催化熱裂解工藝裂解氣急冷技術(shù)研究

摘要：以熱帶農(nóng)林廢棄物為原料，反應(yīng)過程為發(fā)酵→催化→裂解，經(jīng)多重生物化學(xué)長炭鏈和短炭鏈變化反應(yīng)，經(jīng)相對低溫60 ℃發(fā)酵催化，進(jìn)入反應(yīng)釜經(jīng)160～340 ℃裂解蒸餾出單烷基脂溶液即生物質(zhì)液體燃料，繼而將裂解后產(chǎn)生的生物炭進(jìn)行化學(xué)活化，制備高性能材料。裂解氣急冷技術(shù)能夠抑制熱裂解反應(yīng)中的副反應(yīng)，提高目標(biāo)產(chǎn)品的產(chǎn)率，并且能夠有效回收和利用廢熱，提高能源利用效率。這項研究為催化熱裂解工藝的優(yōu)化和工業(yè)應(yīng)用提供了重要的理論和實踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：催化裂解；熱裂解；熱帶農(nóng)林廢棄物

隨著能源需求的不斷增長和化石燃料資源的日益枯竭，開發(fā)利用可再生能源成了全球范圍內(nèi)的研究熱點［1］。生物質(zhì)作為一種可再生資源，具有豐富的碳水化合物和能量，被廣泛用于能源生產(chǎn)和化工領(lǐng)域［2］。催化熱裂解工藝是一種重要的生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高附加值的產(chǎn)品，如生物炭、生物油和合成氣等［3］。

1實驗部分

1.1實驗原料

原料為熱帶農(nóng)林廢棄物，該廢棄物的密度為0.840 4 g/cm3，廢棄物主要為秸稈發(fā)酵渣（秸稈、榕樹葉、雜草植被）。

該催化劑的化學(xué)組成為44.3%的Al2O3和49.9%的SiO2，比表面積為185 m2/g，微孔比表面積為114 m2/g。

1.2實驗儀器

發(fā)酵罐、催化反應(yīng)器（CY-CR1000C-S型）、多功能蒸餾儀（YDL06）、掃描電子顯微鏡（TIMA3）、透射電子顯微鏡。

1.3實驗步驟

1.3.1樣品前處理

為了去除樣品中的灰塵等雜質(zhì)，使用去離子水對樣品進(jìn)行充分沖洗。為了使樣品完全干燥，將樣品置于105 ℃的烘箱中，進(jìn)行過夜干燥。最后，為得到所需的顆粒大小，將樣品粉碎成60～80目的顆粒。

1.3.2樣品發(fā)酵

將樣品放入發(fā)酵罐中，添加合適的發(fā)酵菌種和發(fā)酵培養(yǎng)基在相對低溫（約60 ℃）條件下進(jìn)行發(fā)酵。

1.3.3催化處理

將發(fā)酵產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到催化反應(yīng)器中，添加合適的催化劑，如酸性催化劑，控制催化反應(yīng)溫度在160～340 ℃范圍內(nèi)。

1.3.4裂解蒸餾

將催化反應(yīng)產(chǎn)生的氣體和液體轉(zhuǎn)入裂解蒸餾設(shè)備，通過控制溫度和壓力，分離出目標(biāo)產(chǎn)物，即生物質(zhì)單烷基脂油。

1.3.5化學(xué)活化

將生物炭樣品進(jìn)行表面處理，如酸堿處理、活化劑浸漬等。

2結(jié)果與討論

2.1裂解反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)溫度的關(guān)系

裂解反應(yīng)轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化見圖1。

如圖1所示，在相同的反應(yīng)溫度下，催化劑的引入顯著提高裂解反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。在160 ℃的反應(yīng)溫度下，熱裂解的轉(zhuǎn)化率為15.32%，而催化裂解的轉(zhuǎn)化率為69.92%，表明催化劑的引入將反應(yīng)轉(zhuǎn)化率提高了近70%，相比于熱裂解，催化裂解具有更高的反應(yīng)效率。在160～340 ℃的溫度范圍內(nèi)，隨著反應(yīng)溫度的升高，催化劑對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的貢獻(xiàn)逐漸減小，而熱裂解反應(yīng)的程度明顯提高。這是由于熱裂解反應(yīng)的活化能較高，所以對反應(yīng)溫度的升高更為敏感，而催化裂解反應(yīng)的活化能較低，因此對反應(yīng)溫度的變化不敏感［4］。

2.2裂解產(chǎn)物分布

催化裂解和熱裂解產(chǎn)物組成如表1及圖2、圖3所示。

隨著反應(yīng)溫度的升高，催化裂解和熱裂解反應(yīng)的單烷基酮產(chǎn)率均明顯增加。同時，催化劑的引入使單烷基酮產(chǎn)率增加了1.54%～6.01%。這是由于催化劑的酸性中心能夠吸附和活化單烷基醚分子，使其發(fā)生裂解反應(yīng)，從而增加了單烷基酮的產(chǎn)率，催化裂解比熱裂解反應(yīng)的單烷基酮選擇性增加更快。這是由于在酸性催化劑的作用下，催化裂解反應(yīng)中的酸性中心能夠促進(jìn)單烷基醚組分的二次反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為單烷基酮。

2.3裂解生物炭化學(xué)活化

掃描電子顯微鏡（SEM）觀察結(jié)果顯示，活化后的生物炭表面呈現(xiàn)出更多的孔洞和微觀孔隙結(jié)構(gòu)。比表面積和孔隙體積的測定結(jié)果表明，活化后的生物炭具有更大的比表面積和孔隙體積，分別增加了30%和40%。在催化反應(yīng)中，活化后的生物炭表現(xiàn)出較高的催化活性和選擇性。催化反應(yīng)動力學(xué)研究結(jié)果表明，活化后的生物炭具有較快的反應(yīng)速率和較低的活化能，表明其在催化反應(yīng)中具有較高的催化活性［5］。

3結(jié)論

通過實驗和分析，深入探究了裂解氣急冷技術(shù)在催化熱裂解工藝中的應(yīng)用。實驗結(jié)果表明，裂解氣急冷技術(shù)能夠顯著提高熱裂解反應(yīng)的選擇性和能源利用效率。未來將進(jìn)一步探討裂解氣急冷技術(shù)的優(yōu)化和工藝參數(shù)的調(diào)控，以進(jìn)一步提高催化熱裂解工藝的經(jīng)濟(jì)性和可行性。

參考文獻(xiàn)：

［1］孫雷，胡睿，王杰.花生秸稈熱解揮發(fā)分在HZSM5負(fù)載Ga催化劑上的裂解特性［J］.低碳化學(xué)與化工，2024，49（4）：6370，89.

［2］鐘少聰，史會兵，姜海英，等.珠磨重結(jié)晶制納米ZSM5及催化正庚烷裂解性能［J］.化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，2023（5）：394404，422.

［3］譚菲凡，朱麗雯，周成，等.微生物源甲硫氨酸γ裂解酶的研究進(jìn)展［J］.微生物學(xué)報，2022，62（2）：421433.

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［5］邱梅，李雪，徐建春，等.固體酸催化廢舊塑料裂解制燃油的研究［J］.天然氣化工（C1化學(xué)與化工），2012，37（2）：2831.