CN1995285A

CN1995285A - 垃圾、生物质低温电催化气化及液化的方法和工艺

Info

Publication number: CN1995285A
Application number: CN 200610167955
Authority: CN
Inventors: 周开根
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2007-07-11

Abstract

垃圾、生物质低温电催化气化及液化的方法和工艺，涉及环境保护领域和新能源领域。本发明用垃圾、生物质为原料在300℃以下的环境中通过电催化进行化学反应，制取气体燃料或液化燃料，一是可以消除垃圾污染、保护环境，二是使垃圾、生物质转化为二次清洁能源，减少对石油煤炭资源的依赖。本发明制取的气体燃料及液化燃料包括氢气、水煤气、甲醇、二甲醚、合成汽油。本发明的低温电催化气化及液化方法比用高温热解气化法有更高的能量转换率和更高的产物品质；与用厌氧发酵法制取沼气相比更具快速、高效、使用原料广泛等优点。

Description

垃圾、生物质低温电催化气化及液化的方法和工艺

所属技术领域

本发明涉及环境保护领域和新能源领域，特别是涉及一种垃圾、生物质气化及液化的方法和工艺。

背景技术

随着生产力和科学技术的发展，能源的消耗急剧增加，环境保护问题日趋严峻，排放的废弃物也与日俱增。垃圾随着我国国民经济的发展及城市规模的不断扩大而以10％的速度迅速增加，并且其有害成分的含量也越来越高，如处理不好，将会污染环境，威胁人民的身体健康，这不仅会制约社会的进步，也会影响到国民经济的可持续发展。当前，我国大部分地区采用填埋法处理城市生活垃圾，不但需占用大量的土地、浪费资源，而且容易造成二次污染，全国因固体废弃物堆存而被占用和毁损的农田面积已达200万亩以上：有些地区用垃圾焚烧一发电来处理城市生活垃圾，但垃圾发电的成本较高，其能量利用率仅为30％左右，有近70％的能量被浪费掉了，并且焚烧的烟气排入大气，容易发生二次污染。

生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，生物质是独特的，它吸收二氧化碳，再通过光合作用贮存太阳能。地球上每年植物光合作用固定的碳达2×10¹¹t，因此每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能，相当于全世界每年耗能量的10倍。生物质能的资源量丰富并且是环境友好型能源，已经引起全世界的关注。我国是一个农业大国，生物质资源非常丰富，仅稻草、麦草、芦苇、竹子等非木材纤维就年产超过10亿吨，加上大量木材加工剩余物，都是巨大的能源“仓库”。然而，我国目前的农林剩余物质资源浪费惊人，除小部分农村用来发酵生产沼气外，大部分都被直接燃烧、填埋、腐烂掉了。鉴于化石能源资源量有限、燃用化石能源产生的环境问题日益突出，人们把目光投向了新的可再生能源，生物质能被列入新的可再生能源之中，推广利用生物质能将为我国能源可持续发展助力，同时可以为农林业的发展带来很大机遇。

把垃圾、生物质通过气化或液化的方法转化为清洁的二次能源，可以取得双重的有益效果，一是可以解决环境污染问题，二是可以摆脱对石油煤炭资源的依赖。近几年来，许多科研机构和大专院校都投入大量的力量对生物质能的应用进行研究开发，公开了许多有关生物质气化方面的专利，但都以600℃以上的高温进行热解气化的技术为主题，存在浪费能量、气化率不高、产物品质低的缺点，并且对生物质的预处理要求较高，要把生物质预先干燥、粉碎至小于一定粒度的颗粒才能使用，设备投资和运行的成本高，因而不能得到普及应用。

本发明的目的是变废为宝，用垃圾、生物质为原料进行低投资、低成本、低能耗的气化及液化，使之容易普及应用，从而可以实现工业上大量地、廉价地生产二次清洁能源，解决环境污染问题，减少对石油煤炭资源的依赖。

