[发明专利]基于光热协同效应的催化重整生物质焦油的方法及装置

说明书

一种基于光热协同效应的催化重整生物质焦油的方法及装置，该方法包括在流动气氛中，将光热催化剂加热到反应温度，之后提供光源照射，形成光热催化区域；在流动气氛中，向光热催化区域中通入携带有焦油和水蒸气的合成气，焦油在光热催化区域发生反应，从而实现脱除。本发明首次将光催化引入热催化脱除生物质焦油领域，利用具有优良光热催化性能的催化剂激发光热协同效应，实现了焦油的低温高效脱除；光热催化有效促进了反应过程中电子的激发和转移，有助于降低反应平均反应温度，从而在一定程度上降低传统热催化的能耗，减少升温/降温过程的时间成本，同时有望降低对热催化装置的严格要求。

技术领域

本发明属于生物质焦油脱除领域，具体涉及一种基于光热协同效应的催化重整生物质焦油的方法及装置。

背景技术

焦油是生物质气化过程中产生的主要有机污染物，由各种可冷凝碳氢化合物组成的复杂混合物，包括单环至5环芳族化合物以及其他含氧烃和复杂多环芳烃(PAHs)。焦油在较低温度下容易冷凝并进一步聚合为更复杂的结构，引发下游设备的腐蚀与磨损，降低系统的整体效率，是生物质气化工业应用的巨大挑战之一。目前可以通过优化反应器设计，调整反应工况和采用原位催化剂等手段在一定程度上抑制炉内焦油的生成，但气化器出口合成气品质仍难以满足费托合成、燃料电池等下游应用较为严苛的焦油限制。需要采用适当的方法进行炉外脱焦是当下研究的重点。

常用的炉外脱除法分为物理法和化学法。以吸附吸收为主的物理法难以实现焦油的根本性脱除，并且常常伴随着能量损失和废液污染。而化学法能在去除焦油的基础上进一步提高合成气质量，是一种十分具有应用前景的焦油脱除方法。热裂解反应温度一般在1000℃以上，对设备要求较严格且耗能较高。蒸汽催化重整法广泛用于焦油脱除研究，其优势在于：(1)生物质本身含有5％-35％不等的水分，合成气中含有的水分可被焦油蒸汽重整过程利用；(2)与热裂解和干重整等焦油脱除方法相比，蒸汽重整过程中水蒸气可与催化剂上的积碳发生反应，这能在一定程度上抑制积碳的生成。但即便如此蒸汽重整过程还是难以消除团聚、积碳等带来的催化剂失活问题，同时较高的反应温度带来的能耗问题也限制了此方法在焦油脱除领域的规模化应用。

与传统的热化学反应相比，光催化利用太阳能来驱动化学反应，是一种相对经济、环保、可持续的解决方案。自从1972年Fujishima等人发现紫外光照射下TiO₂水分解现象以来，半导体光催化反应已经在太阳能利用、有机合成和环境修复领域得到了广泛的研究。特别是在室内环境治理方面，已经有许多学者合成了各种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。考虑到焦油组分中单环和二环化合物含量约占75％以上并且可作为光催化的处理对象，将光催化体系引入传统的热催化过程有望为生物质焦油脱除领域带来新的可能。

目前已有一些光热催化在VOCs消除、CO₂有机合成和F-T合成中的相关研究。光引入热催化体系可以有效地促进协同的光热效应，使电子得到更多的激发、弛豫，并有效强化热发射，从而提高热催化活性，这有望克服单一光催化反应对甲苯等有机物降解性能和反应速率低等不足，又可降低热催化的反应温度从而降低反应过程的能耗。

针对上述焦油脱除存在的问题，结合热催化剂与光敏半导体材料的特性，在传统的热催化反应体系中引入光催化过程，提供一种基于光热催化反应的生物质焦油脱除的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种基于光热协同效应的催化重整生物质焦油的方法及装置，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种基于光热协同效应的催化重整生物质焦油的方法，包括：

在流动气氛中，将光热催化剂加热到反应温度，之后提供光源照射，形成光热催化区域；

在流动气氛中，向光热催化区域中通入携带有焦油和水蒸气的合成气，焦油在光热催化区域发生反应，从而实现脱除。