生物质热解油电解提质过程电极焦原位脱除的系统与方法

技术领域

本发明属于生物质热解相关技术领域，更具体地，涉及一种生物质热解油电解提质过程电极焦原位脱除的系统与方法。

背景技术

生物质热解油作为唯一一种含碳的可再生液体燃料，具有重要的战略意义和广阔的市场前景。然而由于其成分复杂、含水量高、含氧量高、热值低、酸值高、粘度大、受热易结焦，导致难以直接应用于高效燃烧设备，必须进行精制提质以提高其燃料性质。催化裂解、加氢脱氧、水蒸汽重整等传统热化学方法，均需要高温或高压环境，工艺复杂、投资运行成本高，规模大灵活性小，难以构成分布式能源、资源系统。

电催化作为处理生物质热解油的一种新型手段，能有效避免生物油热化学转化中的苛刻条件，商业化前景大。然而随着电解时间的持续，热解油中发生的电化学聚合反应会变得愈加剧烈，电解池底和电极上的结焦量会增加。电极上的焦会覆盖在电极表面，减少电极与反应物的接触位点，抑制提质反应的进行，使得电热作用逐渐增强，造成热解油发热严重，不利于提质反应的进行。基于此，本发明利用电化学方法的特性，提出一种生物质热解油电解提质过程电极焦原位脱除的的系统与方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种生物质热解油电解提质过程电极焦原位脱除的系统与方法，利用电化学中的阴极的析氢反应，巧妙的通过改变原电解过程电流的方向，使得结焦电极在除焦回路中成为阴极不断析出气体，依靠析出的气体不断冲刷电极上的焦，焦在气体冲击下逐渐从电极表面脱落，实现在电解原位过程中及时和高效的去除电极上的焦；与其他电极除焦方法相比，本发明具有适应性广、除焦时间极短、成本低廉、简单易行、无需拆卸电极，可原位除去电极上焦等优点。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种生物质热解油电解提质过程电极焦原位脱除的系统，该系统包括控制单元、电解供电单元、除焦供电单元、电解池、对电极、辅助电极和工作电极，其中：

所述控制单元同时与所述电解供电单元和除焦供电单元连接，分别用于控制二者的断开和通电；所述对电极、辅助电极和工作电极设置在所述电解池中；

所述电解供电单元的两端连接有所述对电极和辅助电极；所述除焦供电单元的两端连接有所述辅助电极和工作电极，当所述电解供电单元通电时，电流经过所述对电极和辅助电极对所述电解池中的电解质进行电解提质，当所述除焦供电单元通电时，电流经过所述辅助电极和工作电极对所述电解池中的辅助电极进行除焦，以此实现电解提质过程中电极焦的原位脱除。

进一步优选地，所述辅助电极为金属电极或者碳基电极，对电极或工作电极为铂电极、钯电极、钌电极、铜电极、金电极或不锈钢电极。

进一步优选地，所述电解池为不分隔电解池、H型电解池或连续流动电解池。

进一步优选地，所述电解供电单元和除焦供电单元的供电方向相反，使得所述辅助电极在电解和除焦过程中作为不同的电极。

按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的系统进行电极焦原位脱除的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1在所述电解池中添加生物热解油，所述电解供电单元进行通电，所述除焦供电单元断开，生物热解油开始电解，并不断在所述辅助电极上沉积焦；

S2计算所述电解池中生物质热解油的电阻率，当电阻率的上升率大于预设值时，断开所述电解供电单元，所述除焦供电单元通电，在电流作用下，电解池中开始进行还原反应，反应中产生的气体不断冲刷所述辅助电极上附着的焦，焦在气体冲击下逐渐从电极表面脱落，以此实现电极焦的原位脱除。

进一步优选地，在步骤S1中，所述生物质热解油为谷壳、麦秆或枝桠的生物质在不低于500℃高温下以大于100℃/s升温热解后直接冷凝得到的产物，其水分和醇类物质含量之和不低于10％。

