生物质催化热解联产气液燃料、化学品和炭材料的方法技术

本发明专利技术涉及生物质催化热解领域，具体公开了一种生物质催化热解联产气液燃料、化学品和炭材料的方法，将生物质进行催化热解，得到富含酚类和芳烃化合物的挥发分。挥发分经在线催化提质，得到酚类化学品和芳烃液体燃料。不冷凝气体进行催化重整，得到富甲烷气体产品。生物炭在低比例活化剂和氨气协同作用下，得到孔隙率发达且富含活性含氮官能团的掺氮炭材料。芳烃液体燃料和富甲烷气体燃料可用于燃料电池、内燃机、燃气轮机来发电、供热，掺氮炭材料可用于催化剂、电极材料等。整个过程成本低、腐蚀性小、高值产品丰富、利用率高。本发明专利技术有利于实现生物质高值化利用。

Methods of biomass catalytic pyrolysis for CO production of gas liquid fuels, chemicals and carbon materials

【技术实现步骤摘要】
生物质催化热解联产气液燃料、化学品和炭材料的方法
本专利技术涉及生物质催化热解领域，具体涉及一种生物质催化热解联产气液燃料、化学品和炭材料的方法。
技术介绍
生物质是唯一含碳的可再生能源资源，我国生物质资源非常丰富，可能源化利用的生物质资源达4.6亿吨标准煤。通过热解可以将生物质转化为炭、气、油三态产品，但较低的附加值极大的限制了其大规模利用。而生物质催化热解多联产技术可以同时制备较高品位的气体和液体燃料、化学品和炭材料，经过进一步对气体和液体产品的催化重整，及炭材料的活化改性，可以得到高附加值的气体和液体燃料、化学品和功能型炭材料，极大地提高生物质利用价值。目前生物质催化热解制备高值的气体和液体燃料常用的催化剂为分子筛、改性分子筛、金属氧化物等，但这些催化剂仍然存在成本较高、易失活等问题，且生物质资源量巨大，这些催化剂很难满足巨量需求，因此亟需需求新的催化剂制备高值气体和液体燃料。同时目前的气体和液体燃料通常通过直接燃烧的方式来发电或供热，气体和液体燃料的利用价值仍有待提高，如用于燃料电池、内燃机、燃气轮机等。且目前的生物质催化热解技术，常常仅关注气体或液体产品，而固体炭产品很少受到重视。生物炭经过活化改性功能化处理后，有望用作电极材料和催化剂等。然而，为了得到结构优异的炭材料，在制备过程中常加入高比例的强碱或强酸活化剂，但它们在活化过程中对设备造成严重的腐蚀，因此亟需寻找新型的活化改性方法。综上所述，目前的生物质催化热解方法，仅关注气体或液体产品，且存在催化剂成本高、易失活，气体和液体产品的利用价值仍待提高的问题，然而对固体生物炭利用率不高，极大地降低了生物质利用率，同时生物炭后续活化改性过程会对设备造成严重腐蚀，因此亟需寻找新型高效的生物质催化热解方法，全面提升生物质催化热解产品的附加值。
技术实现思路
针对以上缺陷和改进需求，本专利技术旨在提出一种生物质催化热解联产气液燃料、化学品和炭材料的方法，以生物炭、掺氮炭等为催化剂，以低比例活化剂和氨气为活化改性剂，实现了生物质催化转化为高值的气体和液体燃料、化学品和功能型炭材料的目标，气体和液体燃料可用于燃料电池、内燃机、燃气轮机，炭材料可用作电极材料、催化剂等，极大的提高了生物质利用价值。本专利技术方法解决了生物质高附加值利用过程中成本高、腐蚀性强、高值化产品单一、生物质利用率低等问题。按照本专利技术的第一个方面，提供了一种生物质催化热解联产气液燃料、化学品和炭材料的方法，其包括如下步骤：S1：将生物质进行烘焙预处理，以除去其中的部分氧，得到预处理后的生物质原料；S2：将步骤S1获得的预处理后的生物质原料在保护性气氛下进行催化热解反应，得到热解挥发分和生物炭；S3：将步骤S2获得的热解挥发分在催化剂作用下，进行催化提质反应，使得所述挥发分发生脱甲氧基和芳构化反应，冷却后得到酚类化学品和芳烃液体燃料，该冷却过程中不能冷凝的气体，称之为不可冷凝气体；S4：将步骤S2获得的生物炭与活化剂混合，在含有氨气的气氛下进行活化氨化改性反应，得到多孔掺氮炭材料；S5：将步骤S3得到的不可冷凝气体在催化剂作用下进行催化重整，促进甲烷化反应，冷却后得到含有甲烷的气体产品。优选地，步骤S1烘焙气氛为氮气和/或氩气，烘焙气氛气体流量为100mL/min～300mL/min，烘焙温度为200℃～300℃，烘焙时间为10min～30min。优选地，步骤S1所述生物质为竹子、树叶、果壳、稻秆、麦秆、棉秆中的一种或多种。优选地，步骤S2中所述催化热解采用的催化剂为生物炭，催化剂与步骤S1所述生物质的质量比为1∶10～1∶5，所述保护性气氛为氮气和/或氩气气氛；保护性气氛流量为100mL/min～300mL/min；催化热解温度为500℃～600℃，时间为10min～30min。优选地，步骤S3所述催化提质的催化剂为多孔掺氮炭材料，该催化剂与步骤S1所述生物质的质量比为1∶20～1∶5；反应温度为500℃～600℃，反应时间为10min～30min。优选地，步骤S4所述活化剂为KOH、K2CO3和KHCO3中的一种或多种；所述活化氨化改性反应温度为700℃～900℃，反应时间为10min～30min，将反应产物冷却后依次进行酸洗和水洗，干燥后得到所述多孔掺氮炭材料。优选地，步骤S4所述活化剂与生物炭的质量比为1∶10～1∶2，载气为氨气和保护性气体的混合气体，保护性气体为氮气和/或氩气，混合气体总流量为100mL/min～300mL/min，该混合气中氨气体积分数占比为5％～10％。优选地，步骤S5所述催化剂为负载有金属的多孔掺氮炭催化剂，该催化剂与步骤S1所述生物质的质量比为1∶20～1∶10。优选地，所述负载有金属的多孔掺氮炭催化剂为负载有Ni/Fe的多孔掺氮炭催化剂，或者为负载有Ni/Co的多孔掺氮炭催化剂。优选地，所述多孔掺氮炭催化剂为步骤S4获得的多孔掺氮炭材料。优选地，步骤S3所述催化剂为步骤S4获得的多孔掺氮炭材料。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术提供的生物质催化热解高值化处理方法，首先对生物质进行烘焙预处理，脱去其中部分氧，提高生物质的品质；然后进行催化热解获得热解挥发分和生物炭，该生物炭可作为催化热解的催化剂；生物质热解挥发分经催化提质反应后冷却得到高含量酚类化学品和液体燃料产品；不能冷却的不可凝气体经催化重整反应促进其甲烷化反应，得到高热值富甲烷气体产品；本专利技术的生物质处理方法能够联产气体燃料富甲烷气体、芳烃液体燃料、酚类化学品和炭材料，炭材料包括能够用于生物质催化热解的催化剂生物炭材料，以及能够用于热解挥发分催化提质反应和不可冷凝气体催化重整反应的多孔掺氮炭催化剂，实现了生物质的高值化利用。(2)本专利技术的方法中，预处理后的生物质在生物炭催化剂的作用下进行原位催化热解，可得到富含酚类和芳烃化合物的挥发分。挥发分在多孔掺氮炭催化剂作用下进一步在线催化提质，发生脱甲氧基和芳构化反应，得到酚类化学品、芳烃液体燃料和甲烷气体。不冷凝气体在负载金属的掺氮炭催化剂作用下发生甲烷化反应，促进一氧化碳、二氧化碳与氢气反应，产生大量的甲烷产品。而生物炭在低比例活化剂和氨气的协同作用下，发生活化氨化反应，得到孔隙率发达且富含活性含氮官能团的掺氮炭材料，其比表面积最大可达2300m2/g，氮含量为5wt～11wt％。(3)本专利技术的方法中生物质热解产生的生物炭可作为生物质原位催化热解的催化剂，而生物炭经活化氨化改性反应获得的多孔掺氮炭材料可作为挥发分在线催化提质的催化剂及不可凝气体重整的催化剂，从而实现了催化剂的自给自足，降低了催化剂成本。(4)本专利技术的方法中对生物炭进行活化氨化改性制备掺氮炭材料，且均使用小比例的活化剂和氨气，主要利用活化剂和氨气的协同作用，实现对生物炭进行造孔和掺氮，从而有效地降低了设备的腐蚀。(5)本专利技术的方法中，生物质热解挥发分催化提质获得的液态产品中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物质催化热解联产气液燃料、化学品和炭材料的方法，其特征在于，其包括如下步骤：/nS1：将生物质进行烘焙预处理，以除去其中的部分氧，得到预处理后的生物质原料；/nS2：将步骤S1获得的预处理后的生物质原料在保护性气氛下进行催化热解反应，得到热解挥发分和生物炭；/nS3：将步骤S2获得的热解挥发分在催化剂作用下，进行催化提质反应，使得所述挥发分发生脱甲氧基和芳构化反应，冷却后得到酚类化学品和芳烃液体燃料，该冷却过程中不能冷凝的气体，称之为不可冷凝气体；/nS4：将步骤S2获得的生物炭与活化剂混合，在含有氨气的气氛下进行活化氨化改性反应，得到多孔掺氮炭材料；/nS5：将步骤S3得到的不可冷凝气体在催化剂作用下进行催化重整，促进甲烷化反应，冷却后得到含有甲烷的气体产品。/n

