电磁协同强化生物质低温液相催化裂解的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种电磁协同强化生物质低温液相催化裂解的方法和装置，属于生物质资源开发利用技术领域；该方法是将离子液体与磁性添加剂混合得到活性催化体系，在活性催化体系的作用下调控外加电压、磁场强度、热解温度和反应时间进而强化生物质的热解行为，同时循环通入气体进行扰动，生成高含量的高附加值目标产物；完成本发明专利技术方法的装置包括反应器，冷凝装置、生物油收集装置、气体收集装置；本发明专利技术在电场、磁场的协同作用以及气体的扰动作用下使生物质和活性催化体系充分接触，生物质的热解效率更高，热解温度更低，产物成分含量高且单一，实现热解三相产物的高值化利用。

Method and device for strengthening liquid phase catalytic cracking of biomass at low temperature by electromagnetic synergy

Method and apparatus of the present invention discloses an electromagnetic enhanced low temperature liquid phase catalytic pyrolysis of biomass, which belongs to the technical field of the development and utilization of biological resources; the ionic liquid is mixed with the additive of magnetic activity in the catalytic activity of catalyst system under the system control voltage, magnetic field intensity, pyrolysis temperature and reaction time to strengthen the pyrolysis behavior of biomass, and pass into the gas circulation disturbance, the target product with high added value to generate high content; device to complete the method of the invention comprises a reactor, a condensing device, bio oil collecting device, a gas collecting device; the invention disturbance in electric field, magnetic field and gas under the synergistic effects of biomass and activity full contact catalytic system, the higher efficiency of biomass pyrolysis, the pyrolysis temperature is lower, and the high content of product components Single, high value utilization of the pyrolytic three phase products.

