[发明专利]一种生物质催化热解的方法及陶瓷固体酸催化剂

说明书

技术领域

本发明属于生物质催化热解技术领域，特别涉及一种以陶瓷固体酸为分散介质和催化剂的生物质快速热解的方法，通过这一过程可以将生物质有效液化，生成的生物质热解油为一种可再生的燃料和碳资源。

背景技术

能源是人类社会和经济发展的物质基础，随着世界人口和经济规模的不断增长，对化石能源的需求与消耗也快速增加。由于化石能源的不可再生性，地球的化石能源由于人类无节制的开采已濒临枯竭，同时化石能源的使用向大气中排放大量的二氧化碳，由此造成严重的环境和生态问题，如：全球变暖，海洋酸化，土壤富营养化等。

目前，我国温室气体的排放超过世界排放总量要求的13%，随着经济的快速增长，温室气体的排放呈快速增长趋势。发展可再生能源是提高我国能源安全，优化能源结构，已经得到国家的高度重视。2005年2月28日第十届全国人大常委会第14会议通过《中华人民共和国可再生资源法》第十六条明确指出“国家鼓励清洁、高效地开发利用生物质燃料，鼓励发展能源作物。国家鼓励生产和利用生物液体燃料”。

生物质是把光能以化学能形式存储起来的有机物质。其主要的组成包括：半纤维素、纤维素和木质素。生物质能源的利用途径有两种：热化学转化和生化过程转化。热化学转化有三种方式：在过量空气中生物质直接燃烧产生热，在部分空气条件下气化为合成气，在无氧条件下快速热解为生物质液体燃料；通过生化转化过程可以得到生物乙醇、沼气、氢和其它化学品。生物质作为一种可再生的能源形式，其有四点优势，其一，它是在未来可持续开发的可再生资源；其二，取代化石能源，能减少温室气体的排放和氮氧化合物及含硫污染物的排放；其三，可以发展农村区域的经济，增加农民收入；其四，开发边际土地及不适粮食作物的农田种植能源作物。但生物质原料并不是一种理想的燃料形式，其一，较高的含水量降低了其燃烧值；其二，生物质种植分散，收集和存储需要大量的时间和财力以及场地；其三，生物质为季节性，供应连续性存在问题。通过快速热解过程，可将生物质原料转化为高能量密度的生物质油。液态的生物质燃料可以解决以上的三个主要问题。

生物质快速热解是在隔绝氧气条件下生物质的快速热分解过程。这一过程相当于生物质燃烧或气化的初始步。如果过程温度过低或接触时间太长，生物质主要发生炭化；高温和长的接触时间会导致生物质气化；只有在适中的温度和较短的接触温度下才会使生物质有效液化。在热解接触时间为1秒左右，热解温度接近500℃，液化产物的产率达到75%，其它为12%的炭，13%的气态产物。热解温度为500℃左右，热解接触时间为10～30秒，液化产物的产率为50%（分为两相），炭和气态产物分别为25%。290℃时，接触时间为30分钟左右，80%的产物为炭。在温度为750～900℃，接触时间在数小时左右，85%的产物为气体。要得到高产率的生物质热解油有四点关键因素：1）快速有效的热传递过程，通常用于热解的生物质固体颗粒小于3毫米；2）需要精确控制过程温度，热解温度为500℃左右，气化产物的温度为400～450℃；3）热解产物受热时间一般小于2秒；4）热解气化物应迅速冷凝为生物质热解油。用于生物质直接热解的反应器有：鼓泡流化床、循环流化床、旋转倒锥和剥离热解床。前三种反应器可适用于较大规模的生物质热解反应生产生物质热解油，通常要加入热解介质（如石英砂）；剥离热解床只适用较小规模的生物质热解反应进行生产生物质热解油的试验。

生物质热解油具有较高的燃烧热（17MJ/kg），其几乎不含有硫和氮，是一种环保的可再生燃料。但其成份很复杂，化合物种类超过160种，另外其含氧量超过30%，pH值在2.5左右，这些不足限制了生物质热解油作为一种化工基础原料的应用。但通过催化热解的过程，可以有效地控制生物热解的过程和方向，可以集中的得到同一类化合物。经过催化热解过程，可以目标性地得到一些化合物，这使得生物质热解油不单只作为燃料，也可以用于生产高附加值的基础化学品。

目前，生物质的热解还是主要是直接热解过程，直接热解过程的技术开发还存在一些问题，国内目前还没有大型的工业化装置，直接热解的液体产物主要用作热电站，供热供暖的潜在燃料。生物质催化快速热解的过程的研究还处在起步阶段，国内外的研究主要还集中在单步过程。生物质催化快速热解的催化剂为固体酸，例如：硅铝分子筛，硫酸化氧化物，复合氧化物等。生物质催化热解需要更深入研究具有实际应用价值的催化体系及催化过程，这些问题的解决有利于得到具有更高附加值的生物质热解产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物质催化快速热解的方法。