基于活性炭的CO2微波重整CH4制合成气的实验研究

论文摘要

生物质利用已成为当今可再生能源利用的重要途径,热解是实现生物质资源化利用的重要途径,生物质初级裂解气中含有较多的CH4和C02,通过二者重整转化合成气不仅对生物质转化合成气技术本身有重要价值,而且对温室气体减排有战略意义。目前CH4/CO2重整反应还不能实现工业化应用,主要受所用金属催化剂成本较高的限制。相比于金属催化剂,碳基催化剂具有来源广泛、价格低廉的优点,而且生成的积炭可以充当催化剂载体,逐渐成为CH4/CO2重整反应的研究热点。微波加热具有即时性,整体性,选择性和高效性的特点,近年来已广泛应用于工业、医疗等领域。本文将微波加热引入CH4/CO2重整反应,提出了微波辐照活性炭催化CH4/CO2重整制合成气的新思路,并进行了实验研究和热平衡计算。在微波重整实验台上,系统进行了木质活性炭下CH4/CO2重整反应的实验研究。进行了所用活性炭的升温特性测试,并比较了两种活性炭的催化效果。升温特性测试结果显示,0-3 min两种活性炭迅速升温,3 min后活性炭床层温度趋于稳定；活性炭催化效果测试结果表明木质活性炭具有更好的催化活性。然后,考察了微波功率、空速比、CH4与C02摩尔比等变量对重整反应的影响。结果表明：增加微波功率、降低空速比及减小CH4和C02摩尔比均有助于提高CH4和C02转化率、降低合成气中H2/CO摩尔比以及减少碳元素的迁移量。通过CH4裂解和CO2气化活性炭实验和CH4/CO2重整的对比可知,CH4裂解过程中产生的积炭是影响CH4转化的重要因素,C02的参与能消除部分积炭。本文还进行了木质活性炭的活性测试。测试结果表明：0-50 min,活性炭表现了较好的催化活性；反应进行到90 min时,CH4和CO2转化率分别从反应初期的82.4%和62.7%减少到25.8%和27.1%。元素分析、比表面分析、扫描电镜以及含氧官能团滴定等表征手段显示失活原因是积碳的形成和表面含氧官能团的消耗。最后计算了CH4/CO2重整反应的热利用率,并对CH4/CO2重整过程进行了能耗分析。结果表明,本实验中CH4/CO2重整反应最高热利用率为5.81%。大量的散热损失是导致重整反应热利用率较低的主要原因,为减少这部分散热损失,建议在散热表面加对微波辐射透明的隔热材料,经估算加隔热材料后散热损失减少50%,热利用率提高到50%左右。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 合成气及其制备工艺
• 4和CO₂利用与合成气'>1.1.2 CH₄和CO₂利用与合成气
• 4/CO₂重整制合成气研究进展'>1.2 CH₄/CO₂重整制合成气研究进展
• 1.2.1 不同催化剂的研究
• 1.2.2 催化剂失活特性研究
• 1.2.3 不同加热方式的研究
• 1.3 本文研究目的和主要内容
• 4/CO₂重整反应理论分析'>第2章 CH₄/CO₂重整反应理论分析
• 4/CO₂重整反应热力学分析'>2.1 CH₄/CO₂重整反应热力学分析
• 4/CO₂重整动力学研究'>2.2 CH₄/CO₂重整动力学研究
• 2.3 本章小结
• 4/CO₂微波重整制合成气实验研究'>第3章 CH₄/CO₂微波重整制合成气实验研究
• 3.1 实验系统及步骤
• 3.2 实验分析方法
• 3.3 实验结果分析
• 3.3.1 活性炭的升温特性实验
• 3.3.2 活性炭种类的影响
• 3.3.3 微波功率的影响
• 4/CO₂摩尔比的影响'>3.3.4 CH₄/CO₂摩尔比的影响
• 3.3.5 空速比的影响
• 3.3.6 重整反应机理探究
• 3.3.7 木质活性炭活性测试
• 3.4 木质活性炭表征测试
• 3.4.1 元素、比表面积、扫描电镜分析
• 3.4.2 表面含氧官能团滴定
• 3.5 本章小结
• 4/CO₂重整反应热平衡计算及分析'>第4章 CH₄/CO₂重整反应热平衡计算及分析
• 4/CO₂重整反应热利用率计算'>4.1 CH₄/CO₂重整反应热利用率计算
• 4.1.1 热平衡计算模型
• 4.1.2 最佳实验工况的选取
• 4/CO₂重整反应热平衡分析'>4.2 CH₄/CO₂重整反应热平衡分析
• 第5章 全文总结
• 5.1 结论
• 5.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术成果
• 学位论文评阅及答辩情况表