CN102730918A - 超临界水气化反应中碳化反应的阻断剂及其应用与使用方法 - Google Patents

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朱伟
徐志荣
龚淼
张会文
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Abstract

本发明提供一种在超临界水气化反应中可以抑制碳化反应的阻断剂，其由碱金属碳酸盐化合物、碱金属氢氧化物构成或其混合物构成；其中，碱金属碳酸盐化合物为K2CO3或Na2CO3，碱金属氢氧化物为KOH或NaOH。用此阻断剂可实现在超临界水气化反应中抑制碳化反应的作用。实验证明，按重量比为2%～8%的阻断剂加入含水率介于78～85%的高浓度污泥中，均匀搅拌后进行超临界水气化反应，焦炭含量大幅降低，氢气产量大幅上升；其中当阻断剂加入量为6%时，焦炭阻断率可高达80%以上，焦炭含量可低于3%，氢气产量提高近5倍。从而解决了现有技术中存在的反应过程中形成焦炭影响气化反应效率导致氢气产量下降，及黏附在管壁上造成堵塞的问题。而且，本发明提供的阻断剂成分常见易得，性质稳定，不易变性，使用时材料掺入量低、阻断率高，从而具有推广的前景。

Description

超临界水气化反应中碳化反应的阻断剂及其应用与使用方法
技术领域
本发明属于资源环境领域，具体涉及一种可以抑制超临界水气化反应中焦炭形成的阻断剂与应用，及其在超临界水气化污泥中阻断碳化反应的使用方法。
背景技术
由于能源危机及碳排放的问题，生物质能源越来越受研究者们的关注，其中超临界水气化产氢技术最为引人关注。目前，我国研究者们对超临界水气化产氢技术开展了一系列的研究，如西安交通大学郭烈锦院士团队，山西煤炭研究所等，并取得了良好的气化效果。但由于高浓度物料容易由于碳化反应产生焦炭类物质，从而影响气化反应效率导致氢气产量下降，并且结渣造成了连续式反应器的堵塞，所以目前的研究都只停留在低浓度进料条件下。如专利号为02114529.6的中国专利中所述当有机物进料浓度为1～3 wt%，虽然通过连续式反应器极大的提高了超临界水气化反应效率，但是由于反应物含固率极低，处理效率很难得到进一步的提升；专利号为200510041633.8的中国专利提供一种对煤和生物质共同进行超临界水气化产氢的方法，但依然是低进料浓度介于1.0～5.0 wt%之间。而专利号为200710017691.6的中国专利通过部分氧化方式及流化床反应器解决了煤与有机质混合物的堵塞问题。所以，如何解决超临界水气化反应中碳化反应的抑制问题已成为超临界水气化产氢技术研究中急需解决的问题。
另外，目前在我国关于超临界水处理污泥的专利或专利申请有8个，专利号或专利申请号分别是“98120547.X”、“200710126149.4”、“200810063091.8”、“200810060553.0”、“200910022849.8”、“200910022342.2”、“200910024282.8”、“200910218773.6”。上述专利限于超临界水处理污泥时的设备、方法和工艺，对于脱水污泥在超临界水气化过程中因高浓度物料而造成的碳化反应的解决方法，尚未见到报道。
发明内容
解决的技术问题：
针对现有技术中存在的超临界水气化反应中碳化反应导致产生大量焦炭类物质的技术问题，本发明提供一种可以抑制超临界水气化反应中焦炭形成的阻断剂与应用，及其在超临界水气化污泥中阻断碳化反应的使用方法。
技术方案：
针对以上技术问题，本发明提供一种可以抑制超临界水气化反应中焦炭形成的阻断剂，其具体组成如下：
由碱金属碳酸盐化合物或碱金属氢氧化物构成，称为单独阻断剂；
由碱金属碳酸盐化合物和碱金属氢氧化物混合构成，称为混合阻断剂；
其中：所述碱金属碳酸盐化合物为K2CO3或Na2CO3；
所述碱金属氢氧化物为KOH或NaOH。
作为本发明的进一步改进，上述混合阻断剂，以碱金属碳酸盐化合物：碱金属氢氧化物重量比5～9配比，此时阻断效果更好。
本发明还提供上述阻断剂在超临界水气化反应中抑制碳化反应的应用。
同时本发明还提供上述阻断剂在实现超临界水气化污泥反应中抑制碳化反应的使用方法：在污泥中按重量比2%～8%添加所述阻断剂，混合均匀，然后再一并进行超临界水气化反应。
上述阻断剂的使用方法可用于含水量介于78～85%之间的高浓度污泥。
作为本发明的进一步改进，污泥超临界水气化反应的条件为为450℃，压力为25 MPa，反应时间为30min的条件下。
有益效果
