生物质合成气甲烷化新工艺研究

摘要

我国资源分布的特点是“富煤、贫油、少气”，煤炭资源作为主要的能源在使用过程中所造成的环境污染使发展受到限制。随着社会经济的飞速发展，人们对于新型能源的需求越来越大。如何在不影响经济发展的同时寻求污染小，可再生的能源成为当今世界的难题。
　　我国是农业大国具有丰富的生物质资源，但传统上农村大部分的生物质都以直接燃烧的方式使用，不仅造成严重的雾霾污染，且热效率低。如何合理使用生物质能源已引起了人们广泛的关注。利用生物质制得合成气不仅可以作为化工原料还可以作为民用燃气使用。我国目前生物制合成气中的CO含量达到20％以上，而我国民用燃气的标准是CO含量低于10%。将生物质合成气中的CO与H2发生甲烷化反应，一方面可以降低 CO的含量，达到民用燃气的标准，同时产生的CH4又是一种高热值的清洁能源。所以对生物质合成气进行甲烷化反应是一条经济便捷的路线。
　　本论文合成了Ni基催化剂，考察了该催化剂在H2/CO为3:1的条件下催化剂的性能。探讨了沉淀剂、还原温度、空速等因素对反应的影响。实验结果表明，尿素沉淀负载法制备的催化剂8NiO/γ-Al2O3的性能最佳。当催化剂在500℃下还原3 h，反应空速为10000 h-1~15000 h-1，反应温度为350℃的条件下，CO转化率高达100%，CH4的收率达到95%。该催化剂与NiO含量为18%的商业化催化剂性能基本一致。
　　由于生物质合成气的H2/CO比低，影响甲烷的收率。为了提高反应体系中H2/CO比，本论文将水煤气变换与甲烷化反应偶合在一起。考查催化剂种类、空速、还原温度、进水量、颗粒填充度、颗粒粒度等因素对偶合反应的影响。实验结果表明，在水煤气反应段选择 Cu-Zn系催化剂，以石英砂为稀释剂，催化剂与稀释剂质量比为1:2，进水量为0.02 mL/min，甲烷化反应段用NiO含量为18%的商业化催化剂，空速为15000 h-1，还原温度为450℃，催化剂粒度为40-60目的工艺条件下，商业Ni基催化剂的甲烷化催化性能最佳，其中CO转化率达100%。得到符合国家标准的民用燃气，本研究对生物质资源高效利用，缓解能源及环境危机具有重要的意义。

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1 绪论

1.1 当今环境与能源问题

1.2 生物质能源的利用

1.3 天然气应用情况

1.3.1 天然气的来源

1.3.2 天然气的用途

1.4 甲烷化反应的研究

1.4.1 甲烷化反应催化体系研究进展

1.4.2 甲烷化的工艺发展现状

1.5 水煤气变换反应的研究

1.5.1 水煤气变换反应的催化剂体系研究近况

1.5.2 水煤气变换反应的影响因素

1.6 研究课题的意义及内容

2 实验部分

2.1 主要实验试剂与设备

2.1.1 主要实验试剂

2.1.2 主要实验仪器

2.2 催化剂活性评价装置

2.2.1 催化剂的反应装置

2.2.2 实验装置调试

2.2.3 催化剂性能测试

2.3 催化剂制备方法

2.4 实验结果分析与计算

2.4.1 产物的定性分析

2.4.2 产物的定量分析

3 结果与讨论

3.1 甲烷化与水煤气变换偶合反应的热力学分析

3.1.1 CO甲烷化反应过程中的热力学分析

3.1.2 水煤气变换反应过程中的热力学分析

3.1.3 甲烷化反应与水煤气变换反应偶合过程中的热力学分析

3.2 催化剂制备方法及甲烷化反应工艺优化

3.2.1 不同沉淀剂对催化剂活性的影响

3.2.2 尿素含量对催化活性的影响

3.2.3 自制催化剂与商业化催化剂的比较

3.2.4 甲烷化反应的工艺条件优化

3.3 水煤气变换与甲烷化偶合反应工艺的探究

3.3.1 水煤气变换反应催化剂的选择

3.3.2 催化反应偶合方式对反应的影响

3.3.3 还原温度对催化偶合反应的影响

3.3.4 水煤气空速对偶合反应的影响

3.3.5 水蒸气浓度对偶合反应的影响

3.3.6 催化剂粒度对偶合反应的影响

3.3.7 稀释剂石英砂对偶合反应的影响

4 结论

致谢

参考文献

硕士期间发表的论文