CN112898997B - 一种利用废旧锂电池热处理产物催化生物质热解的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用废旧锂电池热处理产物催化生物质热解的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一，对废旧锂电池进行预处理，得到废旧锂电池的阴阳极电极材料；步骤二，对阴阳极电极材料进行热解，得到电极材料热处理产物；步骤三，将生物质与电极材料热处理产物按一定比例混合，再将混合物在惰性气氛下进行快速热解，冷却后收集热解产生的生物油、焦炭和气体产物，获得高品质的生物油和气体产物；本发明直接将废旧锂电池热处理产物作为生物质热解的催化剂,在回收处理废旧锂电池的同时提高了生物质油的产出率可广泛应用于能源、环保等领域。

Description

一种利用废旧锂电池热处理产物催化生物质热解的方法
技术领域
本发明涉及生物质能利用和废旧锂电池回收产业领域，具体涉及一种利用废旧锂电池热处理产物催化生物质热解的方法。
背景技术
由于化石能源的过度开采利用，导致了能源危机以及大量的环境污染问题。研究者们开始寻找化石能源的替代品以满足日益增大的燃料和化学品需求。生物质能以其循环可再生、环境友好、储量大等特性受到了世界各国的普遍重视。生物质是最重要的可再生能源资源之一，仅次于煤、石油、天然气的三大传统化石能源，其占世界能源消耗总量的10-15％。而且，生物质是零二氧化碳排放的原料。因此，生物质的开发和利用能有效缓解化石能源短缺和环境污染造成的巨大压力。生物质热解是一种广受关注的生物质热化学转化技术。它是在隔绝空气或惰性气氛、常压、中等温度条件(450-600℃)和短停留时间下将生物质加热转化为液态生物油，固体焦炭以及气态可燃合成气。产生的生物油可利用组分多，可做液体燃料，或者用于生产高品质化学品。但是，生物质直接热解制备的生物油水含量高，氧含量高(30-40％)，热值低、呈酸性(具有腐蚀性)且粘度大，限制了生物油的实际应用。并且气体产物中高值组分如H2有待进一步提高。
为解决生物质热解生物油和气体产物品质低的问题，研究者们常通过在生物质热解过程中加入催化剂的方法进行催化热解。催化剂的加入，使生物油发生脱羧基、脱羰基、脱水聚合等一系列复杂的化学反应从而达到生物油提质以及H2产量提高的效果。国内外学者在生物质催化热解方面开展了大量的工作。目前研究较多的催化剂可以分为沸石分子筛类以及金属类催化剂，二者在生物油的脱氧提质以及产物的定向选择等方面表现出了一定的催化提质效果，但分子筛类催化剂在热解过程中极易失活且再生困难，价格也较为昂贵；金属类催化剂相较其他催化剂价格昂贵，所以现阶段迫切需要开发用于生物质催化热解的高效廉价催化剂。
近些年新能源汽车、电子元器件和5G通讯产业的蓬勃发展，使得锂离子电池得到了大量使用。但是锂离子电池自身循环寿命较短，每年将产生大量的废旧锂离子电池。到2019年，中国有多达50万吨的废旧锂电池亟待处理处置。废旧锂离子电池富含Ni、Co、Mn和Fe等元素，其热处理产物可能会对生物质热解存在显著的催化作用。因而本专利采用废旧锂电池热处理产物来催化生物质热解过程，既能实现提升生物质热解生物油和气体产物的品质，又能实现废旧锂电池的无害化处理和资源化利用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种利用废旧锂电池热处理产物催化生物质热解的方法，既能实现提升生物质热解生物油和气体产物的品质，又能实现废旧锂电池的无害化处理和资源化利用。
本发明的技术方案是，一种利用废旧锂电池热处理产物催化生物质热解的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一，对废旧锂电池进行预处理，得到废旧锂电池的阴阳极电极材料；
步骤二，对阴阳极电极材料进行热解，得到混合金属单质及氧化物；