进一步优选地，在步骤S2中，所述除焦供电单元中的电流为直流电流或者频率低于0.5Hz的交流电流，电流范围为10～100mA。

进一步优选地，在步骤S2中，所述除焦供电单元通电的时间为1min～60min。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明中提供的原位除焦系统，将电解单元和除焦单元整合至一个系统中，二者共用辅助电极，电解过程中附着在辅助电极上的焦在切换至除焦单元通电时，能直接通过除焦过程去除，实现实时的原位除焦，电解和除焦过程的任意切换；

2.本发明方法利用电化学中的阴极的析氢反应，巧妙的通过改变原电解过程电流的方向，使得结焦电极在除焦回路中成为阴极不断析出气体，依靠析出的气体不断冲刷电极上的焦，焦在气体冲击下逐渐从电极表面脱落，随着脱落的焦的量增加，电极上还原反应更加剧烈，进而加速焦脱落这一过程；

3.本发明方法不受电解池种类的限制，不仅适用于常见的不分隔电解池、H型电解池，也适用于连续流动电解池，适应性广。同时除焦回路由于只需要剧烈的还原反应，因而不需要大电流。适用于本发明方法的电流范围为10～100mA，电流小于10mA时，可能尚未达到某些气体的析出电位，不利于焦的脱除，电流大于100mA时，电位较大，会使得电解液中有效的可利用的物质被还原，不利于热解油接下来的提质反应，还可能会使得辅助电极结焦，同时大电流下能耗也较高。并且焦的脱落会促进还原析氢反应，进一步加速除焦过程，除焦时间极短；

4.本发明方法十分灵活，在实际应用过程中既可以加入辅助电极和除焦供电机构控制除焦进度和过程，也可以对原热解油电解系统进行简易改造，使其能产生反向电流，将结焦电极作为阴极，同样完成上述除焦过程；

5.本发明提供的原位除焦系统，成本低廉、简单易行、无需拆卸电极，可原位除去电极上焦,只需短暂中止提质，施加反向电流即可完成除焦。

附图说明

图1是本发明优选实施例所构建的生物质热解油电解提质过程电极焦原位脱除的系统结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的除焦变化过程图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的采用不分隔电解池除焦的系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种生物质热解油电解提质过程电极焦原位脱除的系统，如图1所示，该系统包括控制单元、电解供电单元、除焦供电单元、电解池、对电极、辅助电极和工作电极，其中：

控制单元同时与电解供电单元和除焦供电单元连接，分别用于控制二者的断开和通电；对电极、辅助电极和工作电极设置在电解池中；

电解供电单元的两端连接有对电极和辅助电极；除焦供电单元的两端连接有辅助电极和工作电极，当电解供电单元通电时，电流经过对电极和辅助电极对电解池中的电解质进行电解提质，当除焦供电单元通电时，电流经过辅助电极和工作电极对电解池中的辅助电极进行除焦，以此实现电解提质过程中电极焦的原位脱除。

一种生物质热解油电解提质过程电极焦原位脱除的方法包括以下步骤：

(a)在热解油电解前，将辅助电极置于电解池中，并连接上除焦供电机构；

(b)接通热解油提质电流回路进行热解油的电解反应，待到热解油中工作电极表面覆盖的焦显著影响提质效率时，断开热解油的提质电流回路，并将该工作电极、辅助电极与除焦供电机构相连，构成除焦电流回路；

(c)将除焦电流回路通电，在电流作用下，工作电极开始进行还原反应，在电极上反应产生的气体不断冲刷电极上附着的焦，焦在气体冲击下逐渐从电极表面脱落，随着脱落的焦的量增加，电极上还原反应更加剧烈，进而加速焦脱落这一过程；

(d)通电一段时间，电极焦清除后，断开除焦电流回路，接通热解油的提质电流回路，恢复热解油电解提质反应。

作为本发明的进一步优选，在步骤(a)中，生物质热解油为谷壳、麦秆、枝桠等农林类生物质在不低于500℃高温下以大于100℃/s升温热解后直接冷凝得到的，其水分和醇类物质含量之和不低于10％，水分和醇类主要用于提供后续电极上还原反应所需的氢源。