利用本发明提供的阻断剂，可有效抑制超临界水气化反应中的碳化反应，大幅降低反应中焦炭类物质的含量，理论上阻断率高达90%以上，由于焦炭类物质的减少，解决了现有技术中存在的反应过程中形成焦炭影响气化反应效率导致氢气产量下降，及黏附在管壁上造成堵塞的问题。
实验证明，在阻断剂的掺入量为2%～8%之间时，可有效的阻断超临界水直接脱水污泥中的碳化反应，尤其当阻断剂掺入量为6%时，产物中焦炭含量低于3%，焦炭阻断率高到80%以上，且氢气产量可提高近5倍。
同时，采用混合阻断剂时，碱金属碳酸盐化合物比碱金属氢氧化物的比值（重量比）介于5～9之间时呈现出更加优良的阻断性能。
本发明提供的阻断剂成分常见易得，性质稳定，不易变性，使用时材料掺入量低、阻断率高，从而具有推广的前景。
具体实施方式
实施方式1
一种可以抑制超临界水气化反应中焦炭形成的阻断剂，其具体组成如下：
由碱金属碳酸盐化合物或碱金属氢氧化物构成，称为单独阻断剂；
由碱金属碳酸盐化合物和碱金属氢氧化物混合构成，称为混合阻断剂；
其中：碱金属碳酸盐化合物为K2CO3或Na2CO3；
碱金属氢氧化物为KOH或NaOH。
实施方式2
一种混合阻断剂，由碱金属碳酸盐化合物：碱金属氢氧化物=5～9（重量比）配比构成，其中：碱金属碳酸盐化合物为K2CO3或Na2CO3；
碱金属氢氧化物为KOH或NaOH。
实施方式3
阻断剂在实现超临界水气化污泥反应中抑制碳化反应的使用方法，在含水率为84.1%的脱水污泥中加入2%（重量百分比）的实施例1中所述单独阻断剂，混合均匀后，经超临界水气化反应：
实验结果表明：脱水污泥含水率为84.1%，在反应温度为450℃，压力为25 MPa，反应时间为30min的条件下进行直接超临界水气化处理，焦炭含量相比未掺入时降低36.3～54.2%，产物中焦炭含量低于10%，氢气产量提高1.42～1.81倍。具体结果详见表1。
实施方式4
与实施方式3不同的是，单独阻断剂(K2CO3或KOH或Na2CO3或NaOH中的任意一种)添加的量为8%（重量比）、
实验结果表明，脱水污泥含水率为84.1%，在反应温度为450℃，压力为25 MPa，反应时间为30min的条件下进行直接超临界水气化处理，焦炭含量相比未掺入时降低71.7～83.4%，产物中焦炭含量低于5%，氢气产量提高4.2～6.5倍。具体结果详见表1。
实施方式5
与实施方式4不同的是，采用混合阻断剂，碱金属碳酸盐化合物：碱金属氢氧化物=5，添加的量为8%（重量比）、
实验结果表明，脱水污泥含水率为84.1%，在反应温度为450℃，压力为25 MPa，反应时间为30min的条件下进行直接超临界水气化处理，焦炭含量相比未掺入时降低70.3～73.4%，产物中焦炭含量低于5%，氢气产量提高4.7～5.6倍。具体结果详见表2。
实施方式6
与实施方式4不同的是，采用混合阻断剂，即碱金属碳酸盐化合物：碱金属氢氧化物=9，添加的量为8%（重量比）、
实验结果表明，脱水污泥含水率为84.1%，在反应温度为450℃，压力为25 MPa，反应时间为30min的条件下进行直接超临界水气化处理，焦炭含量相比未掺入时降低74.9～76.8%，产物中焦炭含量低于5%，氢气产量提高4.3～5.9倍。具体结果详见表2。
表1 单独催化剂抑制焦炭及催化产氢的效果
Figure BDA0000178871501
表2 混合催化剂抑制焦炭及催化产氢的效果
Figure BDA0000178871502

Claims (6)

1.一种超临界水气化反应中碳化反应的阻断剂，其特征在于：
由碱金属碳酸盐化合物或碱金属氢氧化物构成，称为单独阻断剂；
由碱金属碳酸盐化合物和碱金属氢氧化物混合构成，称为混合阻断剂；
其中：所述碱金属碳酸盐化合物为K2CO3或Na2CO3；
所述碱金属氢氧化物为KOH或NaOH。
2.根据权利要求1所述阻断剂，其特征在于：所述混合阻断剂，以碱金属碳酸盐化合物：碱金属氢氧化物重量比5～9配比。
3.权利要求1或2中所述阻断剂在超临界水气化反应中抑制碳化反应的应用。
4.一种采用权利要求1或2中所述阻断剂实现超临界水气化污泥反应中抑制碳化反应的使用方法，其特征在于：在污泥中按重量比2%～8%添加所述阻断剂，混合均匀，然后再一并进行超临界水气化反应。
5.根据权利要求4所述的阻断剂使用方法，其特征在于：所述污泥的含水量介于78～85%之间。
6.根据权利要求4或5所述的阻断剂使用方法，其特征在于：超临界水气化反应的条件为为450℃，压力为25 MPa，反应时间为30min的条件下。
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