步骤三，将生物质与混合金属单质及氧化物按一定比例混合，再将混合物惰性气氛下进行快速热解，冷却后收集热解产生的生物油、焦炭和包括H2、CH4、CO和CO2为主的气体产物，获得高品质的生物油和气体产物。
本发明利用废旧锂电池热处理得到热处理产物(包含混合金属单质及氧化物)，再以热处理产物催化生物质热解，制备高品质生物油及合成气，实现生物质的高值化利用。相对于生物质原样直接热解产生的生物油，废旧锂电池热处理产物催化生物质热解生成的生物油碳含量高、氧含量低、热值高等特性。其中醛酮等含氧化合物含量显著降低，脂肪烃、芳香化合物含量有所提升。脂肪烃、芳香化合物可作为高附加值的化学品。并且废旧锂电池热处理产物催化生物质热解生成的合成气中，H2含量显著提升，CO2等不可燃气体含量降低，合成气整体热值提升。
根据本发明所述的一种利用废旧锂电池热处理产物催化生物质热解的方法的优选方案，所述生物质包括木质纤维素类生物质或者微藻。
根据本发明所述的一种利用废旧锂电池热处理产物催化生物质热解的方法的优选方案，所述微藻为油脂含量高的藻种如小球藻、螺旋藻。
根据本发明所述的一种利用废旧锂电池热处理产物催化生物质热解的方法的优选方案，所述惰性气氛包括N2、Ar或者He。
本发明所述的一种利用废旧锂电池热处理产物催化生物质热解的方法的有益效果是：本发明提出了一种新型的废旧锂电池回收利用途径，不需要购买价格昂贵的金属类催化剂；直接将废旧锂电池热处理产物作为生物质热解的催化剂，在回收处理废旧锂电池的同时提高了生物质油的产率；显著降低了生物质油的含氧化合物含量，脂肪烃、芳香化合物含量明显增大，生成的合成气H2O含量显著增大，CO2等不可燃气体含量降低，合成气整体热值增大；本发明可广泛应用于能源和环保等领域。
附图说明
图1是本发明所述的一种利用废旧锂电池热处理产物催化生物质热解的方法流程图。
具体实施方式
参见图1，一种利用废旧锂电池热处理产物催化生物质热解的方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，对废旧锂电池进行预处理，得到废旧锂电池的阴阳极电极材料。
步骤二，对阴阳极电极材料进行热解，得到电极材料热处理产物。
步骤三，将生物质与电极材料热处理产物按一定比例混合，再将混合物在惰性气氛下进行快速热解，冷却后收集热解产生的生物油、焦炭和包括H2、CH4、CO和CO2为主的气体产物，获得高品质的生物油和气体产物。
所述生物质包括木质纤维素类生物质或者微藻。
所述微藻为油脂含量高的藻种如小球藻、螺旋藻。
所述惰性气氛包括N2、Ar或者He。
实施例1，一种利用废旧锂电池热处理产物催化生物质热解的方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，对废旧锂电池进行预处理，得到废旧锂电池的阴阳极电极材料；具体为：首先将废旧锂电池拆除其坚硬外壳后进行磨碎，筛分得到阴阳极电极材料。
步骤二，对阴阳极电极材料进行热解，得到电极材料热处理产物，即混合金属单质及氧化物，主要组成成分包括Ni，Co，Mn和Fe等。
步骤三，以小麦秸秆为生物质原样，将小麦秸秆与电极材料热处理产物进行混合，将混合样品在500℃下、在载气N2流量为300mL/min时快速热解至反应完全。收集到生物油产率为47.13％，分析生物油的化学组成，其中酯类含量仅为6.57％，烃含量升至4.73％。测试气体产物组成中H2浓度占比提升为20.41％，生成的H2总质量为2.55mg/g小麦秸秆。
实施例2，与实施例1不同的是：
步骤三，以小麦秸秆为生物质原样，将小麦秸秆与电极材料热处理产物进行混合，将混合样品在600℃下、在载气N2流量在控制在1000mL/min时快速热解至反应完全。收集到生物油产率为46.35％，分析生物油的化学组成，其中酯类含量仅为8.08％，烃含量升至5.77％。测试气体产物组成中H2浓度占比为26.02％，生成的H2总质量为3.73mg/g小麦秸秆。
