[發(fā)明專利]一種基于氫溢流的生物質(zhì)臨氫催化快速熱解裝置及方法

有效

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• 申請日: 2020-09-07
• 公開（公告）號: CN112300825B
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張波;何騰飛;仲思穎;劉辰昊
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: C10G1/08
• 分類號: C10G1/08;C10G1/06;C10G1/00
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11467
• 代理人: 王繹涵

本發(fā)明涉及一種基于氫溢流的生物質(zhì)臨氫催化快速熱解裝置及方法，采用氫氣作為載氣，利用鼓泡流化床作為生物質(zhì)的熱解反應(yīng)器，將氧化鋁顆粒置于流化床內(nèi)，以增強生物質(zhì)顆粒的流化特性。熱解氣流經(jīng)非原位催化反應(yīng)器，采用Pt/TiO₂與ZSM?5分子篩的混合物作為復(fù)合催化劑，利用催化劑上的氫溢流現(xiàn)象對ZSM?5進(jìn)行補氫，加強熱解氣在催化劑內(nèi)的催化提質(zhì)，降低了生物油中的含氧量，提升生物油中烴類的含量。同時，利用氫氣作為載氣以降低催化劑的結(jié)焦量。本發(fā)明通過采用基于氫溢流的非原位催化提質(zhì)的方法，延長了催化劑的使用壽命，實現(xiàn)了生物質(zhì)向高品質(zhì)生物油的轉(zhuǎn)化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及化工和能源利用領(lǐng)域中的生物質(zhì)催化熱解制油技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于氫溢流的生物質(zhì)臨氫催化快速熱解裝置及方法。

背景技術(shù)

生物質(zhì)能作為一種可再生能源，通過熱化學(xué)方法將其轉(zhuǎn)化為可利用的生物油、合成氣已經(jīng)得到廣泛研究，其中熱解技術(shù)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物油表現(xiàn)出了良好的效果。通過生物質(zhì)直接熱解得到的生物油具有“多氧缺氫”的特點，由此導(dǎo)致了初始熱解生物油具有熱值低(16～19MJ/kg)、含水量高、粘度大、腐蝕性大、穩(wěn)定性低的缺點，因此限制了其直接作為化石燃料的替代品或者與化石燃料摻混使用的可能性。因此，需要在生物質(zhì)熱解過程中進(jìn)行催化提質(zhì)研究。

ZSM-5分子篩在結(jié)構(gòu)上具有直孔道(0.53nm×0.56nm)與弦形孔道(0.51nm ×0.55nm)雙向交叉的納米微孔，生物質(zhì)初級熱解蒸氣中的含氧化合物就是在這些孔道內(nèi)通過脫水、脫羰基以及脫羧基反應(yīng)完成催化裂解脫氧，生成烴類，由此提高熱解生物油的質(zhì)量。

現(xiàn)階段的生物質(zhì)催化快速熱解技術(shù)通常是在He、N₂的惰性氛圍下進(jìn)行，但是研究表明，惰性氛圍會導(dǎo)致碳效率低、催化劑易積累焦炭導(dǎo)致其失活。因此有必要探索不同氣氛下的生物質(zhì)熱解效果。

“氫溢流”的概念最早出現(xiàn)于1964年，氫氣在銠、鉑、錸、釕貴金屬上被解離化學(xué)吸附成活性的原子態(tài)氫，而后通過表面遷移與可被還原的金屬氧化物載體(TiO₂、ZrO₂、WO₃等)反應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)子氫和電子，然后通過在載體表面的不斷擴(kuò)散向與載體臨近的分子篩孔道內(nèi)擴(kuò)散，以補充分子篩中的Bronsted酸，以供生物質(zhì)熱解氣的催化提質(zhì)，降低其中的含氧量。

基于以上背景，現(xiàn)今的生物質(zhì)催化快速熱解技術(shù)中存在著以下問題和挑戰(zhàn)：

(1)ZSM-5分子篩在生物質(zhì)催化快速熱解中會不可避免的出現(xiàn)結(jié)焦問題，而結(jié)焦問題與反應(yīng)氣氛緊密相關(guān)，反應(yīng)氣氛選用不當(dāng)，會導(dǎo)致催化劑結(jié)焦量上升，活性降低，大大縮短催化劑的使用壽命，同時也會引起碳利用率降低。

(2)現(xiàn)今生物質(zhì)催化快速熱解得到的生物油雖然質(zhì)量上有了很大的提高，但是和化石燃料相比，仍然有著很大的差距，含氧量高、烴類含量低的問題依然顯著，使其難以有效利用。

(3)現(xiàn)今通常將熱解氣中富含氫氣和甲烷的不可冷凝氣體單獨收集使用，但是其中豐富的氫含量有利于提升生物質(zhì)熱解氣催化提質(zhì)，以提升生物油的質(zhì)量，沒有進(jìn)行直接循環(huán)利用。

發(fā)明內(nèi)容

本申請人針對上述現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)中的缺點，提供一種基于氫溢流的生物質(zhì)臨氫催化快速熱解裝置及方法，從而提高催化劑抗結(jié)焦性和高質(zhì)量生物油生產(chǎn)能力。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種基于氫溢流的生物質(zhì)臨氫催化快速熱解裝置，包括熱解反應(yīng)器，所述熱解反應(yīng)器底部設(shè)有供氫氣源接入的載氣進(jìn)口，熱解反應(yīng)器頂部設(shè)有物料入口和熱解氣出口，所述熱解氣出口通過第一管道與內(nèi)部裝有復(fù)合催化劑的非原位催化反應(yīng)器的入口連接，非原位催化反應(yīng)器的出口與冷凝裝置的進(jìn)氣口連接，所述冷凝裝置的出氣口通過第二管道與載氣進(jìn)口連接；所述復(fù)合催化劑采用 Pt/TiO₂與ZSM-5分子篩的混合物。

其進(jìn)一步技術(shù)方案為：