骨制多孔炭催化餐厨垃圾热解衍生焦油转化产气研究

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热解技术作为新兴餐厨垃圾降解方式,不仅能够实现餐厨垃圾有效减量化,还能生产能源燃料或化工产品。然而,焦油作为热解过程中无法避免的副产物之一,其在管道或燃气轮机内容易冷凝堵塞,最终影响系统稳定运行。非原位催化焦油裂解技术是处理餐厨垃圾热解焦油最具前景的技术,利用催化剂催化焦油进行二次裂解及重整产气,能够有效提高热解合成气的产量及品质。因此,为了降解餐厨垃圾热解过程产生的焦油,利用牛肋骨制备的骨炭催化剂对其进行非原位催化裂解产气研究。所做工作如下:(1)将3种典型餐厨垃圾及其对应的模型化合物(糖类:大米/葡萄糖、蛋白质类:鸡胸肉/谷氨酰胺、脂肪类:猪油/三硬脂酸甘油酯)在不同温度下(650℃、750℃、850℃)进行热解产气,探究不同类型餐厨垃圾热解产气特性及机理。结果表明,不同类型餐厨垃圾具有不同的热解产气特性。糖类、蛋白质类餐厨垃圾热解产气主要组分分别是CO和CO2;脂肪类热解产气主要是CO和CH4。此外,利用模型化合物确定的分子式解释了各类餐厨垃圾热解产气的产气机理,并利用模型化合物配比制作餐厨垃圾混合物进行后续研究。(2)利用牛肋骨制备骨炭催化剂,与常见裂解焦油催化剂(空载、石英砂、ZSM-5、煅烧白云石、活性炭)分别对餐厨垃圾模型混合物(葡萄糖:谷氨酰胺:三硬脂酸甘油酯=3:1:1)热解衍生焦油进行催化裂解产气实验。结果显示骨炭催化剂相较于其他催化剂表现出更优异的催化焦油裂解产气及改善合成气品质能力。相较于无催化剂空白实验,H2与CO产量分别增加397.5%与311.3%,CH4增产4.6%,CO2产量降低31.8%,显著增加及改善了热解合成气的产量和品质。同时,通过对骨炭催化剂进行XRD、BET、SEM、EDS、工业分析、元素分析等物化表征,探究了骨炭催化剂高效催化焦油转化产气机理。(3)分别对活性炭/骨炭催化剂进行失活机理实验,将催化剂重复使用5次,以探究骨炭催化剂使用寿命及失活原因。结果表明,重复使用5次后的骨炭催化剂催化焦油裂解产气的催化性能明显下降,其介孔孔隙结构被破坏是失活的主要原因。此外,分别进行骨炭催化剂催化CO2/H2O与炭材料气化反应研究以及骨炭催化剂催化焦油与H2O重整反应研究,发现骨炭中的羟基磷酸钙(HAP)具有较强催化CO2/H2O与炭反应的能力,CO2气化骨炭产生的CO是活性炭的16.05倍,而H2O气化的CO产气量是活性炭的2.62倍。此外,HAP还具有一定催化焦油裂解和催化焦油重整能力,相较于石英砂,HAP能显著催化H2O与乙苯重整,使H2和CH4产量分别提升273.33%和16.7%。
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