CN114477083B - 利用废弃物自供氢气和溶剂的生物质炼制方法及*** - Google Patents

利用废弃物自供氢气和溶剂的生物质炼制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用废弃物自供氢气和溶剂的生物质炼制方法及***，方法包括：对生物质炼制，将炼制后的混合浆料分离，获得目标产品和有机废弃物；将有机废弃物气化，获得氢气和二氧化碳的混合气；将氢气和二氧化碳的混合气通入电化学反应装置，二氧化碳经电还原转化为溶剂同时获得纯化后的氢气；将溶剂及纯化后的氢气回用于生物质炼制，形成循环。本发明利用生物质炼制产生的有机废弃物自供炼制过程所需的氢气和溶剂，实现了生物质全组分利用，原子利用率高，避免了传统的生物质气化和气化产生的二氧化碳热转化存在的诸多问题，适用于任何能产生有机废弃物的生物质炼制过程，运行成本低、经济效益好。

Description

利用废弃物自供氢气和溶剂的生物质炼制方法及***
技术领域
本发明涉及生物质资源化利用技术领域，尤其是一种利用废弃物自供氢气和溶剂的生物质炼制方法及***。
背景技术
近年来，随着全球能源供应体系的不断调整，生物质已成为继石油、煤和天然气之后的第四大主要资源，提供了全球每年约10％的一次能源。相比于太阳能、风能、潮汐能、核能等可再生能源，生物质是唯一含碳的可再生资源，其可再生有机碳源属性使得生物质不仅能用于燃烧发电，还能用于制备适用于发动机燃烧的替代燃料及适用于大化工生产的精细平台化学品。生物质是唯一可全面替代石化资源的绿色资源，因此发展生物质能对进一步推动能源结构转型、减少石化能源消耗、缓解由此引发的环境问题具有重要意义。
然而，生物质组成复杂(如木质纤维类生物质主要含有木质素、纤维素、半纤维素三大有机组分；藻类生物质主要含有蛋白质、多糖、脂肪等有机组分)，以特定目标产物为导向的生物质炼制往往只能利用生物质中的某一特定组分，其他组分则作为废弃物产生。因此，在生物质炼制过程中废弃物产量较大，这造成了生物质的总体利用率不高，且产生的废弃物需要投入额外成本进行处置。此外，绝大多数生物质炼制过程需要氢气和溶剂参与其中，而所需的氢气和溶剂通常只能外购，成本高，进一步降低了生物质炼制的经济性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种利用废弃物自供氢气和溶剂的生物质炼制方法及***，目的是提高生物质利用率同时降低成本。
本发明采用的技术方案如下：
一方面，提供一种利用废弃物自供氢气和溶剂的生物质炼制方法，包括：
对生物质炼制，将炼制后的混合浆料分离，获得目标产品和有机废弃物；
将所述有机废弃物气化，获得氢气和二氧化碳的混合气；
将所述氢气和二氧化碳的混合气通入电化学反应装置，二氧化碳经电还原转化为溶剂，同时获得纯化后的氢气；
将所述溶剂及纯化后的氢气回用于所述生物质炼制，形成循环。
进一步技术方案为：
将所述有机废弃物气化时采用催化水热气化法。
还包括：通过改变所述电化学反应装置的阴极上催化剂的类型，获得不同的溶剂。
还包括：对生物质炼制，将炼制后的混合浆料分离，获得目标产品和有机废弃物、以及未反应的溶剂，将未反应的溶剂再次回收用于所述生物质炼制。
所述溶剂为甲醇、甲酸、乙醇、乙酸、丙醇中的一种或多种。
另一方面，提供一种利用废弃物自供氢气和溶剂的生物质炼制***，包括：
生物质炼制装置，设有进料口、进气口A、溶剂进口和出料口；
产物分离装置，设有进样口B、目标产品出口和废弃物出口；
水热气化装置，设有进样口C、进水口和出气口C；
电化学反应装置，设有进气口D、出气口D和出样口；
所述出料口与所述进样口B连接，所述废弃物出口与所述进样口C连接；
所述出气口C与所述进气口D连接，用于将废弃物气化产生的氢气和二氧化碳的混合气输入电化学反应装置中；
所述溶剂进口与所述出样口连接、所述进气口A与所述出气口D连接，用于将电化学反应装置中二氧化碳电还原转化的溶剂、以及纯化后的氢气回收至生物质炼制装置再次利用。
进一步技术方案为：
所述电化学反应装置的阴极上设有催化二氧化碳发生电还原反应的催化剂。
所述分离装置还设有溶剂回收出口，所述溶剂回收出口与所述溶剂进口连接。
本发明的有益效果如下：
本发明利用生物质炼制产生的有机废弃物自供炼制过程所需的氢气和溶剂，实现了生物质全组分利用，原子利用率高，运行成本低、经济效益好，适用于任何能产生有机废弃物的生物质炼制过程。避免了传统的生物质气化和气化产生的二氧化碳热转化存在的诸多问题。本发明具体有如下优点：
