镍-橄榄石催化剂的作用及利用超临界水气化技术处理城市垃圾以提取氢气

《Biomass and Bioenergy》：Nickel-olivine catalyst action and supercritical water gasification processing of municipal waste for hydrogen extraction

氢能生产与碳转化效率优化：市政固废超临界水气化过程研究。研究采用600-900℃温度梯度及0-10% Ni-olivine CaO催化剂负载量，通过22.1MPa压力、60分钟滞留时间实现MSW高效气化。结果显示900℃时氢气产率达57.8%，焦油减少4.4%，碳转化效率达89.4%。10%催化剂负载时氢选择性提升至67.5%，碳平衡性能显著优于非催化剂系统。

　　

马德米诺夫·桑贾尔贝克·马克斯穆德琼·乌格利 | 普拉迪普·库马尔·辛格 | G. 特贾斯里·德维 | 希曼舒·马基贾 | P.S. 兰吉特 | 马尼什·纳格帕尔 | 庞穆鲁甘·潘尼尔塞尔瓦姆 | 拉米亚·马拉南 | 阿南德·拉詹德兰 | M. 穆拉利

乌兹别克斯坦乌尔根奇市阿布·拉伊汉·比鲁尼命名的乌尔根奇州立大学运输系统系主任

摘要

本研究通过超临界水气化（SCWG）工艺，利用不同比例的镍-橄榄石钙氧化物（Ni-olivine CaO）处理城市固体废物（MSW），以提高氢气产量并减少焦油生成。在SCWG过程中，气化温度控制在600°C至900°C之间，随后在22.1 MPa的压力下保持60分钟。较高的气化温度（900°C）实现了57.8%的氢气产量，显著降低了焦油生成量（4.4%），并且气化效率（GE）和碳转化效率（CCE）分别提高了82.6%和89.4%。此外，还评估了Ni-olivine CaO催化剂对合成气产量和氢气性能的影响。10 wt%的Ni-olivine CaO催化剂使氢气产量达到65.6%，氢气选择性提高了67.5%，焦油生成量减少了1.8%，气化效率和碳转化效率分别达到了90.5%和95.8%，且碳平衡性能优于无催化剂系统。数据表明，高温结合Ni-olivine-CaO催化剂可显著提升氢气生产、碳转化和焦油减少效果，表明超临界水气化（SCWG）是将废物转化为氢气的一种有前景的方法。

引言

利用生物废物生产富含氢气的合成气是一种理想的选择。这种方法为废物增值和可再生能源生产提供了可持续的途径[1]。城市固体废物（MSW）是城市地区丰富且持续产生的资源，包含有机和无机物质[2]。传统的处理方法，如填埋和焚烧，会带来严重的环境问题，包括温室气体排放和土壤污染[3]。将MSW转化为氢气则为废物管理和可再生能源生产提供了可持续的解决方案[4]。作为清洁能源载体，氢气具有高能量密度，并在使用过程中不释放碳。在各种方法中，热化学过程尤其是气化工艺能够高效地将MSW转化为富含氢气的合成气[5]。MSW中的大部分可生物降解有机物可以通过控制反应生成H₂。利用MSW生产氢气不仅有助于减轻环境污染，还能增强能源安全[6]。因此，从MSW中生成氢气成为可持续能源和高效废物转化技术的一种有前景的战略。超临界水气化（SCWG）利用超过其临界温度和压力的水将湿生物质或有机废物转化为富含氢气的合成气[7]。

该工艺能够高效、清洁且快速地进行转化，无需干燥原料[8]。在700°C和350巴的压力下对MSW进行SCWG处理，是比传统气化工艺更有效的有机废物转化为能源的方法[9]。在最佳条件（650°C、22 MPa、废物与水比例为1:5）下，温度是最重要的参数[10]。实验结果显示，最高的气化效率（GE）约为155.17%，能量回收率（HE）约为140.21%，表明SCWG是生产富含氢气的合成气并从废物中回收能源的有效方法。同样，SCWG也能高效地将湿市政污泥转化为富含氢气的气体，最佳条件为87 wt%的水分、25 MPa和n = 0，可最大化H₂和CH₄的产量[11]。

