CN111849526B - 一种热解生物质联产焦炭和苯酚的方法 - Google Patents

一种热解生物质联产焦炭和苯酚的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热解生物质联产焦炭和苯酚的方法，属于可再生能源利用领域。本发明的热解生物质联产焦炭和苯酚的方法，热解反应分为两段进行，生物质催化热解和催化裂解分步完成，生物质先450‑650℃进行催化热解，由于碱性催化剂的存在能抑制纤维素衍生物的生成同时促进木质素衍生物的生成，进入第二集热管的热解气中富含木质素衍生物；随后热解气在450‑650℃发生催化裂解，活性炭催化剂的存在能够促进木质素衍的分解形成苯酚；固体焦炭出口位于最低点，气体产物出口位于最高处，利用重力原理减少驱动生物质所消耗能量；另一方面，所需的能量由太阳能提供，联产大量固体焦炭，提高了经济性。

Description

一种热解生物质联产焦炭和苯酚的方法
技术领域
本发明属于可再生能源利用领域，尤其是一种热解生物质联产焦炭和苯酚的方法。
背景技术
苯酚是一种常见的大宗化学品，广泛应用于化工及医疗领域，如制取化工品及中间体、防腐剂、杀虫剂、消毒剂等，常见的苯酚制备方法包括磺化碱熔法、氯苯水解法和异丙苯法等。
生物质能作为可再生能源具有很好的发展前景。生物质热解过程中木质素分解会形成苯酚，但苯酚是生物质热解过程中木质素分解获得的众多产物之一。生物质热解过程中苯酚的产率因原料不同而有明显的差别，但一般不超过1％，导致分离提纯及其困难，且没有较好的经济性。因此要以生物质为原料制备苯酚，就必须提高热解过程对苯酚的选择性，同时降低热解过程的能耗。
虽然目前已有部分研究(如中国专利CN 103755528 B)通过在热解过程中引入催化剂能提高生物质热解过程对苯酚的选择性，然而生物质热解过程为一个吸热过程，需要不断地向热解系统提供能量，影响过程的经济性。如何进一步提升过程经济性是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服生物质热解过程中对苯酚选择性低的缺点，提供一种热解生物质联产焦炭和苯酚的方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种利用太阳能热解生物质联产焦炭和苯酚的方法，包括以下步骤：
1)将生物质原料注入倾斜设置的第一集热管内，第一集热管入口的高度高于出口，第一集热管内壁上设有固体碱催化剂层，在第一集热管内入口处持续通入预设流量的惰性气体以保持集热管内的惰性气氛，将生物质在第一集热管加热至450-650℃，生物质发生热解反应分解形成热解气和固体焦炭，并在惰性气体吹拂下不断流向出口处；
2)热解气和固体焦炭在重力和惰性气体的作用下进行气固分离，当到达第一集热管出口处时，固体焦炭落入收集装置内，而热解气则进入第二集热管内，所述第二集热管入口的高度低于出口，第二集热管内壁上设有活性炭催化剂层，热解气在第二集热管加热至450-650℃，热解气在惰性气氛、催化剂和高温的作用下发生催化裂解反应形成焦炭和富含苯酚的热解气，富含苯酚的热解气在惰性气体吹拂下不断流向出口处，焦炭在重力作用下不断流向入口处；
所述第一集热管和第二集热管的能量均由太阳能提供；
3)富含苯酚的热解气到达第二集热管出口处，进行冷凝后得到富含苯酚的液体产物。
进一步的，所述生物质原料为木质纤维类生物质。
进一步的，所述木质纤维类生物质为玉米杆、高粱杆、花生壳、稻壳、松木屑、甘蔗渣、柳木根或杨木屑。
进一步的，在步骤1)中的第一集热管的长度为100-300m，斜率为0.5％-3％，生物质在第一集热管内的流速为0.5-5m/s。
进一步的，步骤2)的收集装置替换为旋风分离器。
进一步的，步骤3)中的第二集热管的长度为100-300m，斜率为0.5％-3％，热解气及其分解产物在第二集热管中的流速为5-30m/s。
进一步的，所述第一集热管和第二集热管位于槽式太阳能集热器的焦线处；
槽式太阳能集热器用于将太阳能反射至焦线处，聚焦太阳能从而实现集热管的集热。
进一步的，所述槽式太阳能集热器由若干集热单元串联而成；