(1)本发明采用水热气化法将废弃物气化，所需的装置简单、操作方便，运行条件温和，能量消耗低，避免了传统气化所需的大型装置和高温需求。且避免了焦油堵塞等问题，在催化剂的作用下能将有机废弃物定向气化为氢气和二氧化碳。
(2)相比于传统二氧化碳热转化***的高能耗和高氢耗，本发明采用电还原方法处理二氧化碳，能量需求低，利用可再生能源产生的低品位电能或调峰冗余电能即可实现稳定运行，适应性强。二氧化碳转化过程无需消耗氢气，且在转化二氧化碳生成溶剂的同时实现气化气中氢气的纯化。
(3)通过改变电还原中使用的阴极催化剂，即可将二氧化碳电还原为甲醇、甲酸、乙醇、乙酸、丙醇等不同溶剂，进一步增强了对不同类型生物质炼制过程的适用性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明的***结构示意图。
图中：1、生物质炼制装置；2、产物分离装置；3、水热气化装置；4、电化学反应装置；101、进料口；102、进气口A；103、溶剂进口；104、出料口；201、进样口B；202、目标产品出口；203、废弃物出口；204、溶剂回收出口；301、进样口C；302、进水口；303、出气口C；401、进气口D；402、出气口D；403、出样口。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
参见图1，本申请提供一种利用废弃物自供氢气和溶剂的生物质炼制方法，包括：
对生物质炼制，将炼制后的混合浆料分离，获得目标产品和有机废弃物；
将有机废弃物气化，获得气化气，气化气为氢气和二氧化碳的混合气；
将氢气和二氧化碳的混合气通入电化学反应装置，二氧化碳经电还原转化为溶剂，并获得纯化后的氢气；
将溶剂及纯化后的氢气回用于生物质炼制，形成循环。
将有机废弃物通过水热气化产生的气化气再通过电转化，二氧化碳电还原产生溶剂、并同时分离出纯化的氢气，将溶剂和纯化的氢气再次回收用于生物质炼制，实现生物质全利用及炼制过程中氢气和溶剂的自供给，适用于任何能产生有机废弃物的生物质炼制过程。
采用电转化处理气化气，能量需求低，利用可再生能源产生的低品位电能或调峰冗余电能即可实现稳定运行，适应性强。二氧化碳转化过程无需消耗氢气，且在转化二氧化碳生成溶剂的同时实现气化气中氢气的纯化。
其中，将有机废弃物气化时优选采用催化水热气化法。
采用催化水热气化法对有机废弃物进行气化，所需装置简单、操作方便，运行条件温和，避免了传统气化所需的大型装置和高温需求，能量消耗低，且可避免焦油堵塞等问题，在催化剂的作用下能将有机废弃物定向气化为氢气和二氧化碳。
上述的利用废弃物自供氢气和溶剂的生物质炼制方法，还包括：
通过改变电化学反应装置的阴极上催化剂的类型，获得不同的溶剂。
所述溶剂为甲醇、甲酸、乙醇、乙酸、丙醇中的一种或多种。
通过改变阴极催化剂，即可将二氧化碳电还原为甲醇、甲酸、乙醇、乙酸、丙醇等不同溶剂，从而实现对不同类型生物质的炼制。
上述的利用废弃物自供氢气和溶剂的生物质炼制方法，还包括：
对生物质炼制，将炼制后的混合浆料分离，获得目标产品和有机废弃物、以及未反应的溶剂，将未反应的溶剂再次回收用于生物质炼制。
以下给出一组具体反应参数详细说明本申请方法的技术方案：
生物质炼制过程中，采用钌基催化剂，在0.1-10MPa氢气下，于100-400℃，在甲醇溶剂中进行生物质炼制，将生物质中的木质素组分转化为燃料和化学品。
催化水热气化过程中，采用镍基催化剂，于100-300℃将上述生物质炼制过程中产生的富含碳水化合物的有机废弃物水热气化为氢气和二氧化碳的混合气。
电转化过程中，氢气和二氧化碳混合气的进样流量为10-100sccm，采用铜基催化剂，将其中的二氧化碳电还原转化为甲醇溶剂，并得到纯化的氢气。
本领域技术人员可以理解，上述技术方案中生物质炼制、有机废弃物水热法气化、二氧化碳通过电化学反应装置进行电还原反应同时实现氢气的纯化分离等过程，所依赖的反应条件如温度、时间等参数，实际上均可根据反应目标进行适用性的调整和设计。
参见图2，本申请实施例二提供一种利用废弃物自供氢气和溶剂的生物质炼制***，用于实现上述实施例一的利用废弃物自供氢气和溶剂的生物质炼制方法，***包括：
生物质炼制装置1，设有进料口101、进气口A 102、溶剂进口103和出料口104；
