固废热解催化重整制备合成气与碳纳米材料的装置与方法

摘要

本发明公开了一种固废热解催化重整制备合成气与碳纳米材料的装置与方法，料仓的底部出口与螺旋提升机相连，螺旋提升机的出料口与第一锁气器相连，第一锁气器与热解反应器的物料入口相连，焦炭排料口与回收舱相连，热解反应器的气体出口与第二锁气器相连，第二锁气器与催化反应器的气体入口相连，若干泡沫金属镍板自上向下依次间隔设置在催化反应器内，催化反应器的气体出口与干燥器的气体入口相连，干燥器的气体出口与储气罐相连。本发明在催化裂解反应器内利用泡沫金属镍强化热解气催化裂解，其综合性能优越，应用于固废热解催化活性高，可以同时得到高品质合成气和碳纳米材料。

说明书

技术领域

本发明涉及固废热解催化领域，特别是涉及一种固废热解催化重整制备合成气与碳纳米材料的装置与方法。

背景技术

目前，全球每年产生超过20亿吨的城市固体废弃物，预计2050年将达到34亿吨固废，如何处理这些固体废弃物已经成为了各国政府非常棘手的问题。在固体废弃物中，以厨余垃圾、纸张、木材和塑料为代表的有机物约占50%以上，当条件改变后，固体废弃物有可能重新具有使用价值变废为宝，成为生产的原材料、燃料或消费物品，因而具有一定的资源价值及经济价值。

固体废弃物的处理通常是指物理、化学、生物、物化及生化方法把固体废物转化为适于运输、贮存、利用或处置的过程，主要采取的技术包括焚烧处理、压实技术、破碎技术、分选技术、固化技术、生物处理和热解法等。其中焚烧法是固体废弃物高温分解和氧化的综合处理过程，好处是大量有害的废料分解而变成无害的物质并可以提供热能。由于固体废弃物中可燃物的占比很高，采用焚烧方法处理固体废弃物利用其热能已成为很多国家的第一选择，焚烧厂多设在10万人以上的大城市，并设有能量回收系统，以此种方法处理固体废弃物占地少，处理量大。但是焚烧法也有缺点，如投资较大、焚烧过程排烟造成二次污染、设备锈蚀现象严重等。

热解法是将固废在无氧或缺氧条件下高温（500℃－1000℃）加热，使之分解为气、液、固三类产物，与焚烧法相比，热解法则是更有前途的处理方法，它最显著的优点是基建投资少、污染轻、过程可控以及生成物具有高附加值等。

固废催化热解是发展前景广阔、技术优势明显的热化学转化技术，也是目前生物质能利用技术领域的焦点与热点。将泡沫金属作为催化剂应用于固废催化热解领域，能将固废清洁高效地转化为化工原料或燃料，产品特性具有很广阔的前景，不仅可以实现固体废弃物变废为宝，还可以缓解环境污染以及能源问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固废热解催化重整制备合成气与碳纳米材料的装置与方法，能够利用泡沫金属镍对固废的热解气进行催化，得到碳纤维或者碳纳米管等高价值的碳纳米材料，同时收集的气体（CO、H

实现本发明目的的技术解决方案为：一种固废热解催化重整制备合成气与碳纳米材料的装置，包括料仓、螺旋提升机、第一锁气器、热解反应器、第二锁气器、回收舱、催化反应器、干燥器、储气罐和若干泡沫金属镍板。

料仓的底部出口与螺旋提升机相连，螺旋提升机的出料口与第一锁气器相连，第一锁气器与热解反应器的物料入口相连，焦炭排料口与回收舱相连，热解反应器的气体出口与第二锁气器相连，第二锁气器与催化反应器的气体入口相连，若干泡沫金属镍板自上向下依次间隔设置在催化反应器内，催化反应器的气体出口与干燥器的气体入口相连，干燥器的气体出口与储气罐相连。

一种固废热解催化重整制备合成气与碳纳米材料的方法，步骤如下：

步骤1、固体废弃物在料仓内被破碎成颗粒，经过螺旋提升机和第一锁气器后进入热解反应器；

步骤2、在热解反应器的物料入口处进行干燥烘培，烘培后的颗粒物再进入热解反应器中进行热解；

步骤3、热解后的残渣从焦炭排料口排出，冷却后进入回收舱储存；同时在热解反应器内生成的热解气经第二锁气器导入催化反应器中催化，得到合成气以及以碳纤维或碳纳米管形态存在的沉积于泡沫金属镍板上的碳纳米材料；

