改性HZSM-5催化農(nóng)林生物質(zhì)熱解制備生物油

鹽城工學(xué)院 汽車工程學(xué)院 張建 仲子愷 金麗珠 樊永勝

隨著化石能源儲(chǔ)備量不斷下降和需求量不斷提高，不可再生化石能源面臨著日漸枯竭，因此，開發(fā)與利用儲(chǔ)量巨大、可再生、二氧化碳“零排放”的生物質(zhì)能源受到全社會(huì)廣泛關(guān)注。生物質(zhì)如何高效轉(zhuǎn)化并獲得高附加值的化工原料和替代燃料（生物柴油、生物汽油等）成為了近年來研究的熱點(diǎn)[1,2]。生物質(zhì)熱裂解是目前生物質(zhì)能高效利用的方式之一，通過該方式，生物質(zhì)產(chǎn)生熱裂解液（下稱生物油），可作為一種初級(jí)燃料。但生物油存在含氧值高、腐蝕性高、黏度高、熱值低及穩(wěn)定性低等明顯缺點(diǎn)，因此，生物油進(jìn)一步的改造提質(zhì)十分必要。通過在熱裂解過程中添加適當(dāng)催化劑，是目前生物油改造提質(zhì)的主要手段，所用催化劑的改性值得深入研究[3,4]。李小華等[5]采用經(jīng)Fe、Co、Cu元素改性的HZSM-5催化熱解制備生物油，與非改性催化劑相比，精制生物油中烴類總量得到明顯提升。樊永勝等[6]采用Zn元素改性的HZSM-5催化熱解制備生物油，熱解產(chǎn)物中烴類含量和組成均有明顯提升和改善。目前，利用P、Zn、Ti等元素改性HZSM-5，并直接用以生物油熱解催化的研究還比較少。本研究采用離子交換法對(duì)HZSM-5分別進(jìn)行了P、Zn、Ti元素浸漬改性，并對(duì)熱解催化效果進(jìn)行了測(cè)試與分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1 生物質(zhì)原料

本試驗(yàn)以油菜秸稈為原料。油菜秸稈經(jīng)自然風(fēng)干、粉碎、恒溫干燥，制成粒徑為0.25～0.42mm的干燥試樣[5,7]。

1.2 改性HZSM-5制備及表征

1.2.1 催化劑制備

硅鋁比為50(Si/Almolarratio=50)的HZSM-5原粉，經(jīng)550℃煅燒2h后，置于80℃恒溫的(NH3)3PO4、Zn(NO3)2和TiCl3溶液中浸漬4h，后經(jīng)充分過濾和洗滌，置于鼓風(fēng)干燥箱中105℃干燥4h，最后將所得催化劑置于馬弗爐中550℃煅燒4h，即可分別獲得P、Zn、Ti元 素 改 性 的HZSM-5（P/HZSM-5、Zn/HZSM-5、Ti/HZSM-5），該改性過程控制P、Zn、Ti負(fù)載量在3%左右[7,8]。

1.2.2 催化劑表征

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(scanningelectronmicroscope,SEM)（S-4800型）聯(lián)合X射線微區(qū)能譜分析儀(energydispersive spectrometer,EDS)進(jìn)行催化劑表征，檢測(cè)P、Zn、Ti元素改性的HZSM-5表面的元素負(fù)載分布情況。

1.3 試驗(yàn)系統(tǒng)和方法

試驗(yàn)所采用的生物質(zhì)熱解及改性HZSM-5在線催化系統(tǒng)如圖1所示。參考已有研究成果，確定本次試驗(yàn)條件如下：熱解終溫為495.5℃，升溫速率為19.4℃/min，保溫時(shí)間為50min，體系壓力為5.0kPa[7,9]，HZSM-5催化床層高度為33.2mm[10]。為提高改性HZSM-5的催化效率，試驗(yàn)前將催化劑550℃預(yù)熱1h。P、Zn、Ti元素改性HZSM-5熱解催化后所得精制生物油分別記作Bio-oilI、Bio-oilII和Bio-oilIII。通過稱量系統(tǒng)中殘?zhí)康馁|(zhì)量，以殘?zhí)康馁|(zhì)量/生物質(zhì)原料質(zhì)量，計(jì)算固相產(chǎn)物的產(chǎn)率；通過稱量液相產(chǎn)物及生物油的質(zhì)量，以液相產(chǎn)物或生物油的質(zhì)量/生物質(zhì)原料質(zhì)量，計(jì)算液相產(chǎn)物及生物油產(chǎn)率；依據(jù)質(zhì)量守恒原則，以（生物質(zhì)原料質(zhì)量-殘?zhí)康馁|(zhì)量-液相產(chǎn)物質(zhì)量）/生物質(zhì)原料質(zhì)量，計(jì)算氣相產(chǎn)物產(chǎn)率[6]。

圖1 生物質(zhì)熱解及改性HZSM-5在線催化系統(tǒng)示意圖[7]

1.4 精制生物油分析

采用氣質(zhì)聯(lián)用(gaschromatograph/massspectroscopy,GC-MS)分析儀（Agilent7890A/5975型）對(duì)精制生物油中的有機(jī)物組成和相對(duì)百分含量（峰面積歸一化法）進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 催化劑表征分析

