一种耦合太阳能、二氧化碳提质生物质制备芳烃的方法

本发明涉及生物质预处理，具体为一种耦合太阳能、二氧化碳提质生物质制备芳烃的方法。

背景技术：

1、轻质芳烃(苯、甲苯和二甲苯等)是塑料、染料、合成树脂和制药等行业极其重要的基础化工有机原料。现今，轻质芳烃主要来源于化石燃料合成工艺，随着化石燃料的迅速枯竭，开发绿色可再生生物质通过催化快速热解技术制取轻质芳烃至关重要。然而，由于生物质原料存在高氧含量(35～45％)和高灰分含量(1～15％)的先天品质缺陷，导致生物质有效氢碳比低，严重限制了生物质通过催化热解制取高产率的轻质芳烃。因此，如何有效降低生物质原料中的氧元素和灰分含量，改善生物质的品质，是生物质催化热解制取高产率轻质芳烃面临的关键核心问题。

2、湿法烘焙预处理是一种高效的生物质改性提质预处理技术，可实现生物质同步脱氧脱灰的目的。它是指生物质在密封的压力容器中，以水为溶剂和反应介质、在自压力和180-260℃的反应温度下脱除部分含氧组分和灰分的亚临界水解过程。然而，以水为反应介质的湿法烘焙的脱灰率通常仅为50-60％，仍有约50％的以共价键形式与生物质细胞组织结合的离子交换性和酸溶性灰分无法有效脱除。因此，通常生物质湿法烘焙预处理会使用硫酸、盐酸等强酸溶液作为反应介质，提高灰分的脱除效率。然而，这一过程将造成能耗成本较高、易产生中间环节污染(易在生物质中引入cl和s等污染元素)和环境污染等问题。

3、二氧化碳是一种常见酸性气体，具有无毒、易获取、安全性好、成本低等优点，在湿法烘焙的高温高压过程中，极易转变为超临界二氧化碳，体现出低黏度、高扩散系数和强溶解能力等优良特性。在超临界状态下，由于二氧化碳在水中具有较高的溶解度，易形成酸性的碳酸溶液，可用于提升生物质灰分中碱和碱土金属的脱除率，因此富含碳酸的酸性水溶液常被称为绿色溶剂。此外，二氧化碳作为一种典型的温室气体，应用于生物质湿法烘焙脱氧脱灰提质预处理，对延缓全球温室效应具有积极影响。

4、因此，我们提出一种耦合太阳能、二氧化碳提质生物质制备芳烃的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种耦合太阳能、二氧化碳提质生物质制备芳烃的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种耦合太阳能、二氧化碳提质生物质制备芳烃的方法，包括以下步骤：

4、步骤a：预处理：将生物质原料粉碎至20-60目，得到生物质粉末；

5、步骤b：提质处理：将生物质粉末、催化剂和去离子水通过进料口送入太阳能耦合二氧化碳提质生物质的反应装置中，启动旋转电机带动螺旋桨进行搅拌，搅拌均匀后，通入二氧化碳，在太阳能光催化及光热组件的作用下，反应10-20min，反应结束后打开分离筛板，经分离，得到提质生物质；

6、步骤c：热解催化反应：将提质生物质送入固定床热解催化反应器中，加入催化剂混合均匀，在氮气气氛下，以100-140℃/min的升温速率升温至600-680℃，进行热解催化，热解催化后产生的热解气经冷凝，得到富含芳烃化合物的液体产物，即芳烃。

7、进一步的，所述步骤a中生物质原料为木材、毛竹、稻秆、麦秸秆、玉米秸秆、稻壳、油茶壳、棕榈壳中的一种或多种以任意比例混合的混合物。

8、进一步的，所述步骤b中太阳能耦合二氧化碳提质生物质的反应装置包括反应釜组件、太阳能光热组件、控温系统。

9、进一步的，所述反应釜组件包括压力表、进料口、旋转电机、石英玻璃釜体、釜体支撑脚、出料口、进气口、泄压阀、出气口、分离筛板，所述压力表和石英玻璃釜体釜顶紧固连接，所述进料口和石英玻璃釜体釜顶紧固连接，所述第一阀门和进料口连接，所述旋转电机和石英玻璃釜体釜顶紧固连接，所述旋转电机的输出端的转轴和螺旋桨紧固连接，所述进气口和石英玻璃釜体釜顶紧固连接，所述第三阀门和进气口连接，所述泄压阀和石英玻璃釜体釜顶紧固连接，所述出气口和石英玻璃釜体釜顶紧固连接，所述第四阀门和出气口连接，所述出料口和石英玻璃釜体釜底紧固连接，所述第二阀门和出料口连接，所述分离筛板置于石英玻璃釜体内部，所述分离筛板置于螺旋桨下方，所述釜体支撑脚和石英玻璃釜体底部紧固连接。