步骤4、得到的合成气经过干燥器干燥后，得到的H

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）采用催化热解法处理固体废弃物，系统运行过程中无乏气排放，系统能效高，可连续不间断运行。操作参数可根据固废数量和种类进行调节，系统运行过程中安全性高，成本低。

（2）用泡沫金属镍强化热解气催化裂解。泡沫金属镍具有孔隙率高、密度小和比表面积大等特征，同时具备多种优异的物理化学性能，应用于固废热解催化活性高，综合性能优于其他催化剂。

（3）催化反应器的催化剂放置采用分段式泡沫多层泡沫金属镍板的方式，每层泡沫金属镍板采用插入式放置方法，两层之间泡沫金属板之间为空气，操作简单，减少堵塞的可能性，提高催化反应稳定性。泡沫金属镍板可以重复利用，使用寿命大幅提高，可以长时间保持高效的催化状态，达到减少成本、节能减排、废物资源化利用的目的。同时，回收碳纳米材料更为便利，为开展后续研究和日后工业化生产提供条件。

（4）得到的碳纳米材料呈现碳纤维或者碳纳米管的形态，在工业上经处理后可以用于制备化肥或者更高附加值的碳材料；制备的合成气H

附图说明

图1为本发明一种固废热解催化重整制备合成气与碳纳米材料的装置的结构图。

图2为本发明所制备的碳纳米材料在扫描电镜下的形貌表征图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种固废热解催化重整制备合成气与碳纳米材料装置，包括料仓1、螺旋提升机2、第一锁气器4、热解反应器6、第二锁气器8、回收舱10、催化反应器13、干燥器16、储气罐18。

料仓1与螺旋提升机2相连，螺旋提升机2的物料出口3与第一锁气器4相连，第一锁气器4与热解反应器6的物料入口5相连，焦炭排料口9与回收舱10相连，气体出口7与第二锁气器8相连，第二锁气器8与催化反应器13的气体入口11相连，若干泡沫金属镍板12自上向下依次间隔设置在催化反应器13内部，催化反应器13的气体出口14与干燥器16的气体入口15相连，干燥器的气体出口17与储气罐18相连。

基于上述固废热解催化重整制备合成气与碳纳米材料的方法，具体步骤为：

固体废弃物在料仓1中破碎成小颗粒后，经螺旋送料机2提升输送后，由其出料口3送出，经第一锁气器4进入热解反应器6的入料口5处的烘焙干燥段，在200-300℃下进行干燥烘焙，除去固废中的水分并使得固废部分预碳化。烘焙后的固废颗粒通过螺旋进入热解反应器6，在500~600℃下进行深度高温热解，反应后的残渣经出料口9排出至回收舱10进行储存。产生的热解气由热解反应器6的气体出口7排出，经过第二锁气器8，由催化反应器13的气体入口11进入，经过被间隔安装于催化反应器13内部的若干泡沫金属镍板12时，在600~700℃催化裂解成以H

本发明的一种固废热解催化重整制备合成气与碳纳米材料的装置与方法，固废在料仓1内破碎成小颗粒后，在提升机2作用下，经过第一锁气器4，进入热解反应装置6（其中包含在热解反应器顶部一个短暂的烘焙过程）。固废通过螺旋进入热解段进行深度高温热解，固废残渣经出料口排出至回收舱10回收。产生的热解气经泡沫金属催化段的反应之后得到具有较高品质的碳纳米材料和高品质合成气。合成气再经过净化干燥器16后，输送入储气罐18储存。系统能效高，运行过程无乏气排放，操作参数均可根据固废种类的数量调节，系统运行安全性高、成本低。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

实施案例

将变质面包、污泥、木屑等固废按照2：1：2的比例放入料仓1经料仓充分混合、搅拌、粉碎后得到固废混合颗粒。在无氧的N

收集反应后得到的固废残渣并称重，收集反应后得到的合成气并用气相色谱仪检测其成分及占比。待催化反应器13冷却后，收集泡沫金属板12表面气相沉积的碳纳米材料，称重后使用扫描电子显微镜（SEM）观察其微观形貌表征。

收集到的固废残渣为1.09g，收益率为36.3%；合成气的主要成分及占比如表1所示（非全部气体）：

表1 合成气的主要成分及占比

如图2，使用SEM对在泡沫金属镍收集到的材料放大2万倍进行形貌表征分析，可以明显观察到材料表面生长着大量的碳纳米材料，其大部分以碳纤维的形态存在，少部分以碳纳米管的形态存在。