集热单元包括若干个立柱，立柱上端设有驱动装置，驱动装置之间设有若干个反射镜支架，反射镜支架上设有反射镜，反射镜呈预设弧度；反射镜支架上还设有集热管支撑，集热管支撑上设有本发明所述的第一集热管和第二集热管，集热管均位于反射镜的焦线处。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的热解生物质联产焦炭和苯酚的方法，热解反应分为两段进行，生物质催化热解和催化裂解分步完成，生物质首先在第一集热器内于450-650℃下进行催化热解，由于碱性催化剂的存在能抑制纤维素衍生物的生成同时促进木质素衍生物(酚类混合物)的生成，进入第二集热器内的热解气富含木质素衍生物；然后热解气在第二集热器中继续于450-650℃下发生催化裂解，由于活性炭催化剂的存在能够促进木质素衍生物的分解形成苯酚，最终经冷凝后的液体产物中富含苯酚。本发明将生物质热解过程分为两段分步完成，在第一集热器中将生物质转化为酚类混合物，在第二集热器中将酚类混合物转化为苯酚，两种催化剂分别在两段反应中发挥催化作用，与单独采用一种催化剂或者两种催化剂混合使用相比，催化剂的针对性更佳，对苯酚的选择性显著提高；此外，两个集热器呈V字形设置，固体产物出口位于最低点，气体产物出口位于最高处，利用重力原理减少驱动生物质所消耗能量；另一方面，热解过程中所需的能量由太阳能提供，热解除了获得苯酚产物外，还能同时联产大量固体焦炭，避免了燃烧生物质对热解过程进行供热。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明线聚焦集热单元的结构示意图；
图3为本发明的集热管的结构示意图，其中，图3(a)为侧视图，图3(b)为截面图。
其中：1-热解反应器；2-气固分离装置；3-在线催化反应器；4-冷凝装置；11-反射镜；12-集热管；13-集热管支撑；14-反射镜支架；15-驱动装置；16-立柱；17-催化剂层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图2，图2为本发明线聚焦集热单元的结构示意图，线聚焦集热单元包括若干个立柱16，立柱16上端设有驱动装置15，驱动装置15之间设有若干个反射镜支架14，反射镜支架14上设有反射镜11，反射镜呈预设弧度；反射镜支架14上还设有集热管支撑13，集热管支撑13上设有集热管12；
而第一集热管和第二集热管可由若干个槽式集热单元上的集热管12串联而成。
参见图3，图3(a)为集热管侧视图，图3(b)为集热管的截面图，从图中可以看出，集热管12为双层设计，两层之间为真空环境，当为第一集热管时，内层的内壁上设有催化剂层17，用于催化热解生物质。当为第二集热管时，内层的内壁上设有催化剂层17，用于催化裂解热解气。
参见图1，图1为本发明的的流程图，下面结合实施例来说明。
实施例1
取200g干燥的松木(平均粒径为1mm)为原料，送入第一集热管中，太阳能辐射照度为771W/m2，第一集热管为150m，第一集热管内壁涂覆有固体磷酸钾催化剂，生物质在氮气氛围下，从室温升至450℃进行催化热解约30s，获得的热解气和固体进入旋风分离器进行气固分离，得到的固体焦炭产率为40％，热解气继续进入第二集热管(长度为150m)，第二集热管内壁涂覆有活性炭催化剂，热解气升至550℃进行催化裂解30s，经冷凝后得到的液体产物产率为41％，其中的苯酚的产量为8.7％。
第一集热管和第二集热管均位于槽式太阳能镜场中。
实施例2
取500g干燥的甘蔗渣(平均粒径为0.5mm)为原料，送入第一集热管中，太阳能辐射照度为550W/m2，第一集热管长度为300m，第一集热管内壁涂覆有固体氧化镁和氧化钙的混合催化剂，生物质在氦气氛围下，从室温升至500℃进行热解约60s，获得的热解气和固体进入旋风分离器进行气固分离，得到的固体焦炭产率为34％，热解气继续进入第二集热管(长度为300m)，第二集热管内壁涂覆有活性炭催化剂，热解气升至550℃进行催化裂解60s，经冷凝后得到的液体产物产率为47％，其中的苯酚的产量为5.4％。
第一集热管和第二集热管均位于槽式太阳能镜场中。
实施例3
取300g干燥的花生壳(平均粒径为1mm)为原料，送入第一集热管中，太阳能辐射照度为1015W/m2，第一集热管中长度为200m，第一集热管中内壁涂覆有固体磷酸氢钾催化剂，生物质在氮气氛围下，从室温升至650℃进行热解约40s，获得的热解气和固体进入旋风分离器进行气固分离，得到的固体焦炭产率为32％，热解气继续进入第二集热管中(长度为200m)，第二集热管中管内壁涂覆有活性炭催化剂，热解气升至650℃进行催化裂解40s，经冷凝后得到的液体产物产率为43％，其中的苯酚的产量为7.1％。
第一集热管和第二集热管均位于槽式太阳能镜场中。
实施例4
取200g干燥的稻壳(平均粒径为2mm)为原料，送入第一集热管中，太阳能辐射照度为630W/m2，第一集热管长度为150m，第一集热管内壁涂覆有固体碳酸钠催化剂，生物质在氦气氛围下，从室温升至480℃进行热解约30s，获得的热解气和固体进入旋风分离器进行气固分离，得到的固体焦炭产率为38％，热解气继续进入第二集热管(长度为200m)，第二集热管内壁涂覆有活性炭催化剂，热解气升至620℃进行催化裂解30s，经冷凝后得到的液体产物产率为44％，其中的苯酚的产量为6.4％。
