[发明专利]一种固废气化耦合生物质热解产物气态加氢装置及其使用方法

说明书

本发明公开了一种固废气化耦合生物质热解产物气态加氢装置及其使用方法，属于固废资源化利用技术领域。利用固废气化模块制备氢气及轻质烯烃，为生物质热解产物的气态加氢提供氢源或活性反应气氛，固废气化产物和生物质热解产物在微波发射频率连续可调的脱氧加氢模块中进行脱氧加氢反应，得到提质后的生物油。本发明公开的固废气化耦合生物质热解产物气态加氢装置，可以实现固废的资源化利用，可规模化处理生产、生活中产生的固废垃圾及显著提高生物质热解油的品质，从而降低生物质热解油催化提质的成本。

技术领域

本发明属于固体废弃物资源化利用技术领域，具体涉及一种固废气化耦合生物质热解产物气态加氢装置及其使用方法。

背景技术

近几十年来，世界范围内化石燃料消耗量的急剧增加，导致了一系列的资源与环境问题，如温室气体排放及由SOx、NOx与细颗粒污染物造成的空气质量恶化等。此外，化石燃料的价格波动及化石能源的枯竭也给全球经济蒙上了阴影。因而，从可再生能源中制取含碳液体燃料，以逐渐取代传统的化石能源显得尤为重要。其中，生物质能作为自然界中广泛存在的一种资源，其在全球范围内的年生产量可达1000亿吨，并且在众多可再生能源中，生物质能是唯一的可再生碳质资源，具有生产热能、电能、燃料及高附加值化学品的巨大潜力。国际能源机构(IEA)的相关资料显示，生物质能源在2035年可占初级能源供应的10％，而到2050 年，生物质燃料将取代27％的化石燃料。

生物质热化学转化制备液体燃料过程中，生物质原料其自身的缺氢特性，是导致采用传统催化热解技术难以获得高品位生物油的重要原因。相关学者提出了原料的有效H/C概念，对生物质的缺氢状态做了进一步的定义，其表达式为：

其中，生物质的有效H/C普遍低于0.3，是典型的缺氢原料。张会岩报道了生物质其较低的有效H/C，是制约通过催化热解制备高含烃量生物油的重要因素。为了提高热解原料的有效H/C比，将生物质与富氢固废(如PE、PP塑料及废橡胶等)进行共催化热解，可作为改善生物质热解油品质的有效途径。然而，常规的生物质与多氢原料共催化热解亦存在一些亟待解决的关键问题，具体表现在：

(1)催化剂方面：HZSM-5分子筛微孔级别的孔径，一定程度上限制了生物质热解产物在其孔道内部的扩散、传质，尤其是部分大分子的热解产物，若其不能进入分子筛孔道内部进行催化转化，则聚集在催化剂的表面形成焦，覆盖HZSM-5的表面活性位点或堵塞孔道从而严重降低其活性；

(2)共热解工艺方面：单级反应器如固定床、流化床、微波辅助加热反应器及热解-色谱质谱联用仪(Py-GC/MS)等，常被用于开展生物质与多氢原料的原位/非原位共催化热解。然而，单级反应器无法同时对生物质的裂解与热解产物的催化重整过程进行调控，并且原位共催化热解反应模式下，原料与催化剂的直接接触可能加速催化剂的失活(如被生物质原料中的灰分、钾与钠无机盐等毒化)。

为解决上述生物质与高H/C原料共催化热解中存在的共性问题，前期首先创新性地开展了HZSM-5分子筛催化剂碱溶液浸渍-水热处理复合改性研究，制备了介孔-微孔分级复合孔道体系的HZSM-5催化剂，并探讨了其催化热解废弃竹屑制备芳烃类目标产物的反应机理；同时，设计合成了介孔多元的碱性金属氧化物催化剂如CeO₂-ZrO₂/Al₂O₃等，解析了废弃竹屑在碱性金属氧化物催化剂作用下生成酮类等烃类前驱物的反应途径；在此基础上，将碱性金属氧化物集成于HZSM-5分子筛(改性及未改性)，开发了固体碱裂解-固体酸连续择形催化的双功能催化剂体系，阐明了废弃竹屑催化热解过程中碱性金属氧化物与HZSM-5分子筛的协同作用规律，并在自主设计搭建的流化床热解集成固定床催化重整的新型反应器中，揭示了废弃竹屑与废轮胎的双级共催化热解及在线催化重整的耦合机制，并且所制备热解油中芳香烃类等目标产物的含量达71.5％，但与航空燃油相比，仍需要从以下两个方面对生物油做一步提质处理：

(1)继续降低生物油中的氧含量，达到深度脱氧的水平；