[發(fā)明專利]基于光熱協(xié)同效應(yīng)的催化重整生物質(zhì)焦油的方法及裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011220904.7
• 申請(qǐng)日: 2020-11-11
• 公開（公告）號(hào): CN112538389A
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳冠益;董曉珊;顏蓓蓓;李健;程占軍;林法偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): C10J3/84
• 分類號(hào): C10J3/84
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 劉歌

一種基于光熱協(xié)同效應(yīng)的催化重整生物質(zhì)焦油的方法及裝置，該方法包括在流動(dòng)氣氛中，將光熱催化劑加熱到反應(yīng)溫度，之后提供光源照射，形成光熱催化區(qū)域；在流動(dòng)氣氛中，向光熱催化區(qū)域中通入攜帶有焦油和水蒸氣的合成氣，焦油在光熱催化區(qū)域發(fā)生反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)脫除。本發(fā)明首次將光催化引入熱催化脫除生物質(zhì)焦油領(lǐng)域，利用具有優(yōu)良光熱催化性能的催化劑激發(fā)光熱協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了焦油的低溫高效脫除；光熱催化有效促進(jìn)了反應(yīng)過(guò)程中電子的激發(fā)和轉(zhuǎn)移，有助于降低反應(yīng)平均反應(yīng)溫度，從而在一定程度上降低傳統(tǒng)熱催化的能耗，減少升溫/降溫過(guò)程的時(shí)間成本，同時(shí)有望降低對(duì)熱催化裝置的嚴(yán)格要求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于生物質(zhì)焦油脫除領(lǐng)域，具體涉及一種基于光熱協(xié)同效應(yīng)的催化重整生物質(zhì)焦油的方法及裝置。

背景技術(shù)

焦油是生物質(zhì)氣化過(guò)程中產(chǎn)生的主要有機(jī)污染物，由各種可冷凝碳?xì)浠衔锝M成的復(fù)雜混合物，包括單環(huán)至5環(huán)芳族化合物以及其他含氧烴和復(fù)雜多環(huán)芳烴(PAHs)。焦油在較低溫度下容易冷凝并進(jìn)一步聚合為更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，引發(fā)下游設(shè)備的腐蝕與磨損，降低系統(tǒng)的整體效率，是生物質(zhì)氣化工業(yè)應(yīng)用的巨大挑戰(zhàn)之一。目前可以通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)，調(diào)整反應(yīng)工況和采用原位催化劑等手段在一定程度上抑制爐內(nèi)焦油的生成，但氣化器出口合成氣品質(zhì)仍難以滿足費(fèi)托合成、燃料電池等下游應(yīng)用較為嚴(yán)苛的焦油限制。需要采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行爐外脫焦是當(dāng)下研究的重點(diǎn)。

常用的爐外脫除法分為物理法和化學(xué)法。以吸附吸收為主的物理法難以實(shí)現(xiàn)焦油的根本性脫除，并且常常伴隨著能量損失和廢液污染。而化學(xué)法能在去除焦油的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高合成氣質(zhì)量，是一種十分具有應(yīng)用前景的焦油脫除方法。熱裂解反應(yīng)溫度一般在1000℃以上，對(duì)設(shè)備要求較嚴(yán)格且耗能較高。蒸汽催化重整法廣泛用于焦油脫除研究，其優(yōu)勢(shì)在于：(1)生物質(zhì)本身含有5％-35％不等的水分，合成氣中含有的水分可被焦油蒸汽重整過(guò)程利用；(2)與熱裂解和干重整等焦油脫除方法相比，蒸汽重整過(guò)程中水蒸氣可與催化劑上的積碳發(fā)生反應(yīng)，這能在一定程度上抑制積碳的生成。但即便如此蒸汽重整過(guò)程還是難以消除團(tuán)聚、積碳等帶來(lái)的催化劑失活問(wèn)題，同時(shí)較高的反應(yīng)溫度帶來(lái)的能耗問(wèn)題也限制了此方法在焦油脫除領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。

與傳統(tǒng)的熱化學(xué)反應(yīng)相比，光催化利用太陽(yáng)能來(lái)驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，是一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可持續(xù)的解決方案。自從1972年Fujishima等人發(fā)現(xiàn)紫外光照射下TiO₂水分解現(xiàn)象以來(lái)，半導(dǎo)體光催化反應(yīng)已經(jīng)在太陽(yáng)能利用、有機(jī)合成和環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域得到了廣泛的研究。特別是在室內(nèi)環(huán)境治理方面，已經(jīng)有許多學(xué)者合成了各種光催化材料用于典型VOCs如苯、甲苯和萘的消除，并取得了不俗的效果。考慮到焦油組分中單環(huán)和二環(huán)化合物含量約占75％以上并且可作為光催化的處理對(duì)象，將光催化體系引入傳統(tǒng)的熱催化過(guò)程有望為生物質(zhì)焦油脫除領(lǐng)域帶來(lái)新的可能。

目前已有一些光熱催化在VOCs消除、CO₂有機(jī)合成和F-T合成中的相關(guān)研究。光引入熱催化體系可以有效地促進(jìn)協(xié)同的光熱效應(yīng)，使電子得到更多的激發(fā)、弛豫，并有效強(qiáng)化熱發(fā)射，從而提高熱催化活性，這有望克服單一光催化反應(yīng)對(duì)甲苯等有機(jī)物降解性能和反應(yīng)速率低等不足，又可降低熱催化的反應(yīng)溫度從而降低反應(yīng)過(guò)程的能耗。

針對(duì)上述焦油脫除存在的問(wèn)題，結(jié)合熱催化劑與光敏半導(dǎo)體材料的特性，在傳統(tǒng)的熱催化反應(yīng)體系中引入光催化過(guò)程，提供一種基于光熱催化反應(yīng)的生物質(zhì)焦油脫除的方法。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的之一在于提出一種基于光熱協(xié)同效應(yīng)的催化重整生物質(zhì)焦油的方法及裝置，以期至少部分地解決上述技術(shù)問(wèn)題中的至少之一。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于光熱協(xié)同效應(yīng)的催化重整生物質(zhì)焦油的方法，包括：

在流動(dòng)氣氛中，將光熱催化劑加熱到反應(yīng)溫度，之后提供光源照射，形成光熱催化區(qū)域；

在流動(dòng)氣氛中，向光熱催化區(qū)域中通入攜帶有焦油和水蒸氣的合成氣，焦油在光熱催化區(qū)域發(fā)生反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)脫除。