[发明专利]用挥发性有机金属化合物作为生物质气化催化剂的方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种用于提高生物质气化工艺效率和产量的方法。根据本发明，在气化处理之前和/或期间将挥发性有机金属化合物与生物质接触。本发明提供一种提高气体产量、减少由气化产生的残余焦油、原位产生甲醇和另外改善气化工艺的方法。

发明背景

气化是用于通过将原料在高温下与有限但测量量的氧和/或蒸汽反应使含碳物质转化为一氧化碳和氢的工艺。如果生物质天然地被充分氧化，那么气化中将不需要使用氧和/或蒸汽。得到的一氧化碳和氢气体混合物被称为合成气体或合成气。基本上，气化是用于从不同类型的有机材料提取能量的方法。得到的合成气与原始材料相比可能是更高效率的燃烧源。

可将合成气直接用于能量生产。合成气亦用于经由额外的处理产生甲醇和氢，或经由Fischer-Tropsch法转化为合成燃料，例如合成生物柴油。气化也能够利用以其它方式不能用作燃料的材料开始。例如，可将生物质/有机废弃物用作原料。

引入到气化工艺的能量量是从合成气减去净电力生产的主要的消耗。对产生气化所必需的能量亦有环境影响。另一方面，生物质气化和燃烧是CO₂中性的潜在的可再生能量。也就是说，生物质气化能够从大气中消耗与气化和燃烧排出的相同量的CO₂。

存在改进化学生物质气化工艺的需要。理想地，这样的改进将提高气体产量、减少焦油产生和另外产生改进的生物质气化工艺。另外，对于得到液体产物的气化产物部分，改进的气化工艺应该理想地产生甲醇，以制备更稳定的液体产物。

发明简述

本发明方法提供改进的生物质气化，包括较高的气体产量、降低固体产量(包括减少焦油产生)和减少液体产量。所述方法包括在气化处理之前和/或期间使生物质接触挥发性有机金属化合物，例如MMT、CMT、二茂铁等。另外，挥发性有机金属化合物与生物质中的木质素相互作用产生甲醇，进而从气化过程产生稳定的液体和/或油产物。此外，可捕获和使用得到的甲醇，或进一步加工。相对于不实施本发明方法的气化，通过本发明方法的生物质气化导致增加合成气生产。气化过程潜在是CO₂中性的。

本发明方法还提供在较低温度下增加气体产量。如此，能量输入总体减少同时提供增加的气体产量。能量减少降低了与气化过程相关的成本和环境影响。

关于增加的气体产量，意想不到地发现挥发性有机金属化合物以生物质质量4％的有机金属化合物的处理率，将总气体产量从450℃的41.5％(不用化合物的气化)提高到400℃的63.41％。生物质质量1％的有机金属化合物的处理率，将气体产量从450℃的41.5％增加到仅400℃的53.94％。传统上，为了获得较高的气体产量，采用较高的气化反应温度。然而，增加的能量输入非常昂贵，并引起相应的负面环境影响(即为产生较高输入温度消耗更多燃料)。本发明方法意想不到地在降低的反应温度下提供增加的气体产量。

生物质主要包含糖、碳水化合物、纤维素木质素、水和矿物质。业已发现尽管挥发性有机金属化合物不裂解和解聚木质素，但能裂解木质素单体(即结合形成木质素聚合物的分子)上的甲氧基。裂解木材木质素中的愈创木基单木质醇(monolignol)和丁香基单木质醇上的甲氧基导致甲醇产生。

如下所显示，用于本发明的挥发性有机金属化合物对生物质中的碳水化合物极具活性。换言之，挥发性有机金属化合物极为有效地使碳水化合物(糖、淀粉和纤维素)气化。本发明有机金属化合物以降低因气化而产生的焦油形成的方式与有机物相互作用。降低焦油产量导致增加气体产量。焦油/固体也阻塞气化反应器或系统。反应器必须离线周期性清理焦油。因此，本发明减少焦油或固体产物有几个优点。

本发明还涉及提高(降低)液体产量的方法。然而某些液体和/或油产生是不可避免的。由于产生甲醇，从本发明方法得到的液体比不添加本发明有机金属化合物由生物质气化产生的液体/油更稳定。

本文“有机金属化合物”意即含有碳-金属部分的任何分子。这些化合物可是“挥发性的”，因为它们能够在环境条件直至约450℃升华或蒸发。因此，挥发性有机金属化合物可为例如但不限于：环化(cyclomatic)羰基锰化合物，例如甲基环戊二烯基三羰基锰、环戊二烯基三羰基锰、羰基锰物质；二茂铁和羰基铁物质；含铈化合物；铂基金属化合物；等或其混合物。