实施例3，与实施例1不同的是：
步骤三，以水稻秸秆为生物质原样，将水稻秸秆与电极材料热处理产物进行混合，将混合样品在400℃下、在载气N2流量在控制在100mL/min时快速热解至反应完全。收集到生物油产率为42.74％，分析生物油的化学组成，其中酯类含量仅为9.61％，烃含量升至9.29％。测试气体产物组成中H2浓度占比为17.53％。生成的H2总质量为1.66mg/g水稻秸秆。
实施例4，与实施例1不同的是：
步骤三，以水稻秸秆为生物质原样，将水稻秸秆与电极材料热处理产物进行混合，将混合样品在700℃下、在载气Ar流量在控制在2000mL/min时快速热解至反应完全。收集到生物油产率为40.14％，分析生物油的化学组成，其中酯类含量仅为13.19％，烃含量升至16.50％。测试气体产物组成中H2浓度占比为21.11％。生成的H2总质量为1.67mg/g水稻秸秆。
实施例5，与实施例1不同的是：
步骤三，以小球藻为生物质原样，将小球藻与电极材料热处理产物进行混合，将样品在700℃下、在载气Ar流量在控制在400mL/min时快速热解至反应完全。收集到的生物油产率下降为36.95％，但气体产率增加为36.18％。
对比例1
以小麦秸秆为生物质原样，直接将样品在500℃下、在载气N2流量在控制在300mL/min时快速热解至反应完全。收集到生物油产率为41.80％，分析生物油的化学组成，其中酯类含量高达21.61％，烃含量仅为1.40％。测试气体产物组成中H2浓度占比为9.74％，生成的H2总质量为0.50mg/g小麦秸秆。
对比例2
以水稻秸秆为生物质原样，直接将样品在400℃下、在载气N2流量在控制在100mL/min时快速热解至反应完全。收集到生物油产率为42.74％，分析生物油的化学组成，其中酯类含量高达17.12％，烃含量仅为3.64％。测试气体产物组成中H2浓度占比为8.24％。生成的H2总质量为0.46mg/g水稻秸秆。
对比例3
以小球藻为生物质原样，直接将样品在700℃下、在载气Ar流量在控制在400mL/min时快速热解至反应完全。收集到的生物油产率为42.67％，气体产率为24.32％。
对比实施例和对比例可以看出，废旧锂电池热处理产物催化热解后得到的生物油与生物质直接热解得到的生物油相比，脂肪烃，芳香化合物含量显著提升，酯类化合物含量下降，氧含量有所降低，在生物油品质提升的同时产率也有所增加；且气态产物中H2的含量显著提升，大大提高了合成气的热值。
综上，相比于生物质直接热解，本发明提出的废旧锂电池热处理产物催化生物质热解技术所制备的生物油和气体的品质和产量均获得显著提高。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种利用废旧锂电池热处理产物催化生物质热解的方法，其
特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一，对废旧锂电池进行预处理，得到废旧锂电池的阴阳极电
极材料；
步骤二，对阴阳极电极材料进行热解，得到电极材料热处理产物；
步骤三，将生物质与电极材料热处理产物按一定比例混合，再将
混合物在惰性气氛下进行快速热解，冷却后收集热解产生的生物油、
焦炭和气体产物，获得高品质的生物油和气体产物。
2.根据权利要求1 所述的一种利用废旧锂电池热处理产物催化生
物质热解的方法，其特征在于：所述生物质包括木质纤维素类生物质
或者微藻。
3.根据权利要求2 所述的一种利用废旧锂电池热处理产物催化生
物质热解的方法，其特征在于：所述微藻为油脂含量高的藻种。
4.根据权利要求1 所述的一种利用废旧锂电池热处理产物催化生
物质热解的方法，其特征在于：所述惰性气氛包括N2、Ar或者He。
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