多氢源强化生物质热解重质组分催化裂解及调控积碳的方法与系统

本发明属于塑料类固废处置和生物质高值化利用领域，特别是一种废塑料类多氢源强化生物质热解重质组分催化裂解及调控积碳的方法与系统。

背景技术：

1、生物质作为后化石时代唯一的含碳可再生能源资源，其利用过程可实现碳循环和减少二氧化碳排放，并具有绿色环保的优点；另外，生物质原料分布广泛、储量丰富，据统计，全球每年产生的生物质量约为1400-1800亿吨(干重)，相当于世界总能耗的10倍，其在国际能源转型的大背景下可发挥重要力量。我国作为传统的农业大国，同样拥有储量巨大的生物质资源(尤其是农林废弃物)，其高值化利用进一步的制备燃料油对缓解能源危机、实现碳中和的目标具有非常积极的意义，可实现环境和能源双赢的局面，符合我国重大战略需求。

2、生物质热解是指在惰性气氛下，利用中温(400-600℃)将生物质原料转化为热解炭、生物油和热解气三相产物，但该工艺在放大落地的过程中存在问题如下：(1)热解挥发分中存在大量的含氧重质组分，其会堵塞下游的设备并降低了系统的能效；(2)生物质中o含量较高，所得生物油品质不高，难以形成大规模高值化利用的前景。上述问题成为制约生物质热解技术产业化发展的关键瓶颈之一。废塑料类多氢源的无害化处置和生物质热解催化提质是相对独立的工艺，两者很难有效的协和，这之间的工艺耦合问题有待解决。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种废塑料类多氢源强化生物质热解重质组分催化裂解及调控积碳的方法与系统，以实现将废塑料多氢源有效的无害化处置，并耦合生物质热解挥发分的有效加氢提质，实现有效的催化断键生物质挥发分重质组分，并得到脱氧提质后的高品质生物油。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：

3、一种多氢源强化生物质热解重质组分催化裂解及调控积碳的方法，用于催化裂解生物质热解重质组分，并提质生物油，同时有效解决催化剂积碳失活的问题，通过以下方式实现：

4、将多氢源给入等离子体裂解装置，在等离子作用下，多氢源升温后裂解，产生固态熔渣和富氢气体，富氢气体重伴生富氢自由基；

5、生物质原料通过热解反应器发生热解反应，产生热解炭排出，产生的热解挥发分和等离子处理产生的富氢气体一共给入催化提质反应器，催化提质反应器内置金属碳化物类双功能催化剂；

6、积碳失活后的金属碳化物类双功能催化剂循环给入催化剂再生装置，催化剂再生装置内定量通入空气形成再生气氛，调控金属碳化物催化剂积碳中的无定形碳转变为具有定向结构的石墨烯纳米片/碳纳米纤维，起到催化剂积碳原位自再生的作用，再生后恢复催化活性的催化剂再次循环到催化提质反应器中；

7、断键脱氧提质后的热解挥发分给入分级冷凝系统，通过分级冷凝得到生物油产品。

8、一种多氢源强化生物质热解重质组分催化裂解及调控积碳的系统，包括等离子体裂解装置、生物质热解反应器、催化提质反应器、催化剂再生装置、第一冷凝器、第二冷凝器、出料设备、阀门、风机；

9、所述等离子裂解处置装置用于处置多氢源，将多氢源转化为固态熔渣和富氢气体，等离子体裂解装置气体出口连接催化提质反应器气体进口，用于向催化提质反应器输送富氢气体；

10、所述生物质热解反应器用于热解反应生物质原料，产生热解炭和热解挥发分；热解反应器气体出口连接催化提质反应器气体进口，用于向生物质热解反应器输送热解挥发分；

11、所述催化提质反应器用于对解挥发分和富氢气体进行催化裂解和加氢脱氧反应，催化提质反应器内置金属碳化物类双功能催化剂；催化提质反应器气体出口依次连接第一冷凝器和第二冷凝器，用于输送经脱氧提质后的热解挥发分；

12、所述催化提质反应器固体出口通过出料设备连接催化剂再生装置入料口，该出料设备设置有防止空气反串的阀门的；

13、所述催化剂再生装置设有空气入口，并连接风机，定量通入空气形成再生气氛，用于调控金属碳化物类双功能催化剂积碳中的无定形碳转变为具有定向结构的石墨烯纳米片/碳纳米纤维，实现催化剂的再生；所述催化剂再生装置通过出料设备连接提质反应器催化剂入料口，用于将再生后的催化剂再次循环到催化提质反应器中，该出有防止空气反串的阀门；

