沼气渣催化热解制备芳香烃化合物及碱金属灰分的影响研究

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生物质催化热解制备芳香烃化合物是一种具有前景的方法,沼气渣富含木质纤维素,通过催化热解制备芳香烃化合物可以实现沼气池内生物质原料的资源利用最大化。鉴于此,本研究通过探讨沼气渣热解特性及动力学分析以及分子筛作用下的催化热解特性,并研究沼气渣中无机矿物质碱金属对沼气渣催化热解制备芳香烃的影响,探讨了沼气渣催化热解制备芳香烃的可行性。具体内容如下:首先,通过TG-DTG分析沼气渣热解随着温度的质量变化特点,以及采用下吸式固定床分析热解温度对沼气渣热解的三态产物影响,以此研究沼气渣热解特性与动力学机理,研究发现:低温时(200-400℃),沼气渣热解失重率接近36%,失重率峰值出现在310-330℃,高温时(400-750℃),沼气渣热解失重率达到10%。当升温速率大于10℃/min时,失重率的峰值由313℃移动向338℃。在沼气渣的热解中,CO2、CO以及CH4是气体产物的主要组成部分,酚是液体油的主要组成部分;随温度升高,CO、CH4含量增加,酚类物质以及酸类、醛类等含氧化合物含量降低,单环芳烃类(BTX)含量升高。接着,通过利用下吸式固定床研究了分子筛催化剂种类(ZSM-5、SAPO、Beta、MCM、Y zeolite)以及生物质与催化剂比例(CBR)对沼气渣催化热解制备芳香烃的影响,研究发现,沼气渣催化热解后液体中的酸类、酚类以及呋喃类物质均被有效抑制,芳香烃含量显著增加;而其中ZSM-5的加入对于单环芳烃(BTX)促进效果最明显同时抑制含氮化合物的产生。另外,ZSM-5催化剂与沼气渣比例(CBR)增加有利于生物油组分中更多芳香烃生成。最后,通过探究无机矿物质灰分对沼气渣催化热解的影响,并结合碱金属钾对ZSM-5的物理化学结构的影响来考察碱金属钾盐对沼气渣的重要中间热解产物愈创木酚和呋喃演变路径的作用,以深入研究碱金属对沼气渣催化热解的影响机制。研究发现,沼气渣中的灰分抑制热解生物油和气体的产率,促进焦炭生成,也促进挥发分在ZSM-5共同作用下完成脱羧、去甲基化反应以及环化重组形成芳香烃。5 wt%K(S)(S分别为Cl-、Ac-、CO32-、OH-)削弱ZSM-5物理化学结构性质,而5 wt%K(CO32-)最强烈;5 wt%K(S)抑制ZSM-5对愈创木酚、呋喃热解的催化,芳香烃产率降低。对于愈创木酚,当K(CO32-)从0升高至0.1 wt%时,BTX及其衍生物产量提高;当K(CO32-)增加(大于0.1 wt%K),BTX及其衍生物产量降低。呋喃的BTX的产率变化规律和愈创木酚相似,然而浓度分水岭出现在0.5wt%。
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