【技术特征摘要】
1.一种生物质催化热解联产气液燃料、化学品和炭材料的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
S1：将生物质进行烘焙预处理，以除去其中的部分氧，得到预处理后的生物质原料；
S2：将步骤S1获得的预处理后的生物质原料在保护性气氛下进行催化热解反应，得到热解挥发分和生物炭；
S3：将步骤S2获得的热解挥发分在催化剂作用下，进行催化提质反应，使得所述挥发分发生脱甲氧基和芳构化反应，冷却后得到酚类化学品和芳烃液体燃料，该冷却过程中不能冷凝的气体，称之为不可冷凝气体；
S4：将步骤S2获得的生物炭与活化剂混合，在含有氨气的气氛下进行活化氨化改性反应，得到多孔掺氮炭材料；
S5：将步骤S3得到的不可冷凝气体在催化剂作用下进行催化重整，促进甲烷化反应，冷却后得到含有甲烷的气体产品。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1烘焙气氛为氮气和/或氩气，烘焙气氛气体流量为100mL/min～300mL/min，烘焙温度为200℃～300℃，烘焙时间为10min～30min。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1所述生物质为竹子、树叶、果壳、稻秆、麦秆、棉秆中的一种或多种。


4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中所述催化热解采用的催化剂为生物炭，该催化剂与步骤S1所述生物质的质量比为1∶10～1∶5，所述保护性气氛为氮气和/或氩气气氛；保护性气氛流量为100mL...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈伟，杨海平，陈应泉，杨晴，王贤华，邵敬爱，张雄，陈旭，张世红，陈汉平，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42