产物分离装置2，设有进样口B 201、目标产品出口202和废弃物出口203；
水热气化装置3，设有进样口C 301、进水口302和出气口C 303；
电化学反应装置4，设有进气口D 401、出气口D 402和出样口403；
其中，出料口104与进样口B 201连接，废弃物出口203与进样口C 301连接；
出气口C 303与进气口D 401连接；
溶剂进口103与出样口403连接、进气口A102与出气口D402连接。
本实施例的炼制***的工作原理：
分别通过进料口101、进气口A 102和溶剂进口103向生物质炼制装置1内输入生物质、氢气和溶剂，将生物质在一定条件下炼制生成混合浆料；
生成的混合浆料由出料口104输出通过进样口B 201输入至产物分离装置2中，利用分离装置2分离出目标产品和有机废弃物；目标产品通过目标产品出口202输出，有机废弃物通过废弃物出口203输出，然后由进样口C 301输入至水热气化装置3中进行水热式气化，产生气化气为二氧化碳和氢气的混合气；
混合气由出气口C 303输出，经进气口D401进入电化学反应装置4，二氧化碳在电化学反应装置4中发生电还原反应，生成溶剂，同时得到纯化的氢气，溶剂和纯化后的氢气分别由出样口403和出气口D 402输出，然后分别通过溶剂进口103、进气口A 102进入生物质炼制装置1内再次参与生物质炼制，形成循环。
具体的，电化学反应装置4即为提供电转化反应的电解装置，其中阴极上设有催化二氧化碳发生电还原反应的催化剂。通过改变阴极催化剂可获得不同的溶剂类型。
为了进一步提高利用率，产物分离装置2还设有溶剂回收出口204，溶剂回收出口204与所述溶剂进口103连接，从而将未反应的溶剂再次回收用于生物质炼制。
具体的，产物分离装置2采用过滤及膜分离技术对未反应的溶剂、废弃物以及目标产品进行分离。
本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用废弃物自供氢气和溶剂的生物质炼制方法，其特征在于，包括：
对生物质炼制，将炼制后的混合浆料分离，获得目标产品和有机废弃物；
采用镍基催化剂，于100-300℃将所述有机废弃物采用催化水热气化法进行气化，获得氢气和二氧化碳的混合气；
将所述氢气和二氧化碳的混合气通入电化学反应装置，二氧化碳经电还原转化为溶剂，同时获得纯化后的氢气；
将所述溶剂及纯化后的氢气回用于所述生物质炼制，形成循环。
2.根据权利要求1所述的利用废弃物自供氢气和溶剂的生物质炼制方法，其特征在于，还包括：通过改变所述电化学反应装置的阴极上催化剂的类型，获得不同的溶剂。
3.根据权利要求1所述的利用废弃物自供氢气和溶剂的生物质炼制方法，其特征在于，还包括：对生物质炼制，将炼制后的混合浆料分离，获得目标产品和有机废弃物、以及未反应的溶剂，将未反应的溶剂再次回收用于所述生物质炼制。
4.根据权利要求1所述的利用废弃物自供氢气和溶剂的生物质炼制方法，其特征在于，所述溶剂为甲醇、甲酸、乙醇、乙酸、丙醇中的一种或多种。
5.一种用于如权利要求1-4任一项所述利用废弃物自供氢气和溶剂的生物质炼制方法的***，其特征在于，包括：
生物质炼制装置（1），设有进料口（101）、进气口A（102）、溶剂进口（103）和出料口（104）；
产物分离装置（2），设有进样口B（201）、目标产品出口（202）和废弃物出口（203）；
水热气化装置（3），设有进样口C（301）、进水口（302）和出气口C（303）；
电化学反应装置（4），设有进气口D（401）、出气口D（402）和出样口（403）；
所述出料口（104）与所述进样口B（201）连接，所述废弃物出口（203）与所述进样口C（301）连接；
所述出气口C（303）与所述进气口D（401）连接，用于将废弃物气化产生的氢气和二氧化碳的混合气输入电化学反应装置（4）中；
所述溶剂进口（103）与所述出样口（403）连接、所述进气口A（102）与所述出气口D（402）连接，用于将电化学反应装置（4）中二氧化碳电还原转化的溶剂、以及纯化后的氢气回收至生物质炼制装置（1）再次利用；
所述电化学反应装置（4）的阴极上设有催化二氧化碳发生电还原反应的催化剂。
6.根据权利要求5所述的***，所述分离装置还设有溶剂回收出口（204），所述溶剂回收出口（204）与所述溶剂进口（103）连接。
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