10、在上述技术方案中，石英玻璃釜体用于反应物反应，压力表用于检测釜体内部压力，进料口用于添加生物质、催化剂和水等原料，旋转电机输出端固定连接有转轴，为所述螺旋桨提供动力，进气口用于二氧化碳气体通入，泄压阀用于釜体内压力过大时，泄压阀自动打开进行泄压，出气口用于输出反应完成后气体，出料口用于反应完成的物料放出，分离筛板用于提质后的生物质与催化剂分离，具体为：基于催化剂和生物质颗粒的大小差异，反应釜体设置的分离筛板与釜体下部连接，结合螺旋桨的旋转实现分离作用。

11、进一步的，所述太阳能光热组件包括可见光灯和定日镜，所述可见光灯为多组，沿石英玻璃釜体的外侧壁环形排列设置，所述定日镜设有两组，分别安装在石英玻璃釜体的左侧和右侧。

12、在上述技术方案中，可见光灯用于模拟太阳光，定日镜用于反射可见光灯的光线到反应釜体聚集。

13、进一步的，所述控温系统包括温度探头和温度控制器，所述温度探头贯穿石英玻璃釜体釜顶，所述温度控制器和温度探头通过导线连接。

14、在上述技术方案中，控温系统与太阳能光催化及光热组件连接，控制可见光光源功率；控温系统与反应釜组件连接，控制反应釜釜体内部温度。

15、进一步的，所述步骤b中生物质、催化剂和去离子水的质量比为生物质：催化剂：去离子水＝(5-10)：1：(100-150)。

16、进一步的，所述步骤b中螺旋桨的转速为400-1000r/min。

17、进一步的，所述步骤b中二氧化碳添加压力为0.5-3.0mpa。

18、进一步的，所述步骤b中光热组件的工艺条件为：可见光功率为500-3000w，可见光温度为0-300℃。

19、进一步的，所述催化剂为zsm-5、fe-zsm-5、sba-15和mcm-41中的一种或多种以任意比例混合的混合物，催化剂的粒径为40-60目。

20、进一步的，所述步骤c中催化剂与提质生物质的质量比为(4-5)：1。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

22、1.本发明的一种耦合太阳能、二氧化碳提质生物质制备芳烃的方法，利用太阳能作为生物质湿法烘焙预处理的热源以及提质过程中激发催化性能的光源，在提质过程中不仅能够降低生物质处理成本，而且可以高效提质；利用二氧化碳代替湿法烘焙预处理过程中的酸源，减少污染物排放，同时实现温室气体二氧化碳资源化利用，起到固定二氧化碳的作用，助力双碳目标早日实现；将太阳能、二氧化碳与生物质湿法烘焙预处理进行耦合，达成生物质的改性提质和碳减排目标，进而在热解催化过程中，延长催化剂活性，提高催化剂寿命，获得高产率和高选择性的芳烃产品，实现了太阳光的光催化和光热的有效利用，提高了太阳光能量的利用效率。

23、2.本发明的一种耦合太阳能、二氧化碳提质生物质制备芳烃的方法，在高温高压的光照条件下，催化剂吸收能量激发产生光生电子，光生电子可有效促进二氧化碳气体还原为一氧化碳，而后一氧化碳气体可有效提高生物质湿法烘焙预处理过程中的脱氧效率。

24、3.本发明的一种耦合太阳能、二氧化碳提质生物质制备芳烃的方法，在高温高压条件下，二氧化碳进入亚临界态，增强了其在水中的溶解度，釜内酸强度得到了提升，提高了生物质湿法烘焙预处理过程中的脱灰率。

25、4.本发明的一种耦合太阳能、二氧化碳提质生物质制备芳烃的方法，温室气体二氧化碳的利用效率在太阳光的光催化和光热反应过程中也得到了提高，实现了温室气体二氧化碳的有效固定。