專利名稱:垃圾、生物質(zhì)低溫電催化氣化及液化的方法和工藝的制作方法
所屬技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域和新能源領(lǐng)域，特別是涉及一種垃圾、生物質(zhì)氣化及液化的方法和工藝。
背景技術(shù)：
隨著生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，能源的消耗急劇增加，環(huán)境保護(hù)問題日趨嚴(yán)峻，排放的廢棄物也與日俱增。垃圾隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大而以10％的速度迅速增加，并且其有害成分的含量也越來越高，如處理不好，將會(huì)污染環(huán)境，威脅人民的身體健康，這不僅會(huì)制約社會(huì)的進(jìn)步，也會(huì)影響到國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前，我國大部分地區(qū)采用填埋法處理城市生活垃圾，不但需占用大量的土地、浪費(fèi)資源，而且容易造成二次污染，全國因固體廢棄物堆存而被占用和毀損的農(nóng)田面積已達(dá)200萬畝以上有些地區(qū)用垃圾焚燒一發(fā)電來處理城市生活垃圾，但垃圾發(fā)電的成本較高，其能量利用率僅為30％左右，有近70％的能量被浪費(fèi)掉了，并且焚燒的煙氣排入大氣，容易發(fā)生二次污染。
生物質(zhì)能是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物中的一種能量形式，生物質(zhì)是獨(dú)特的，它吸收二氧化碳，再通過光合作用貯存太陽能。地球上每年植物光合作用固定的碳達(dá)2×1011t，因此每年通過光合作用貯存在植物的枝、莖、葉中的太陽能，相當(dāng)于全世界每年耗能量的10倍。生物質(zhì)能的資源量豐富并且是環(huán)境友好型能源，已經(jīng)引起全世界的關(guān)注。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源非常豐富，僅稻草、麥草、蘆葦、竹子等非木材纖維就年產(chǎn)超過10億噸，加上大量木材加工剩余物，都是巨大的能源“倉庫”。然而，我國目前的農(nóng)林剩余物質(zhì)資源浪費(fèi)驚人，除小部分農(nóng)村用來發(fā)酵生產(chǎn)沼氣外，大部分都被直接燃燒、填埋、腐爛掉了。鑒于化石能源資源量有限、燃用化石能源產(chǎn)生的環(huán)境問題日益突出，人們把目光投向了新的可再生能源，生物質(zhì)能被列入新的可再生能源之中，推廣利用生物質(zhì)能將為我國能源可持續(xù)發(fā)展助力，同時(shí)可以為農(nóng)林業(yè)的發(fā)展帶來很大機(jī)遇。
把垃圾、生物質(zhì)通過氣化或液化的方法轉(zhuǎn)化為清潔的二次能源，可以取得雙重的有益效果，一是可以解決環(huán)境污染問題，二是可以擺脫對(duì)石油煤炭資源的依賴。近幾年來，許多科研機(jī)構(gòu)和大專院校都投入大量的力量對(duì)生物質(zhì)能的應(yīng)用進(jìn)行研究開發(fā)，公開了許多有關(guān)生物質(zhì)氣化方面的專利，但都以600℃以上的高溫進(jìn)行熱解氣化的技術(shù)為主題，存在浪費(fèi)能量、氣化率不高、產(chǎn)物品質(zhì)低的缺點(diǎn)，并且對(duì)生物質(zhì)的預(yù)處理要求較高，要把生物質(zhì)預(yù)先干燥、粉碎至小于一定粒度的顆粒才能使用，設(shè)備投資和運(yùn)行的成本高，因而不能得到普及應(yīng)用。
本發(fā)明的目的是變廢為寶，用垃圾、生物質(zhì)為原料進(jìn)行低投資、低成本、低能耗的氣化及液化，使之容易普及應(yīng)用，從而可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)上大量地、廉價(jià)地生產(chǎn)二次清潔能源，解決環(huán)境污染問題，減少對(duì)石油煤炭資源的依賴。