发明内容

为了达到上述的发明目的，本发明把垃圾、生物质其中的一种和二种原料先进行磨浆，通过机械降解及水解使其纤维素链断裂，使链缩短，变“(C₆H₁₀O₅)_x”为“n(C₆H₁₀O₅)_(x/n)”，包括木素链、半纤维素链都将断裂，然后再通过电催化反应把垃圾生物质浆料进行分解气化，制取气体燃料；或通过电催化作用把垃圾生物质浆料进行分解—化合反应，合成液化燃料；所述的气体燃料包括氢气、水煤气，所述的液化燃料包括甲醇、二甲醚、合成汽油，所述的气体燃料和液化燃料按投入使用不同的催化剂而相应产出。本发明所述的垃圾为除塑料、橡胶、金属、砖石类以外的有机质垃圾，包括人畜粪便、动物皮毛内脏、动物尸骨、食品类及菜场的废弃物、生活及办公室垃圾、建筑装璜工地的木基质废料、污泥等；所述的生物质为秸秆、谷壳、花生壳、稻草、麦草等农业废弃物及薪柴、树枝、树皮、木屑、锯末、木材加工下脚料等林业废弃物。本发明采用低温电催化反应进行气化及液化的方法，所述的低温电催化是指在0℃至300℃之间的任何温度条件中进行的催化反应；所述的电催化反应为在电场中有催化剂存在的化学反应；所述的催化剂包括固体催化剂、液体催化剂、沉积在电极表面的催化剂。

本发明的把垃圾、生物质进行低温电催化气化及液化的工艺系统主要由机械磨浆装置、电催化反应器组成，垃圾、生物质通过机械磨浆设备磨成浆料后，再进入电催化反应器中进行催化分解反应，生成以甲烷、氢气、一氧化碳组合的水煤气。

本发明的把垃圾、生物质进行低温电催化气化及液化的工艺系统还主要由机械磨浆装置、电催化反应器、分离装置组成，垃圾、生物质通过机械磨浆设备磨成浆料后，再进入电催化反应器中进行催化气化或液化；电催化反应器出口的为产物与未反应物的混合物，混合物再经过分离装置进行分离，获得氢气/或甲醇/或二甲醚/或合成汽油，未反应物再返回电催化反应器中进行循环反应。

本发明的电催化反应器内有阳极电极、阴极电极、催化剂存在，所述的阳电极和阴电极包括光电极、表面沉积有催化剂的电极；所述的催化剂包括固体酸催化剂、固体碱催化剂、液体酸催化剂、液体碱催化剂、沉积在电极表面的催化剂。上述的在电催化反应器中进行的化学反应中，电催化是发生在具有催化活性的电极表面与溶液或气体的接界处，依靠电流促进的反应，其中，电极设计为具有特定催化活性功能的电极，投入使用不同催化活性功能的电极将在氢气、水煤气、甲醇、二甲醚、合成汽油之间有不同的产物。本发明应用电催化技术具有选择性好、易于控制反应速度、能随意投入或停止某项功能的应用等优点，开发和选择合适的催化剂，使本发明所述的催化反应能够实现，适合本发明使用的催化剂本人将另案申请专利。本发明还可应用现有公知的催化剂进行电催化反应：当使用催化裂化催化剂+加氢裂化催化剂时，产物是氢气；当使用催化裂化催化剂+甲烷化催化剂时，产物是以甲烷为主要成分含有氢气、一氧化碳的水煤气；当使用催化裂化催化剂+甲醇合成催化剂时，产物为甲醇；当使用催化裂化催化剂+甲醇合成催化剂+甲醇脱水催化剂时，产物为二甲醚；当使用催化裂化催化剂+甲醇合成催化剂+MTG催化剂时，产物为合成汽油。