利用SEM-EDS聯(lián)合檢測(cè)P、Zn、Ti元素改性的HZSM-5表面微區(qū)，所測(cè)能譜圖如圖2所示。由圖可知，P、Zn、Ti三種元素均浸漬成功，經(jīng)過對(duì)樣品特征X射線的數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)分析，三種元素的實(shí)際負(fù)載量均在3%左右。

圖2 改性HZSM-5的SEM-EDS能譜圖

2.2 熱解催化提質(zhì)效果

2.2.1 產(chǎn)物產(chǎn)率

經(jīng)P、Zn、Ti元素改性的HZSM-5熱解催化后，測(cè)定了各相產(chǎn)物的產(chǎn)率，其分布對(duì)比圖見圖3。由圖3可知，經(jīng)P、Zn、Ti元素改性的HZSM-5催化后，對(duì)應(yīng)的氣相產(chǎn)物（Gas）產(chǎn)率依次增加，液相產(chǎn)物（Liquid）及生物油（Bio-oil）產(chǎn)率依次降低。以未改性的HZSM-5為催化劑試驗(yàn)中，氣相產(chǎn)物產(chǎn)率為40.18%，精制生物油產(chǎn)率為22.14%。經(jīng)P、Zn、Ti元素改性的HZSM-5熱解催化后，氣相產(chǎn)物產(chǎn)率依次提高至45.27%、47.05%和48.24%，表明催化裂解性能順序?yàn)門i元素＞Zn元素＞P元素＞未改性；精制生物油產(chǎn)率分別降低至19.97%、18.52%和17.85%，表明催化裂解性能提高的同時(shí)，液化能力降低，催化裂解性能越高，液化能力下降越多。每次熱解后固體殘余量(Char）基本保持不變，說明相同反應(yīng)條件下，催化劑僅改變了氣液兩相之比，幾乎不影響固相產(chǎn)率。

圖3 P、Zn、Ti改性HZS-5分子篩對(duì)各相產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

2.2.2 生物油中有機(jī)物組成及含量測(cè)定與分析

按照有機(jī)物的類別，可將熱解后烴類物質(zhì)大致分為脂肪烴(aliphatichydrocarbons,AHCs)、單環(huán)芳香烴(monocyclicaromatic hydrocarbons,MAHs)、多環(huán)芳香烴(polycyclicaromatichydrocarbons,PAHs)三大類物質(zhì)[5]。本研究采用GC-MS對(duì)精制生物油中的三大類有機(jī)化合物進(jìn)行定量測(cè)定與分析。不同催化劑下生物油中三大類烴類物質(zhì)的含量占比如圖4所示。圖中列出了油菜秸稈普通熱解制備的生物原油組成[9]及用未改性HZSM-5為催化劑所得油相產(chǎn)物組成[10]，并作為P/HZSM-5、Zn/HZSM-5、Ti/HZSM-5催化后精制生物油組成的參照。由圖分析可知，與生物原油的組成相比，經(jīng)過HZSM-5（無論是否改性）催化后，生物油中三大類烴類化合物的總含量明顯升高。與未改性的HZSM-5相比，P/HZSM-5、Zn/HZSM-5、Ti/HZSM-5催化劑均具備更強(qiáng)的碳?xì)浠衔锎呋x擇性，其中采用P/HZSM-5和Zn/HZSM-5催化制備的生物油中PAHs含量顯著提高，采用Ti/HZSM-5催化制備的生物油中AHCs的含量顯著提高，說明P元素和Zn元素對(duì)PAHs的催化選擇性強(qiáng)，Ti元素對(duì)AHCs的催化選擇性強(qiáng)。

圖4 P、Zn、Ti改性HZSM-5催化后生物油中烴類化合物

3 結(jié)論

(1)經(jīng)P、Zn、Ti元素改性的HZSM-5，其催化裂解性能順序?yàn)镻元素＜Zn元素＜Ti元素，具體表現(xiàn)為，氣相產(chǎn)物產(chǎn)率依次呈增加趨勢(shì)，液相產(chǎn)物及生物油產(chǎn)率依次呈降低趨勢(shì)。催化劑的加入僅改變了氣液兩相之比，幾乎不影響固相產(chǎn)率。

(2)與生物原油的組成相比，經(jīng)過HZSM-5（無論是否改性）催化后，生物油中三大類烴類化合物的總含量明顯升高。

(3)與未改性的HZSM-5相比，P/HZSM-5、Zn/HZSM-5、Ti/HZSM-5催化劑均具備更強(qiáng)的碳?xì)浠衔锎呋x擇性。實(shí)際應(yīng)用中，可選擇以HZSM-5為催化劑生產(chǎn)富含單環(huán)芳香烴的產(chǎn)物，以P/HZSM-5和Zn/HZSM-5為催化劑生產(chǎn)富含多環(huán)芳香烴的產(chǎn)物，以Ti/HZSM-5為催化劑生產(chǎn)富含脂肪烴的產(chǎn)物。