【技术实现步骤摘要】
电磁协同强化生物质低温液相催化裂解的方法和装置
本专利技术公开一种电磁协同强化生物质低温液相催化裂解的方法和装置，属于生物质资源化利用的

技术介绍
随着全球化石能源的日益枯竭，以及化石能源开采利用过程中造成的环境污染和生态破坏等问题的日趋突出，作为一种含碳产能高、可再生、绿色环保的生物质能源，将逐步替代部分化石燃料，这对于缓解世界能源危机及保护地球环境，实现人类社会可持续发展有重要意义。生物质热解技术有很高的转化率，可利用低能耗获得具有较高热值的燃料气、燃料油或高附加值的化工原料，已成为生物质资源化开发利用的研究热点。近年来，国内外已开展了大量生物质裂解热力学、动力学、裂解机理、裂解反应器等方面的研究工作，但仍然存在许多问题。例如传统裂解反应温度较高，因受热不均使得在裂解反应过程中多种反应同时存在，裂解产物种类多、含量低且复杂。为此，许多研究者在裂解过程中引入金属化合物、酸以及分子筛等催化剂，这些催化剂的引入虽然在一定程度上优化了纤维素热裂解产物的组成和品质，降低裂解温度；但仍存在催化剂对热不稳定、反应过程产物调控困难等诸多问题。目前困扰生物质热解技术在生产燃料气、燃料油或高附加值的化工原料腾飞发展的主要问题是热解产物极其复杂和产物的不稳定性，若能选择性定向强化生物质的热解过程，制备组分相对单一的高值化产物，降低热解产物的复杂性，提高产物的附加值对生物质的高值化利用具有重大意义。专利申请《生物质热解炼制—分级定向转化的方法》（公开号：CN101787006）公开了一种生物质原料预处理、分步热解炼制、热解组分分级定向转化的方法，该方法虽然能将水溶性热解油和脂溶性热解油分离，提高生物油的利用率，但该方法的预处理程序复杂，需将木质纤维素去除，热解产物还需经过生物转化、化学转化和物理转化才能使用，生物油的成分依然复杂不可控，不适于大规模推广应用。专利申请《利用磁性离子液体定向调控液相催化生物质热裂解的方法》（公开号：CN105238434A）介绍了在生物质中加入一定量的磁性离子液体和添加剂后通过调控温度和外加磁场的强度和方向进而控制生物质的热解过程，提高生物质的转化率，但该方法产生的生物油和生物气的含量仍然较低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种电磁协同强化生物质低温液相催化裂解的方法，即调节在由粉碎后的生物质和活性催化体系组成的热解反应体系中的外加电压、磁场强度、热解温度以及反应时间对生物质进行热解，同时循环通入气体进行扰动，使生物质的各化学键选择性断裂快速生成目标产物，实现生物质的热解液化、热解气化和热解碳化，最终收集得到生物气、生物油和生物炭。该方法能够强化生物质的热解过程，在低热解温度条件下，提高热解速率和目标产物的产率，该方法使用的离子液体既可以作为溶剂、热媒、还可作为催化剂，在离子液体中加入磁性添加剂后构成活性催化体系，通过调控外加磁场强度、电场强度、温度以及反应时间强化生物质在活性催化体系中的催化热解行为，使生物质的活化能降低，化学键选择性断裂快速生成高产量的目标产物，同时降低热解温度；该方法既可用于生物质的热解液化、热解气化，也可用于生物质的热解碳化，实现生物质资源的最大化利用。所述活性催化体系与生物质按质量比1:0.5~1:2的比例混合，在反应温度为80~400℃、外加电压0.1~15V、磁场强度1~20T条件下裂解20~120min。在本专利技术中为了使生物质与活性催化体系混合均匀、受热均匀，须将生物质进行粉粹。所述生物质包括农作物秸秆、谷物外壳、木材废弃物、果壳等富含木质素、纤维素、半纤维素中的任意一种或几种。所述活性催化体系由离子液体和磁性添加剂组成，其中离子液体的阳离子类型有烷基取代的咪唑阳离子、吡啶阳离子、季铵阳离子、季膦阳离子，阴离子类型有[BF4]-、[PF6]-、[CF3SO3]-、[Tf2N]-、[Ac]-、[SbF6]-、[FeCl4]-、[FeClBr3]-、[AsF6]-、[C4F9SO3]-、[Co(CO)4]-等，离子液体可为上述溶液中的一种或任意比几种。磁性添加剂为过渡金属化合物、碱金属化合物、碱土金属化合物中的一种或任意比几种，离子液体与磁性添加剂按质量比0.5:1~2:1混合构成活性催化体系。所述外加电压形式可为交流电、直流电或者脉冲电；外加磁场为恒定磁场、交变磁场、脉冲磁场中的一种或几种；交变磁场的周期为1~12min；脉冲磁场的脉冲宽度为2~8min，频率1~160Hz。所述热解过程中循环通入的气体为惰性气体或热解产生的生物气，气体的扰动作用使整个反应体系达到均一状态。所述外加电场和磁场有三重作用：（1）电场作用下离子液体实现电荷传导，磁场作用下磁性添加剂被磁化，提高活性催化体系的活性和对生物质的溶解度以及迁移速度；（2）在电场作用下生物质中的水生成很强顺磁性的超氧阴离子自由基，破坏生物质的结构，极性分子在磁场作用下极性键能减弱，游离氧含量增加，促进氧化反应的进行；（3）通常情况下生物质中的灰分会使生物质热解油的收率降低，热解油的酸含量增加，在电磁场的作用下灰分中的Ca、Al、Mg、Na、K、Fe等离子化，不仅可以有效克服阳极的极化作用，还能与磁性添加剂中的磁性物质和生物炭形成许多微电场和微磁场，在电场和磁场的激活刺激下，微电场和微磁场处于不断运动变化过程中，营造出一个动态微环境，增加了物料的流动性，使得生物炭不会板结，从而使整个热解反应更充分，热解时间显著减少。本专利技术的另一目的是提供一种电磁协同强化生物质低温催化裂解的反应装置，该装置包括反应器、冷凝装置、生物油收集装置、气体收集装置，反应器顶部设置有进料口和出气口，出气口通过单向阀Ⅰ与冷凝装置连接，冷凝器分别与气体收集装置、生物油收集装置连接，气体收集装置通过压力控制开关和单向阀Ⅱ与反应器的进气口连接，N2气钢瓶通过压力控制开关和单向阀Ⅱ连接；反应器内上部设有喷淋嘴，反应器内部设有针状电极、电极板和磁场发生器，磁场发生器产生的磁场覆盖生物质热解空间，电极板上开有通孔，反应器底部设置有倾斜式加热板，反应器一侧设有出料口并位于电极板上方，反应器底部设有离子液体收集口且位于电极板和倾斜式加热板之间，倾斜式加热板向离子液体收集口倾斜，反应器外周设置有绝缘隔热层，反应器壁与绝缘隔热层之间设置有加热线圈，针状电极、电极板、磁场发生器、倾斜式加热板、加热线圈分别与电源连接。气体从进气口进入反应器后穿过电极板的通孔，气体在上升过程中带动生物质和活性催化体系运动充分接触，从而使整个反应体系达到均一状态，同时避免生物炭结块，与气体收集装置相连的压力控制开关根据反应器内的压强进行自动调整，维持反应器内部的压力在1MPa。所述磁场发生器为磁感线圈。所述出料口、离子液体收集口处均设置有普通阀门。反应器内壁最好由耐腐蚀材料制造，热解过程中产生的气体、液体、固体会对反应器内壁造成一定程度的腐蚀，使用耐腐蚀的材料可增加装置的使用寿命。该装置可用于连续或间歇性热解反应。本专利技术的优点和效果如下：（1）本专利技术使用电磁协同催化生物质热解技术克服了生物质灰分中的金属盐造成生物质热解油收率降低，热解油酸含量增加的弊端；（2）本专利技术在外加电场和磁场的作用下离子液体实现电荷传导，磁性添加剂被磁化，提高活性催化体系的活性和对生物质的溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电磁协同强化生物质低温液相催化裂解的方法，其特征在于：调节在由粉碎后的生物质和活性催化体系组成的热解反应体系中的外加电压、磁场强度、热解温度以及反应时间对生物质进行热解，同时循环通入气体进行扰动，使生物质的各化学键选择性断裂快速生成目标产物，实现生物质的热解液化、热解气化和热解碳化，最后收集得到生物气、生物油和生物炭。