14、所述第一冷凝器液相出口和第二冷凝器液相出口分别收集提质后生物油，第一冷凝器冷凝温度高于第二冷凝器冷凝温度。

15、本发明与现有技术相比，其显著优点是：

16、(1)本发明提出通过引入废塑料类多氢源来提高生物质热解挥发分的有效氢碳比(h/ceff)，并且利用多氢源的活化作用在高温催化转化过程中产生大量的富氢自由基(·h和·chx)，可避免生物质含氧重质组分的自由基间发生缩聚和脱碳结焦反应，进一步促进生物质基含氧重质组分的断键和重整；

17、(2)本发明提出的系统通过气相组分的均相混合催化将废塑料固废的高温等离子体裂解装置和生物质能源的高值化利用进行耦合，利用了两者叠加的有利协同效应，具体表现为利用多氢源废塑料高温等离子处置产生的富氢气体对生物质热解挥发分中含氧重质组分进行断键裂解和加氢提质，降低了所得生物油中的重质组分的含量并降低生物油中的氧含量，获得了高品质的生物油产品；

18、(3)本发明还提出在催化提质反应器内置金属碳化物类双功能催化剂，其在多氢源协同催化的基础上可通过再生气氛调控金属碳化物催化剂积碳中的无定形碳转变为具有定向结构的石墨烯纳米片/碳纳米纤维，起到催化剂积碳原位自再生的作用，解决了生物质高值化热催化过程中催化剂易失活且再生困难的难题。

技术特征：

1.一种多氢源强化生物质热解重质组分催化裂解及调控积碳的方法，用于催化裂解生物质热解重质组分，并提质生物油，同时有效解决催化剂积碳失活的问题，其特征在于，通过以下方式实现：

2.根据权利要求1所述的一种多氢源强化生物质热解重质组分催化裂解及调控积碳的方法，其特征在于，所述等离子体裂解装置的反应温度为1000-1400℃。

3.根据权利要求1所述的一种多氢源强化生物质热解重质组分催化裂解及调控积碳的方法，其特征在于，所述生物质热解反应器热解反应温度为450-650℃，所述催化提质反应器反应温度为550-650℃。

4.根据权利要求1所述的一种多氢源强化生物质热解重质组分催化裂解及调控积碳的方法，其特征在于，所述催化剂再生装置的再生温度为650-750℃，再生时间为10-60min。

5.根据权利要求1所述的一种多氢源强化生物质热解重质组分催化裂解及调控积碳的方法，其特征在于，热解气进一步的燃烧作为热解反应和催化反应的热源。

6.一种多氢源强化生物质热解重质组分催化裂解及调控积碳的系统，其特征在于，包括等离子体裂解装置、生物质热解反应器、催化提质反应器、催化剂再生装置、第一冷凝器、第二冷凝器、出料设备、阀门、风机；

7.根据权利要求6所述的一种多氢源强化生物质热解重质组分催化裂解及调控积碳的系统，其特征在于，所述低温冷凝器气相出口的热解气，用于燃烧后给热解反应和催化反应提供热源。

8.根据权利要求6所述的一种多氢源强化生物质热解重质组分催化裂解及调控积碳的系统，其特征在于，第一冷凝器的和第二冷凝器的冷凝温度分别为60-90℃和0-30℃。

9.根据权利要求6所述的一种多氢源强化生物质热解重质组分催化裂解及调控积碳的系统，其特征在于，所述生物质热解反应器热解反应温度为450-650℃，所述催化提质反应器反应温度为550-650℃。

10.根据权利要求6所述的一种多氢源强化生物质热解重质组分催化裂解及调控积碳的系统，其特征在于，所述催化剂再生装置的再生温度为650-750℃，再生时间为10-60min。

技术总结
本发明公开了一种多氢源强化生物质热解重质组分催化裂解及调控积碳的方法与系统，通过等离子裂解无害化处理多氢源产生富氢气体，催化提质反应器内置金属碳化物类双功能催化剂，多氢源基富氢气体一方面可提高生物质热解挥发分的有效氢碳比，另一方面内含的富氢自由基可促进生物质热解挥发分中含氧重质组分的断键裂解和加氢提质，并耦合再生气氛调控金属碳化物催化剂积碳中的无定形碳转变为具有定向结构的石墨烯纳米片/碳纳米纤维。断键脱氧提质后的热解挥发分给入分级冷凝器，得到高品质生物油产品。整个系统耦合了固废的无害化处置和生物质的高值化利用，解决了生物质热解过程产品价值低且催化剂易积碳失活影响其长期稳定运行的瓶颈问题。

技术研发人员：张书平,牛欣,朱曙光
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/11