[发明专利]用于生物质的热催化转化的耐火混合的金属氧化物和尖晶石的组合物

说明书

技术领域

本发明涉及在催化过程中使用的催化剂，更具体地涉及在固体生物质材料的催化热解过程或气化中使用的催化剂。

技术背景

生物质，尤其是植物来源的生物质，被认为是一种燃料和专用化学品的充足潜在来源。参见例如P.McKendry编著的“来自生物质的能源生产(Energy production from biomass)”，《生物来源技术(Bioresource Technology)》83(2002)，第37-46页和Wyman等人编著的“领先的生物质预处理技术的协调发展(Coordinated development of leading biomass pretreatment technologies)”，《生物来源技术》96(2005)1959-1966。精制生物质原料(如植物油、淀粉和糖)基本能被转化为液体燃料，所述液体燃料包括生物柴油(如脂肪酸的甲基酯或乙基酯)和乙醇。然而，将精制的生物质原料用于燃料和专用化学品会从动物和人消费中分流食物资源，从而产生经济和道德问题。

或者，不可食用的生物质能够用于生产液体燃料和专用化学品。不可食用的生物质例子包括农业废料(如甘蔗渣、秸秆、玉米秸、玉米壳等)和专门种植的能源作物(像柳枝稷(switch grasses)和锯齿草)。其它例子包括树木、林业废料(如采伐作业产生的木屑和锯屑)、或来自纸和／或造纸厂的废料。另外，生物质的水产养殖来源(如藻类)也是生产燃料和化学品的潜在原料。不可食用的生物质通常包括三种主要组分：木质素、无定形半纤维素和结晶纤维素。某些组分(如木质素)能降低生物质的化学和物理可及性，从而降低化学和／或酶转化的易感性(susceptibility)。

由生物质生产燃料和专用化学品的尝试能得到低价值的产品(如不饱和的、含氧的、和／或环状烃)。虽然这些低价值产品能被升级为较高价值产品(如，常规汽油、航空燃料)，但是升级需要专门的和／或昂贵的转化方法和／或精炼装置，这与常规基于石油的转化方法和精炼装置不同而且不兼容。由于大规模的生产设施并非广泛可得并且其造价可能十分昂贵，因此生物质的广泛使用和实施以生产燃料和专用化学品面临很多挑战。另外，现有方法可能需要极端条件(如，高温和／或高压、昂贵的工艺气体如氢气，这增加了投资和操作成本)、需要昂贵的催化剂、转化效率低下(如，不完全转化或无法转化木质素-纤维素和半纤维素材料)，和／或产物选择性差。

迄今为止，人们一直需要转化固体生物质材料用以生产燃料和专用化学品的新颖的且改良的方法。

发明内容

本发明的一些方面涉及一种纤维素生物质的催化热解的方法，该方法包括在催化剂体系存在的情况下加热纤维素生物质至转化温度，其中所述催化剂体系包括混合的金属氧化物催化剂，其表示为化学式X₁O·(X₂O)_a(X₃Y_bO₄)，其中X₁、X₂和X₃是选自Mg、Ca、Be、Ba及其混合物的碱土元素，并且Y是选自Al、Mn、Fe、Co、Ni、Cr、Ga、B、La、P及其混合物的金属。在一些实施方式中a能够是0或1，b能够是1或2。在优选的实施方式中，催化剂体系通过煅烧一种或多种含有选自碱土元素和金属元素的元素的化合物形成。X₁、X₂和X₃能够是相同或不同的元素。在一些实施方式中，化合物包含至少一种碱土元素和铝并且是阴离子或阳离子粘土。例如，阴离子粘土是水滑石或水滑石状的化合物。在一个示例性的实施方式中，阳离子粘土选自蒙皂石、膨润土、高岭土及其混合物。

在一些实施方式中，碱土元素X是Ca或Mg并且金属元素Y是Al。例如，催化剂包含混合的氧化物，其表示为化学式CaO·MgO·(MgAl₂O₄)。

在一些实施方式中，热解在氢气存在下实施。在一些实施方式中，热解在蒸汽和循环气态产物存在下实施。

在一些实施方式中，催化剂体系从至少两种化合物形成，其中包括X元素的第一化合物是第一种金属氧化物前体并且包括Y元素的第二化合物是第二金属氧化物前体。第一和第二金属氧化物前体各自独立选自金属氧化物、金属氢氧化物、金属羟基碳酸盐、金属碳酸盐及其组合。在一些实施方式中，混合至少2种化合物以形成中间体混合物，并且其中所述的中间体混合物是均匀的。