【技术特征摘要】
1.一种电磁协同强化生物质低温液相催化裂解的方法，其特征在于：调节在由粉碎后的生物质和活性催化体系组成的热解反应体系中的外加电压、磁场强度、热解温度以及反应时间对生物质进行热解，同时循环通入气体进行扰动，使生物质的各化学键选择性断裂快速生成目标产物，实现生物质的热解液化、热解气化和热解碳化，最后收集得到生物气、生物油和生物炭。2.根据权利要求1所述的电磁协同强化生物质低温液相催化裂解的方法，其特征在于：活性催化体系与生物质按质量比1:0.5~1:2的比例混合，在反应温度为80~400℃、外加电压0.1~15V、磁场强度1~20T条件下裂解20~120min。3.根据权利要求1所述的电磁协同强化生物质低温液相催化裂解的方法，其特征在于：活性催化体系由离子液体和磁性添加剂按质量比0.5:1~2:1的比例混合组成。4.根据权利要求3所述的电磁协同强化生物质低温液相催化裂解的方法，其特征在于：离子液体的阳离子为烷基取代的咪唑阳离子、吡啶阳离子、季铵阳离子或季膦阳离子，阴离子为[BF4]-、[PF6]-、[CF3SO3]-、[Tf2N]-、[Ac]-、[SbF6]-、[FeCl4]-、[FeClBr3]-、[AsF6]-、[C4F9SO3]-或[Co(CO)4]-。5.根据权利要求3所述的电磁协同强化生物质低温液相催化裂解的方法，其特征在于：磁性添加剂为过渡金属化合物、碱金属化合物、碱土金属化合物中的一种或任意比几种。6.根据权利要求2所述的电磁协同强化生物质低温液相催化裂解的方法，其特征在于：外加电压为交流电、直流电或者脉冲电；外加磁场为恒定磁场、交变磁场、脉...

【专利技术属性】
技术研发人员：瞿广飞，李晓芬，何艳华，何康，李伟杰，宁平，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53