作为本发明的进一步优选，在步骤(a)中，辅助电极为金属电极或者碳基电极，金属电极可以为铂电极、钯电极、钌电极、铜电极、金电极或不锈钢电极。

作为本发明的进一步优选，在步骤(a)中，电解池可以为不分隔电解池、H型电解池或连续流动电解池。

作为本发明的进一步优选，在步骤(b)中除焦电流回路方向与提质电流回路方向相反。

作为本发明的进一步优选，在步骤(c)中除焦电流为直流电流或者频率低于0.5Hz的交流电流，电流范围为10～100mA。

作为本发明的进一步优选，在步骤(d)中电极除焦时间为1～60min，除焦时间是根据电极上焦的负载量来确定的，当除焦时间小于1min时，会造成电极上焦未除尽不利于后续提质反应的进行，当除焦时间较长大于60min时，一是耗费时间较长浪费时间和电能，二是可能会使得辅助电极结焦。因此，适宜的除焦时间范围是1～60min。

下面将结合具体的实施例进一步说明本发明中的方法。

实施例1

(a)首先，向不分隔电解池中加入铂片辅助电极，并与除焦供电机构相连。本实施例电解池中生物质热解油为麦秆在500℃下以大于100℃/s升温条件下热解得到的，水分和醇类含量之和为20％；

(b)接通热解油提质电流回路进行热解油的电解反应，待到热解油中工作电极表面覆盖的焦显著影响提质效率时，断开热解油的提质电流回路，并将该工作电极、辅助电极与除焦供电机构相连，构成除焦电流回路，其中工作电极接在除焦回路的阴极；

(c)将除焦电流回路通电，电流为直流电流，大小设置为10mA，在电流作用下，工作电极开始进行还原反应，在电极上反应产生的气体不断冲刷电极上附着的焦，焦在气体冲击下逐渐从电极表面脱落；

(d)通电60min，电极焦清除后，断开除焦电流回路，接通热解油的提质电流回路，恢复热解油电解提质反应。

每隔20min，对电极上的焦进行拍照，除焦变化过程如图2所示。

实施例2

区别于实施例1，本实施例中所用热解油为树皮在500℃下以大于100℃/s升温条件下热解得到的，水分和醇类含量之和为10％，辅助电极为铜电极，除焦电流为大小为100mA，除焦时间为1min。除焦结束后工作电极表面恢复光亮洁净，无明显焦残留痕迹。

实施例3

区别于实施例1，本实施例中所用热解油为稻壳在500℃下以大于100℃/s升温条件下热解得到的，水分和醇类含量之和为30％，电解池类型为H型电解池，辅助电极为钌电极，且置于H型电解池的阳极室，除焦电流为0.5Hz交流电，大小为50mA，除焦时间为30min。除焦结束后工作电极表面恢复光亮洁净，有轻微焦残留痕迹。

实施例4

区别于实施例1，本实施例中采用的电解池是H型分隔电解池，相比于不分隔电解池，H型电解池将反应物分隔在两个独立的腔室内进行，与不分隔电解池类似，H型电解池在阳极侧仍会富集焦影响提质过程。同样，采用实施例1中所述的参数配置，除焦结束后阳极电极表面恢复光亮，无明显焦残留痕迹。

实施例5

作为本发明的进一步简化，本实施例不额外引入电极，只需要对原热解油提质体系进行变电流方向处理，具体操作如下：

(a)接通热解油提质电流回路进行热解油的电解反应，待到热解油中工作电极表面覆盖的焦显著影响提质效率时，断开热解油的提质电流回路，将热解油电解供电机构输出电流方向反向，大小切换为50mA。本实施例电解池中生物质热解油为麦秆在500℃下以大于100℃/s升温条件下热解得到的，水分和醇类含量之和为20％，电解池类型为不分隔电解池；

(b)将上述回路通电，在电流作用下，工作电极开始进行还原反应，在电极上反应产生的气体不断冲刷电极上附着的焦，焦在气体冲击下逐渐从电极表面脱落；

(c)通电60min，电极焦清除后，断开热解油的除焦电流回路，恢复热解油电解供电机构输出电流方向和大小，恢复热解油电解提质反应。

除焦结束后，工作电极表面恢复光亮洁净，有轻微焦残留痕迹。本实施例的原理图如图3。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。