發(fā)明內(nèi)容為了達(dá)到上述的發(fā)明目的，本發(fā)明把垃圾、生物質(zhì)其中的一種和二種原料先進(jìn)行磨漿，通過機(jī)械降解及水解使其纖維素鏈斷裂，使鏈縮短，變“(C6H10O5)x”為“n(C6H10O5)(x/n)”，包括木素鏈、半纖維素鏈都將斷裂，然后再通過電催化反應(yīng)把垃圾生物質(zhì)漿料進(jìn)行分解氣化，制取氣體燃料；或通過電催化作用把垃圾生物質(zhì)漿料進(jìn)行分解—化合反應(yīng)，合成液化燃料；所述的氣體燃料包括氫氣、水煤氣，所述的液化燃料包括甲醇、二甲醚、合成汽油，所述的氣體燃料和液化燃料按投入使用不同的催化劑而相應(yīng)產(chǎn)出。本發(fā)明所述的垃圾為除塑料、橡膠、金屬、磚石類以外的有機(jī)質(zhì)垃圾，包括人畜糞便、動(dòng)物皮毛內(nèi)臟、動(dòng)物尸骨、食品類及菜場的廢棄物、生活及辦公室垃圾、建筑裝璜工地的木基質(zhì)廢料、污泥等；所述的生物質(zhì)為秸稈、谷殼、花生殼、稻草、麥草等農(nóng)業(yè)廢棄物及薪柴、樹枝、樹皮、木屑、鋸末、木材加工下腳料等林業(yè)廢棄物。本發(fā)明采用低溫電催化反應(yīng)進(jìn)行氣化及液化的方法，所述的低溫電催化是指在0℃至300℃之間的任何溫度條件中進(jìn)行的催化反應(yīng)；所述的電催化反應(yīng)為在電場中有催化劑存在的化學(xué)反應(yīng)；所述的催化劑包括固體催化劑、液體催化劑、沉積在電極表面的催化劑。
本發(fā)明的把垃圾、生物質(zhì)進(jìn)行低溫電催化氣化及液化的工藝系統(tǒng)主要由機(jī)械磨漿裝置、電催化反應(yīng)器組成，垃圾、生物質(zhì)通過機(jī)械磨漿設(shè)備磨成漿料后，再進(jìn)入電催化反應(yīng)器中進(jìn)行催化分解反應(yīng)，生成以甲烷、氫氣、一氧化碳組合的水煤氣。
本發(fā)明的把垃圾、生物質(zhì)進(jìn)行低溫電催化氣化及液化的工藝系統(tǒng)還主要由機(jī)械磨漿裝置、電催化反應(yīng)器、分離裝置組成，垃圾、生物質(zhì)通過機(jī)械磨漿設(shè)備磨成漿料后，再進(jìn)入電催化反應(yīng)器中進(jìn)行催化氣化或液化；電催化反應(yīng)器出口的為產(chǎn)物與未反應(yīng)物的混合物，混合物再經(jīng)過分離裝置進(jìn)行分離，獲得氫氣/或甲醇/或二甲醚/或合成汽油，未反應(yīng)物再返回電催化反應(yīng)器中進(jìn)行循環(huán)反應(yīng)。
本發(fā)明的電催化反應(yīng)器內(nèi)有陽極電極、陰極電極、催化劑存在，所述的陽電極和陰電極包括光電極、表面沉積有催化劑的電極；所述的催化劑包括固體酸催化劑、固體堿催化劑、液體酸催化劑、液體堿催化劑、沉積在電極表面的催化劑。上述的在電催化反應(yīng)器中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)中，電催化是發(fā)生在具有催化活性的電極表面與溶液或氣體的接界處，依靠電流促進(jìn)的反應(yīng)，其中，電極設(shè)計(jì)為具有特定催化活性功能的電極，投入使用不同催化活性功能的電極將在氫氣、水煤氣、甲醇、二甲醚、合成汽油之間有不同的產(chǎn)物。本發(fā)明應(yīng)用電催化技術(shù)具有選擇性好、易于控制反應(yīng)速度、能隨意投入或停止某項(xiàng)功能的應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)和選擇合適的催化劑，使本發(fā)明所述的催化反應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)，適合本發(fā)明使用的催化劑本人將另案申請(qǐng)專利。