上述的把垃圾、生物质进行低温电催化气化及液化的工艺中还可把垃圾生物质浆料通过高速喷射进入到电催化反应器内，在进行高速喷射的过程中，将有部分垃圾生物质浆料被电离，而产生氢离子H⁺、氢氧根离子OH^-。垃圾生物质浆料进入电催化反应器后，浆料中的H⁺离子将获得它所缺乏的电子而变成不带电氢原子，然后，每2个氢原子结合成为氢分子；浆料中的OH^-离子将放出电子，变为不带电的OH原子团，随后立即分解放出氧气。在电催化反应器内H₂和O₂与浆料一起在催化剂功能的作用下合成气体燃料或液化燃料。

本发明还采用在垃圾生物质浆料中加入酸溶液或碱溶液的措施，来使垃圾生物质浆料中的木质素溶解、纤维素分子链进一步降解断链，当采用在垃圾生物质浆料中加入酸溶液或碱溶液时，还有酸溶液或碱溶液的回收装置把酸溶液或碱溶液进行循环利用。

本发明的有益效果是：采用垃圾、生物质原料生产气体燃料或液化燃料，一是可以消除垃圾污染、保护环境，二是使垃圾、生物质转化为二次清洁能源，减少对石油煤炭资源的依赖。本发明的低温电催化气化及液化方法比用高温热解气化法有更高的能量转换率和更高的产物品质；与用厌氧发酵法制取沼气相比更具快速、高效、使用原料广泛等优点。

附图说明

本发明提供下列附图作进一步的说明，但各附图及以下的具体实施方式均不构成对本发明的限制：

图1是本发明的其中之一工艺流程方框图。

图2是本发明的其中另一工艺流程方框图。

图3是本发明的又一工艺流程方框图。

图4是本发明的又一种工艺流程方框图。

图5是本发明优选的一种垃圾生物质低温电催化气化或液化的工艺流程方框图。

具体实施方式

图5所示的本发明优选的实施例中，垃圾生物质被送入磨浆机中磨成浆料，在磨浆过程中，通过机械降解及水解使垃圾生物质的纤维素链断裂变短，然后把浆料送入高压容器中，同时有酸溶液或碱溶液进入高压容器与垃圾生物质浆料混合，使浆料中术质素溶解、纤维素进一步降解，其中酸溶液选用硫酸溶液、磷酸溶液其中的一种或二种混合，碱溶液选用氢氧化钠溶液。通入压缩空气进入高压容器，使容器形成高压，对垃圾生物质浆料进行高压常温降解；或使用蒸汽，对高压容器内垃圾生物质浆料进行蒸煮，促进降解速度。经过进一步降解的垃圾生物质浆料以高速喷射进入电催化反应器，冲刷反应器内的幕板上，冲刷幕板为绝缘板或电极板，垃圾生物质浆料在高速喷射及冲刷的过程中，有一部分浆料将被电离分解。在电催化反应器内，垃圾生物质浆料在催化剂存在的条件下发生分解反应或发生分解—化合反应，按投入使用的催化剂的功能而生成氢气/或甲醇/或二甲醚/或合成汽油。电催化反应器出口的为经过反应的氢气/或甲醇/或二甲醚/或合成汽油产物与未反应物相混合的混合物，通过分离，获得氢气/或甲醇/或二甲醚/或合成汽油，未反应物被送回电催化反应器进行循环反应。本实施中，在电催化反应器中投入使用的催化剂为催化裂化催化剂+加氢裂化催化剂时，产物是氢气；当投入使用的催化剂为催化裂化催化剂+甲醇合成催化剂时，产物为甲醇；当投入使用的催化剂为催化裂化催化剂+甲醇合成催化剂+甲醇脱水催化剂时，产物为二甲醚；当投入使用的催化剂为催化裂化催化剂+甲醇合成催化剂+MTG催化剂时，产物为合成汽油。

图1和图2所示的实施例是本发明最基本的工艺流程，其中图1实施例的产物为水煤气：图2实施例中，在电催化反应器中投入使用的催化剂为催化裂化催化剂+加氢裂化催化剂时，产物是氢气；当投入使用的催化剂为催化裂化催化剂+甲醇合成催化剂时，产物为甲醇；当投入使用的催化剂为催化裂化催化剂+甲醇合成催化剂+甲醇脱水催化剂时，产物为二甲醚；当投入使用的催化剂为催化裂化催化剂+甲醇合成催化剂+MTG催化剂时，产物为合成汽油。

图3和图4所示的实施例是在图1和图2的基础上增加了高压容器和高速喷射的工艺流程，其中图3实施例的产物为水煤气；图4实施例中，在电催化反应器中投入使用的催化剂为催化裂化催化剂+加氢裂化催化剂时，产物是氢气；当投入使用的催化剂为催化裂化催化剂+甲醇合成催化剂时，产物为甲醇；当投入使用的催化剂为催化裂化催化剂+甲醇合成催化剂+甲醇脱水催化剂时，产物为二甲醚；当投入使用的催化剂为催化裂化催化剂+甲醇合成催化剂+MTG催化剂时，产物为合成汽油。

上述的实施例中，在电催化反应器中进行的化学反应为高放热反应，可采用内循环换热器把反应器中热量撤出，把电催化反应器内温度控制在300℃以下，撤出的热量用于加热高压容器内浆料。

Claims

1.垃圾、生物质低温电催化气化及液化的方法，包括固体燃料的气化及液化技术，其特征是把垃圾、生物质其中的一种或二种先进行磨浆，通过机械降解及水解使其纤维素链断裂，然后再通过电催化反应把垃圾生物质浆料进行气化或液化，制取气体燃料或液化燃料；所述的气体燃料包括氢气、水煤气；所述的液化燃料包括甲醇、二甲醚、合成汽油。

2.根据权利要求1所述的垃圾、生物质低温电催化气化及液化的方法，其特征是所述的低温电催化是指在0℃至300℃之间的任何温度条件中进行的催化反应。

3.根据权利要求1所述的垃圾、生物质低温电催化气化及液化的方法，其特征是所述的电催化反应为在电场中有催化剂存在的化学反应；所述的催化剂包括固体催化剂、液体催化剂、沉积在电极表面的催化剂。

4.垃圾、生物质低温电催化气化及液化的工艺，其特征是工艺系统主要由机械磨浆装置、电催化反应器组成，垃圾、生物质通过机械磨浆设备磨成浆料后，再进入电催化反应器中进行催化分解反应，生成水煤气。

5.垃圾、生物质低温电催化气化及液化的工艺，其特征是工艺系统主要由机械磨浆装置、电催化反应器、分离装置组成，垃圾、生物质通过机械磨浆设备磨成浆料后，再进入电催化反应器中进行催化气化或液化；电催化反应器出口的为产物与未反应物的混合物，混合物再经过分离装置进行分离，获得氢气/或甲醇/或二甲醚/或合成汽油，未反应物再返回电催化反应器中进行循环反应。

6.根据权利要求4或5所述的垃圾、生物质低温电催化气化及液化的工艺，其特征是垃圾生物质浆料还可通过高速喷射进入到电催化反应器内。

7.根据权利要求4或5所述的垃圾、生物质低温电催化气化及液化的工艺，其特征是还有酸溶液或碱溶液加入到垃圾生物质浆料中，使纤维素分子链进一步降解断链、木质素溶解。

8.根据权利要求4或5所述的垃圾、生物质低温电催化气化及液化的工艺，其特征是当采用在垃圾生物质浆料中加入酸溶液或碱溶液的工艺时，还有酸溶液或碱溶液的回收装置把酸溶液或碱溶液进行循环利用。

9.根据权利要求4或5所述的垃圾、生物质低温电催化气化及液化的工艺，其特征是电催化反应器内有阳极电极、阴极电极、催化剂；所述的电极包括光电极、表面沉积有催化剂的电极；所述的催化剂包括固体酸催化剂、固体碱催化剂、液体酸催化剂、液体碱催化剂、沉积在电极表面的催化剂。