第一集热管和第二集热管均位于槽式太阳能镜场中。
实施例5
取500g干燥的玉米杆(平均粒径为1mm)为原料，送入第一集热管中，太阳能辐射照度为860W/m2，第一集热管长度为200m，第一集热管内壁涂覆有固体氢氧化钾催化剂，生物质在氮气氛围下，从室温升至525℃进行热解约45s，获得的热解气和固体进入旋风分离器进行气固分离，得到的固体焦炭产率为34％，热解气继续进入第二集热管(长度为200m)，第二集热管内壁涂覆有活性炭催化剂，热解气升至575℃进行催化裂解45s，经冷凝后得到的液体产物产率为45％，其中的苯酚的产量为7.9％。
第一集热管和第二集热管均位于槽式太阳能镜场中。
实施例6
取450g干燥的高粱杆(平均粒径为0.5mm)为原料，送入第一集热管中，太阳能辐射照度为814W/m2，第一集热管长度为150m，第一集热管内壁涂覆有固体硝酸钾催化剂，生物质在氦气氛围下，从室温升至450℃进行热解约35s，获得的热解气和固体进入旋风分离器进行气固分离，得到的固体焦炭产率为37％，热解气继续进入第二集热管(长度为150m)，第二集热管内壁涂覆有活性炭催化剂，热解气升至550℃进行催化裂解35s，经冷凝后得到的液体产物产率为45％，其中的苯酚的产量为8.0％。
第一集热管和第二集热管均位于槽式太阳能镜场中。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用太阳能热解生物质联产焦炭和苯酚的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将生物质原料注入倾斜设置的第一集热管内，第一集热管入口的高度高于出口，第一集热管内壁上设有固体碱催化剂层，在第一集热管内入口处持续通入预设流量的惰性气体以保持集热管内的惰性气氛，将生物质在第一集热管加热至450-650℃，生物质发生热解反应分解形成热解气和固体焦炭，并在惰性气体吹拂下不断流向出口处；
（2）热解气和固体焦炭在重力和惰性气体的作用下进行气固分离，当到达第一集热管出口处时，固体焦炭落入收集装置内，而热解气则进入第二集热管内，所述第二集热管入口的高度低于出口，第二集热管内壁上设有活性炭催化剂层，热解气在第二集热管加热至450-650℃，热解气在惰性气氛、催化剂和高温的作用下发生催化裂解反应形成焦炭和富含苯酚的热解气，富含苯酚的热解气在惰性气体吹拂下不断流向出口处，焦炭在重力作用下不断流向入口处；
所述第一集热管和第二集热管的能量均由太阳能提供；
（3）富含苯酚的热解气到达第二集热管出口处，进行冷凝后得到富含苯酚的液体产物。
2.根据权利要求1所述的利用太阳能热解生物质联产焦炭和苯酚的方法，其特征在于，所述生物质原料为木质纤维类生物质。
3.根据权利要求2所述的利用太阳能热解生物质联产焦炭和苯酚的方法，其特征在于，所述木质纤维类生物质为玉米杆、高粱杆、花生壳、稻壳、松木屑、甘蔗渣、柳木根或杨木屑。
4.根据权利要求1所述的利用太阳能热解生物质联产焦炭和苯酚的方法，其特征在于，在步骤（1）中的第一集热管的长度为100-300 m，斜率为0.5%-3%，生物质在第一集热管内的流速为0.5-5 m/s。
5.根据权利要求1所述的利用太阳能热解生物质联产焦炭和苯酚的方法，其特征在于，步骤（2）的收集装置替换为旋风分离器。
6.根据权利要求1所述的利用太阳能热解生物质联产焦炭和苯酚的方法，其特征在于，步骤（3）中的第二集热管的长度为100-300 m，斜率为0.5%-3%，热解气及其分解产物在第二集热管中的流速为5-30m/s。
7.根据权利要求1所述的利用太阳能热解生物质联产焦炭和苯酚的方法，其特征在于，所述第一集热管和第二集热管位于槽式太阳能集热器的焦线处；
槽式太阳能集热器用于将太阳能反射至焦线处，聚焦太阳能从而实现集热管的集热。
8.根据权利要求7所述的利用太阳能热解生物质联产焦炭和苯酚的方法，其特征在于，所述槽式太阳能集热器由若干集热单元串联而成；
集热单元包括若干个立柱（16），立柱（16）上端设有驱动装置（15），驱动装置（15）之间设有若干个反射镜支架（14），反射镜支架（14）上设有反射镜（11），反射镜呈预设弧度；反射镜支架（14）上还设有集热管支撑（13），集热管支撑（13）上设有所述第一集热管和第二集热管，集热管均位于反射镜的焦线处。
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