表现出比Ni基催化剂更好的催化活性,助剂的加入有利于提高吸附剂的抗积炭能力和抗烧结能力;催化剂载体方面,钙钛矿型混合金属氧化物载体、煤焦和生物质焦载体具有较好的研究前景。     

生物质热化学转化提质及其催化剂研究进展

生物质通过热化学转化制备高品质生物油和高附加值精细化工品是未来工业发展的重要方向,是解决能源短缺、实现碳的闭路循环的有效方式,如何提升生物质热化学转化品质和效率是目前学术界和工业界关注的热点。本文介绍了不同技术路径下的生物质热化学转化研究进展,重点阐述了催化热解、水热催化、化学链转化三种方式的反应机理及其催化剂类型,讨论了生物质热化学转化提质策略。最后,针对生物质热化学转化目前尚存在的问题提出建议,期望为生物质高值化利用提供参考和借鉴。     

生物质催化热解特性和动力学研究

利用热分析技术对氮气气氛下不同升温速率下马尾松生物质试样的热解过程和以Na2CO3为催化剂的催化热解过程进行了研究。结果表明,Na2CO3催化剂可使生物质的主要热解区向低温区移动,而最大失重速率减少。根据热重实验数据,运用Popescu法对马尾松热解和催化热解动力学进行了研究。结果表明,Z-L-T方程为热解和催化热解的最概然机理函数,并计算出其相应的热解动力学参数。     

Secondary char formation in the catalytic pyrolysis of biomass

Samples of four types of wood and pure cellulose, both untreated and impregnated with salt (Na₂CO₃, K₂CO₃, NaCl, KC1), were pyrolysed. Two experimental systems with different geometries and secondary reaction patterns were used, viz. a McBain thermogravimetric balance and a Gray-King retort. The substrates were pyrolysed under a stream of nitrogen in the thermobalance and in some of the Gray-King runs, using a modified retort. Salt impregnation was found to modify weight loss rates and to increase the charcoal yield in the presence of an inert carrier gas in both experimental systems. Longer residence times of volatiles in the hot zone gave rise to larger charcoal yields from untreated substrates. However, long residence times of volatile matter over Na₂CO₃-impregnated cellulose were found to be detrimental to char formation. These results indicate that primary volatiles may undergo secondary reactions through competitive pathways, either polymerizing to form char or cracking to form lighter volatiles. Long residence times of light volatiles appear to enhance the latter pathway in the presence of Na₂CO₃.     

生物质热解与气化制氢研究进展

介绍了生物质热解与气化制氢的原理和相应国内外研究进展,并提出了存在的问题和对未来的展望。