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太阳能驱动烘焙木与废塑料共催化热解制备芳烃和轻烯烃的基础研究

批准号:
52076112
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
陈登宇
依托单位:
学科分类:
可再生能源与新能源转化利用
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈登宇

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
BTX芳烃(苯、甲苯、二甲苯)和轻烯烃(乙烯、丙烯、丁烯)是重要基础化学品,主要来自化石燃料的二次加工。随着环境污染愈发严重,亟需研究并掌握一种基于新能源和可再生资源的制备机理与方法。由此,本项目提出了基于太阳能驱动的“富氧”林业生物质与“富氢”废塑料共择形催化热解制备BTX芳烃和轻烯烃的新思路。通过木质原料脱氧补氢、择形催化热解、太阳能驱动热反应,以期解决生物基产品制备技术瓶颈背后的核心基础科学问题(原料有效氢碳比低、目标产物收率低、催化剂积碳失活)。研究内容包括,(1)林业生物质有氧烘焙及热解含氧产物的演变规律、(2)烘焙木与废塑料在催化热解过程中的协同作用、(3)BTX-轻烯烃-积碳与金属改性催化剂的构效关系、(4)太阳能聚光供热与原料热解系统的关联匹配机制。通过本项目的实施,掌握一种利用太阳能和废弃物制备高值BTX芳烃和轻烯烃的方法,为生物质与废塑料的清洁、高效利用提供科学支撑。
英文摘要
BTX aromatics (benzene, toluene, xylene) and light olefins (ethylene, propylene, butene) are important basic chemicals, which mainly derived from the secondary processing of fossil fuels. With the increasingly serious environmental pollution, it is urgent to master the preparation method and mechanism of high-value chemicals based on the new energy and renewable resources. In this project, a new idea is proposed for preparing BTX aromatics and light olefins by shape-selective catalytic co-pyrolysis of "oxygen-rich" forestry biomass and "hydrogen-rich" waste plastics based on solar concentrated heating. The core scientific problems behind the bottleneck of bio-based chemical preparation technology are as following: low effective hydrogen-carbon ratio of raw materials, low yield of target products, and deactivation of coke deposited catalyst. The above problems are expected to be solved by deoxygenation and hydrogen supplement of raw materials, shape-selective catalytic pyrolysis, and solar-driven thermal reaction. Thus, there are four specific research contents in this project, namely, (1) oxidative torrefaction of wood processing residues and its effects on the oxygen-containing intermediates during pyrolysis, (2) synergistic effect of torrefied biomass and waste plastics in co-pyrolysis process, (3) structure-activity relationship between the pyrolysis products (aromatic, olefin, and coke deposition) and the metal modified catalysts, and (4) coupling mechanism of solar energy heating and biomass pyrolysis system. The goals of this article are to master an effective method of preparing high-value BTX aromatics and light olefins from solar energy and wastes, and to provide scientific support for the clean and efficient utilization of waste wood and plastic.
BTX芳烃(苯、甲苯、二甲苯)和轻烯烃是重要的化工原料。生物质催化热解可以制取芳烃和烯烃,但存在着生物质“富氧乏氢”的品质缺陷,以及原料预处理能耗高、轻质芳烃收率低、催化剂易积炭失活等问题。由此,本项目采用“烘焙脱氧、共混补氢”策略,即利用太阳能驱动生物质烘焙脱氧并通过添加富氢的废塑料以改善原料品质,同时通过碱脱硅预处理等手段对HZSM-5进行扩孔改性,制备具有微介孔结构的多级孔分子筛催化剂,提高芳构化反应程度和BTX产率。主要研究内容如下。对比分析了太阳能驱动与电加热驱动烘焙预处理对生物质理化性质的影响,松木、花生壳和大豆秸秆太阳能烘焙的脱氧效率比电加热烘焙处理提高1.2~2.0%。研究了生物质热分解机理,对纤维素、半纤维素和木质素热解行为、动力学特性和产物性质进行了详细的表征和分析,揭示了热解气及含氧气相中间体的析出规律,提出了三组分热解生成不冷凝气、生物炭和生物油的综合反应路径。研究了在不同种类(HZSM-5(25)、HZSM-5(85)、USY、HY和MCM-41)分子筛催化剂下,杨木、生物质三组分和LDPE催化快速热解轻质芳烃和烯烃的协同效应。在五种分子筛中,HZSM-5(25)对杨木、杨木三组分和低密度聚乙烯(LDPE)单独催化快速热解制取轻质芳烃产率最高,以纤维素为主要成分的三组分混合物均与LDPE表现出较强的协同效应,纤维素和木聚糖与LDPE共催化热解促进轻质芳烃生成,而木质素抑制芳烃生成。由此提出了生物质三组分与LDPE共催化热解制取轻质芳烃和烯烃的反应路径。项目研究具有一定的科学意义,并在生物质热解气化等领域具有一定的应用前景。发表论文19篇,其中SCI收录论文16篇(中科院分区SCI一区14篇),入选ESI高被引论文3篇、ESI热点论文1篇。授权发明专利3件,相关成果入选2022年度江苏省行业领域十大科技进展。项目团队入选江苏省高等学校优秀创新团队,项目负责人入选国家级青年人才工程,获2022年度江苏省科学技术奖三等奖(排1)、2023年度国家科学技术进步奖二等奖(排2)。
生物质选择性脱灰脱氧与催化热解多联产的耦合机制研究
  • 批准号:
    51776100
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    58.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    陈登宇
  • 依托单位:
生物质三组分烘焙脱氧及其对热解液体产物的调控机制研究
  • 批准号:
    51406089
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    26.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    陈登宇
  • 依托单位:
国内基金
海外基金