本發(fā)明還可應(yīng)用現(xiàn)有公知的催化劑進(jìn)行電催化反應(yīng)當(dāng)使用催化裂化催化劑+加氫裂化催化劑時(shí)，產(chǎn)物是氫氣；當(dāng)使用催化裂化催化劑+甲烷化催化劑時(shí)，產(chǎn)物是以甲烷為主要成分含有氫氣、一氧化碳的水煤氣；當(dāng)使用催化裂化催化劑+甲醇合成催化劑時(shí)，產(chǎn)物為甲醇；當(dāng)使用催化裂化催化劑+甲醇合成催化劑+甲醇脫水催化劑時(shí)，產(chǎn)物為二甲醚；當(dāng)使用催化裂化催化劑+甲醇合成催化劑+MTG催化劑時(shí)，產(chǎn)物為合成汽油。
上述的把垃圾、生物質(zhì)進(jìn)行低溫電催化氣化及液化的工藝中還可把垃圾生物質(zhì)漿料通過高速噴射進(jìn)入到電催化反應(yīng)器內(nèi)，在進(jìn)行高速噴射的過程中，將有部分垃圾生物質(zhì)漿料被電離，而產(chǎn)生氫離子H+、氫氧根離子OH-。垃圾生物質(zhì)漿料進(jìn)入電催化反應(yīng)器后，漿料中的H+離子將獲得它所缺乏的電子而變成不帶電氫原子，然后，每2個(gè)氫原子結(jié)合成為氫分子；漿料中的OH-離子將放出電子，變?yōu)椴粠щ姷腛H原子團(tuán)，隨后立即分解放出氧氣。在電催化反應(yīng)器內(nèi)H2和O2與漿料一起在催化劑功能的作用下合成氣體燃料或液化燃料。
本發(fā)明還采用在垃圾生物質(zhì)漿料中加入酸溶液或堿溶液的措施，來使垃圾生物質(zhì)漿料中的木質(zhì)素溶解、纖維素分子鏈進(jìn)一步降解斷鏈，當(dāng)采用在垃圾生物質(zhì)漿料中加入酸溶液或堿溶液時(shí)，還有酸溶液或堿溶液的回收裝置把酸溶液或堿溶液進(jìn)行循環(huán)利用。
本發(fā)明的有益效果是采用垃圾、生物質(zhì)原料生產(chǎn)氣體燃料或液化燃料，一是可以消除垃圾污染、保護(hù)環(huán)境，二是使垃圾、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二次清潔能源，減少對(duì)石油煤炭資源的依賴。本發(fā)明的低溫電催化氣化及液化方法比用高溫?zé)峤鈿饣ㄓ懈叩哪芰哭D(zhuǎn)換率和更高的產(chǎn)物品質(zhì)；與用厭氧發(fā)酵法制取沼氣相比更具快速、高效、使用原料廣泛等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提供下列附圖作進(jìn)一步的說明，但各附圖及以下的具體實(shí)施方式
均不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制圖1是本發(fā)明的其中之一工藝流程方框圖。
圖2是本發(fā)明的其中另一工藝流程方框圖。
圖3是本發(fā)明的又一工藝流程方框圖。
圖4是本發(fā)明的又一種工藝流程方框圖。
圖5是本發(fā)明優(yōu)選的一種垃圾生物質(zhì)低溫電催化氣化或液化的工藝流程方框圖。
具體實(shí)施方式圖5所示的本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，垃圾生物質(zhì)被送入磨漿機(jī)中磨成漿料，在磨漿過程中，通過機(jī)械降解及水解使垃圾生物質(zhì)的纖維素鏈斷裂變短，然后把漿料送入高壓容器中，同時(shí)有酸溶液或堿溶液進(jìn)入高壓容器與垃圾生物質(zhì)漿料混合，使?jié){料中術(shù)質(zhì)素溶解、纖維素進(jìn)一步降解，其中酸溶液選用硫酸溶液、磷酸溶液其中的一種或二種混合，堿溶液選用氫氧化鈉溶液。通入壓縮空氣進(jìn)入高壓容器，使容器形成高壓，對(duì)垃圾生物質(zhì)漿料進(jìn)行高壓常溫降解；或使用蒸汽，對(duì)高壓容器內(nèi)垃圾生物質(zhì)漿料進(jìn)行蒸煮，促進(jìn)降解速度。