微介孔ZSM-5负载镍铁催化剂水蒸气重整焦油实验研究

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近年来,随着“双碳”战略的实施,生物质能发展迅速,其中生物质气化技术应用潜力巨大。但是气化过程中焦油的存在大大阻碍了该技术的商业化应用。催化重整是脱除焦油最有效的方法之一,其核心是高效催化剂。本文以一种微介孔ZSM-5(ST)分子筛为载体,制备新型镍铁催化剂用于焦油水蒸气催化重整,测试其在不同工况下的催化性能并探讨催化剂的构效关系。首先制备了不同镍铁配比的双金属催化剂,通过焦油模化物甲苯水蒸气重整反应,优选出镍铁比为9:1时,即9Ni1Fe/ZSM-5(ST)的性能最佳;同时确定800℃为最合适的催化重整温度。在此基础上,探究了新型镍铁催化剂对焦油成分的适应性,其催化甲苯和甲基萘水蒸气重整反应前7次循环的碳转化率都在80%以上,而作用苯酚第4次循环的碳转化率便下降到80%以下,且第7次循环的碳转化率仅为58.6%。随后利用两段式生物质气化焦油催化重整实验台架,以玉米秸秆为原料,根据9Ni1Fe/ZSM-5(ST)对实际焦油脱除的效果确定最佳的气化温度为850℃,最佳的催化重整温度为800℃,最佳的水蒸气与玉米秸秆质量之比为5。同样条件下,花生壳和梨树枝的焦油脱除率也都在80%以上。对比了不同催化剂9Ni1Fe/ZSM-5(ST)、9Ni1Fe/γ-Al2O3、9Ni1Fe/ZSM-5(CON)和Ni/ZSM-5(ST)催化玉米秸秆气化焦油重整的效果,9Ni1Fe/ZSM-5(ST)的碳转化率为87.30%,氢气产率为42.93 mmol/g,均为四种催化剂中最高,表现出较优的性能。最后开展了新型催化剂的循环再生实验,通过燃烧方式将循环使用5次的催化剂去除积碳再生,再生后玉米秸秆气化的碳转化率从81.98%上升到84.87%,氢气产率从30.02 mmol/g升高到40.23 mmol/g。通过分析失活再生前后的理化特性,发现催化剂表面主要生成纤维状碳,2~4 nm的介孔对催化剂保持活性起着关键作用,而>16 nm的孔道的减少则可能是催化剂再生后性能下降的原因。
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