在SCWG过程中，催化剂通过提供蒸汽重整、焦油裂解和脱氢等反应的活性位点来提高超临界水气化的效率[12]。因此，通常使用镍（Ni）、钌（Ru）和铂（Pt）等过渡金属作为催化剂载体，如橄榄石或Al₂O₃[13]。这类催化剂可以提高氢气产量，减少甲烷和焦油生成，并提升整体气化效率。宋等人[14]的研究表明，使用铁矿石或氧化铁作为催化剂可降低MSW热解的活化能，分别从180.32 kJ/mol降至151.76 kJ/mol和150.18 kJ/mol，同时提高转化效率至55.81%和55.05%，并增加H₂、CO和CO₂的产量，减少焦油杂原子的含量。使用钴-碱污泥飞灰（Co-A-SFA）催化剂处理MSW和松木屑（PSD）也能显著提高合成气产量并减少重质烃[15]。将催化剂负载量从5 wt%增加到10 wt%后，H₂产量从25.4%提高到28.3%。Ni-CaO催化剂与废大理石粉（WMP）结合使用后，显著提升了MSW的气化效率，增加了H₂产量和干气产量，同时减少了焦油生成；双金属催化剂Ni-Co-WMP表现出最佳性能，H₂产量达到549–629 mL/g[16]。

然而，来自不同废物的氢气合成气及其在合成气生产、碳转化和气化效率方面的应用表明，通过传统气化工艺从城市固体废物中获得的氢气合成气存在碳转化率低、氢气产量有限以及气化效率波动较大、焦油生成量高的问题，这限制了整体氢气产量的提升。本研究探讨了在不同操作条件下使用MSW进行SCWG以生产氢气的方法。实验在气化温度约为600、700、800和900°C，蒸汽与碳的摩尔比为2，压力为22.1 MPa，停留时间为60分钟的条件下进行。同时引入了橄榄石/CaO催化剂，并将Ni以不同比例（0%、2.5%、5%、7.5%和10%）与催化剂结合。通过分析气体组成、碳转化效率和气化效率，得出了最佳结果。

部分内容摘要

原料准备

本研究选择MSW作为SCWG的原料，因为其含有较高的有机成分（50–60 wt%）和水分（40–55 wt%），从而减少了干燥的需求。这些MSW来自印度泰米尔纳德邦金奈的M/S. Saveetha大学周边地区。为减少成分差异，收集的MSW经过分类，去除了玻璃、金属等杂质。初步和最终分析证实了其丰富的碳和氢含量。

温度效应

实验在不同的温度和催化剂条件下对MSW生物质进行了SCWG处理。最初，气化温度分别为600、700、800和900°C，蒸汽与碳的摩尔比为2，压力保持在22.1 MPa，停留时间为60分钟。图4显示了合成气组成随温度的变化情况。MSW SCWG过程中合成气组成的变化反映了控制氢气生成的热化学反应。

结论

通过超临界水气化（SCWG）工艺，无论是否使用镍-橄榄石钙氧化物（Ni-olivine CaO）催化剂，都能有效从城市固体废物（MSW）中提取氢能。为了找到最佳的气化温度，初步实验在600°C至900°C之间进行，随后在22.1 MPa压力下保持60分钟停留时间。较高的气化温度（900°C）表现出更好的气化性能和更高的氢气产量。

资金声明

本研究未使用任何资金。

作者贡献声明

马德米诺夫·桑贾尔贝克·马克斯穆德琼·乌格利：数据整理、方法论设计。普拉迪普·库马尔·辛格：数据分析、项目管理。G. 特贾斯里·德维：资金筹措。希曼舒·马基贾：资源调配。P.S. 兰吉特：概念构思。马尼什·纳格帕尔：实验研究。庞穆鲁甘·潘尼尔塞尔瓦姆：软件开发、验证。拉米亚·马拉南：数据可视化。阿南德·拉詹德兰：撰写、审稿与编辑。M. 穆拉利：监督、初稿撰写。