經(jīng)過進(jìn)一步降解的垃圾生物質(zhì)漿料以高速噴射進(jìn)入電催化反應(yīng)器，沖刷反應(yīng)器內(nèi)的幕板上，沖刷幕板為絕緣板或電極板，垃圾生物質(zhì)漿料在高速噴射及沖刷的過程中，有一部分漿料將被電離分解。在電催化反應(yīng)器內(nèi)，垃圾生物質(zhì)漿料在催化劑存在的條件下發(fā)生分解反應(yīng)或發(fā)生分解—化合反應(yīng)，按投入使用的催化劑的功能而生成氫氣/或甲醇/或二甲醚/或合成汽油。電催化反應(yīng)器出口的為經(jīng)過反應(yīng)的氫氣/或甲醇/或二甲醚/或合成汽油產(chǎn)物與未反應(yīng)物相混合的混合物，通過分離，獲得氫氣/或甲醇/或二甲醚/或合成汽油，未反應(yīng)物被送回電催化反應(yīng)器進(jìn)行循環(huán)反應(yīng)。本實(shí)施中，在電催化反應(yīng)器中投入使用的催化劑為催化裂化催化劑+加氫裂化催化劑時(shí)，產(chǎn)物是氫氣；當(dāng)投入使用的催化劑為催化裂化催化劑+甲醇合成催化劑時(shí)，產(chǎn)物為甲醇；當(dāng)投入使用的催化劑為催化裂化催化劑+甲醇合成催化劑+甲醇脫水催化劑時(shí)，產(chǎn)物為二甲醚；當(dāng)投入使用的催化劑為催化裂化催化劑+甲醇合成催化劑+MTG催化劑時(shí)，產(chǎn)物為合成汽油。
圖1和圖2所示的實(shí)施例是本發(fā)明最基本的工藝流程，其中圖1實(shí)施例的產(chǎn)物為水煤氣圖2實(shí)施例中，在電催化反應(yīng)器中投入使用的催化劑為催化裂化催化劑+加氫裂化催化劑時(shí)，產(chǎn)物是氫氣；當(dāng)投入使用的催化劑為催化裂化催化劑+甲醇合成催化劑時(shí)，產(chǎn)物為甲醇；當(dāng)投入使用的催化劑為催化裂化催化劑+甲醇合成催化劑+甲醇脫水催化劑時(shí)，產(chǎn)物為二甲醚；當(dāng)投入使用的催化劑為催化裂化催化劑+甲醇合成催化劑+MTG催化劑時(shí)，產(chǎn)物為合成汽油。
圖3和圖4所示的實(shí)施例是在圖1和圖2的基礎(chǔ)上增加了高壓容器和高速噴射的工藝流程，其中圖3實(shí)施例的產(chǎn)物為水煤氣；圖4實(shí)施例中，在電催化反應(yīng)器中投入使用的催化劑為催化裂化催化劑+加氫裂化催化劑時(shí)，產(chǎn)物是氫氣；當(dāng)投入使用的催化劑為催化裂化催化劑+甲醇合成催化劑時(shí)，產(chǎn)物為甲醇；當(dāng)投入使用的催化劑為催化裂化催化劑+甲醇合成催化劑+甲醇脫水催化劑時(shí)，產(chǎn)物為二甲醚；當(dāng)投入使用的催化劑為催化裂化催化劑+甲醇合成催化劑+MTG催化劑時(shí)，產(chǎn)物為合成汽油。
上述的實(shí)施例中，在電催化反應(yīng)器中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)為高放熱反應(yīng)，可采用內(nèi)循環(huán)換熱器把反應(yīng)器中熱量撤出，把電催化反應(yīng)器內(nèi)溫度控制在300℃以下，撤出的熱量用于加熱高壓容器內(nèi)漿料。
權(quán)利要求
1.垃圾、生物質(zhì)低溫電催化氣化及液化的方法，包括固體燃料的氣化及液化技術(shù)，其特征是把垃圾、生物質(zhì)其中的一種或二種先進(jìn)行磨漿，通過機(jī)械降解及水解使其纖維素鏈斷裂，然后再通過電催化反應(yīng)把垃圾生物質(zhì)漿料進(jìn)行氣化或液化，制取氣體燃料或液化燃料；所述的氣體燃料包括氫氣、水煤氣；所述的液化燃料包括甲醇、二甲醚、合成汽油。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的垃圾、生物質(zhì)低溫電催化氣化及液化的方法，其特征是所述的低溫電催化是指在0℃至300℃之間的任何溫度條件中進(jìn)行的催化反應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的垃圾、生物質(zhì)低溫電催化氣化及液化的方法，其特征是所述的電催化反應(yīng)為在電場中有催化劑存在的化學(xué)反應(yīng)；所述的催化劑包括固體催化劑、液體催化劑、沉積在電極表面的催化劑。
4.垃圾、生物質(zhì)低溫電催化氣化及液化的工藝，其特征是工藝系統(tǒng)主要由機(jī)械磨漿裝置、電催化反應(yīng)器組成，垃圾、生物質(zhì)通過機(jī)械磨漿設(shè)備磨成漿料后，再進(jìn)入電催化反應(yīng)器中進(jìn)行催化分解反應(yīng)，生成水煤氣。
5.垃圾、生物質(zhì)低溫電催化氣化及液化的工藝，其特征是工藝系統(tǒng)主要由機(jī)械磨漿裝置、電催化反應(yīng)器、分離裝置組成，垃圾、生物質(zhì)通過機(jī)械磨漿設(shè)備磨成漿料后，再進(jìn)入電催化反應(yīng)器中進(jìn)行催化氣化或液化；電催化反應(yīng)器出口的為產(chǎn)物與未反應(yīng)物的混合物，混合物再經(jīng)過分離裝置進(jìn)行分離，獲得氫氣/或甲醇/或二甲醚/或合成汽油，未反應(yīng)物再返回電催化反應(yīng)器中進(jìn)行循環(huán)反應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求
4或5所述的垃圾、生物質(zhì)低溫電催化氣化及液化的工藝，其特征是垃圾生物質(zhì)漿料還可通過高速噴射進(jìn)入到電催化反應(yīng)器內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求
4或5所述的垃圾、生物質(zhì)低溫電催化氣化及液化的工藝，其特征是還有酸溶液或堿溶液加入到垃圾生物質(zhì)漿料中，使纖維素分子鏈進(jìn)一步降解斷鏈、木質(zhì)素溶解。
8.根據(jù)權(quán)利要求
4或5所述的垃圾、生物質(zhì)低溫電催化氣化及液化的工藝，其特征是當(dāng)采用在垃圾生物質(zhì)漿料中加入酸溶液或堿溶液的工藝時(shí)，還有酸溶液或堿溶液的回收裝置把酸溶液或堿溶液進(jìn)行循環(huán)利用。
9.根據(jù)權(quán)利要求
4或5所述的垃圾、生物質(zhì)低溫電催化氣化及液化的工藝，其特征是電催化反應(yīng)器內(nèi)有陽極電極、陰極電極、催化劑；所述的電極包括光電極、表面沉積有催化劑的電極；所述的催化劑包括固體酸催化劑、固體堿催化劑、液體酸催化劑、液體堿催化劑、沉積在電極表面的催化劑。
專利摘要
垃圾、生物質(zhì)低溫電催化氣化及液化的方法和工藝，涉及環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域和新能源領(lǐng)域。本發(fā)明用垃圾、生物質(zhì)為原料在300℃以下的環(huán)境中通過電催化進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，制取氣體燃料或液化燃料，一是可以消除垃圾污染、保護(hù)環(huán)境，二是使垃圾、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二次清潔能源，減少對(duì)石油煤炭資源的依賴。本發(fā)明制取的氣體燃料及液化燃料包括氫氣、水煤氣、甲醇、二甲醚、合成汽油。本發(fā)明的低溫電催化氣化及液化方法比用高溫?zé)峤鈿饣ㄓ懈叩哪芰哭D(zhuǎn)換率和更高的產(chǎn)物品質(zhì)；與用厭氧發(fā)酵法制取沼氣相比更具快速、高效、使用原料廣泛等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C10L1/00GK1995285SQ200610167955
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月21日
發(fā)明者周開根 申請(qǐng)人:周開根導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan