本发明公开一种电磁协同强化生物质低温液相催化裂解的方法和装置，属于生物质资源化利用的技术领域。
背景技术：
随着全球化石能源的日益枯竭，以及化石能源开采利用过程中造成的环境污染和生态破坏等问题的日趋突出，作为一种含碳产能高、可再生、绿色环保的生物质能源，将逐步替代部分化石燃料，这对于缓解世界能源危机及保护地球环境，实现人类社会可持续发展有重要意义。
生物质热解技术有很高的转化率，可利用低能耗获得具有较高热值的燃料气、燃料油或高附加值的化工原料，已成为生物质资源化开发利用的研究热点。近年来，国内外已开展了大量生物质裂解热力学、动力学、裂解机理、裂解反应器等方面的研究工作，但仍然存在许多问题。例如传统裂解反应温度较高，因受热不均使得在裂解反应过程中多种反应同时存在，裂解产物种类多、含量低且复杂。为此，许多研究者在裂解过程中引入金属化合物、酸以及分子筛等催化剂，这些催化剂的引入虽然在一定程度上优化了纤维素热裂解产物的组成和品质，降低裂解温度；但仍存在催化剂对热不稳定、反应过程产物调控困难等诸多问题。
目前困扰生物质热解技术在生产燃料气、燃料油或高附加值的化工原料腾飞发展的主要问题是热解产物极其复杂和产物的不稳定性，若能选择性定向强化生物质的热解过程，制备组分相对单一的高值化产物，降低热解产物的复杂性，提高产物的附加值对生物质的高值化利用具有重大意义。
专利申请《生物质热解炼制—分级定向转化的方法》（公开号：cn101787006）公开了一种生物质原料预处理、分步热解炼制、热解组分分级定向转化的方法，该方法虽然能将水溶性热解油和脂溶性热解油分离，提高生物油的利用率，但该方法的预处理程序复杂，需将木质纤维素去除，热解产物还需经过生物转化、化学转化和物理转化才能使用，生物油的成分依然复杂不可控，不适于大规模推广应用。
专利申请《利用磁性离子液体定向调控液相催化生物质热裂解的方法》（公开号：cn105238434a）介绍了在生物质中加入一定量的磁性离子液体和添加剂后通过调控温度和外加磁场的强度和方向进而控制生物质的热解过程，提高生物质的转化率，但该方法产生的生物油和生物气的含量仍然较低。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种电磁协同强化生物质低温液相催化裂解的方法，即调节在由粉碎后的生物质和活性催化体系组成的热解反应体系中的外加电压、磁场强度、热解温度以及反应时间对生物质进行热解，同时循环通入气体进行扰动，使生物质的各化学键选择性断裂快速生成目标产物，实现生物质的热解液化、热解气化和热解碳化，最终收集得到生物气、生物油和生物炭。
该方法能够强化生物质的热解过程，在低热解温度条件下，提高热解速率和目标产物的产率，该方法使用的离子液体既可以作为溶剂、热媒、还可作为催化剂，在离子液体中加入磁性添加剂后构成活性催化体系，通过调控外加磁场强度、电场强度、温度以及反应时间强化生物质在活性催化体系中的催化热解行为，使生物质的活化能降低，化学键选择性断裂快速生成高产量的目标产物，同时降低热解温度；该方法既可用于生物质的热解液化、热解气化，也可用于生物质的热解碳化，实现生物质资源的最大化利用。
所述活性催化体系与生物质按质量比1:0.5~1:2的比例混合，在反应温度为80~400℃、外加电压0.1~15v、磁场强度1~20t条件下裂解20~120min。
在本发明中为了使生物质与活性催化体系混合均匀、受热均匀，须将生物质进行粉粹。
所述生物质包括农作物秸秆、谷物外壳、木材废弃物、果壳等富含木质素、纤维素、半纤维素中的任意一种或几种。
所述活性催化体系由离子液体和磁性添加剂组成，其中离子液体的阳离子类型有烷基取代的咪唑阳离子、吡啶阳离子、季铵阳离子、季膦阳离子，阴离子类型有[bf4]-、[pf6]-、[cf3so3]-、[tf2n]-、[ac]-、[sbf6]-、[fecl4]-、[feclbr3]-、[asf6]-、[c4f9so3]-、[co(co)4]-等，离子液体可为上述溶液中的一种或任意比几种。
磁性添加剂为过渡金属化合物、碱金属化合物、碱土金属化合物中的一种或任意比几种，离子液体与磁性添加剂按质量比0.5:1~2:1混合构成活性催化体系。
所述外加电压形式可为交流电、直流电或者脉冲电；外加磁场为恒定磁场、交变磁场、脉冲磁场中的一种或几种；交变磁场的周期为1~12min；脉冲磁场的脉冲宽度为2~8min，频率1~160hz。
所述热解过程中循环通入的气体为惰性气体或热解产生的生物气，气体的扰动作用使整个反应体系达到均一状态。
所述外加电场和磁场有三重作用：（1）电场作用下离子液体实现电荷传导，磁场作用下磁性添加剂被磁化，提高活性催化体系的活性和对生物质的溶解度以及迁移速度；（2）在电场作用下生物质中的水生成很强顺磁性的超氧阴离子自由基，破坏生物质的结构，极性分子在磁场作用下极性键能减弱，游离氧含量增加，促进氧化反应的进行；（3）通常情况下生物质中的灰分会使生物质热解油的收率降低，热解油的酸含量增加，在电磁场的作用下灰分中的ca、al、mg、na、k、fe等离子化，不仅可以有效克服阳极的极化作用，还能与磁性添加剂中的磁性物质和生物炭形成许多微电场和微磁场，在电场和磁场的激活刺激下，微电场和微磁场处于不断运动变化过程中，营造出一个动态微环境，增加了物料的流动性，使得生物炭不会板结，从而使整个热解反应更充分，热解时间显著减少。
本发明的另一目的是提供一种电磁协同强化生物质低温催化裂解的反应装置，该装置包括反应器、冷凝装置、生物油收集装置、气体收集装置，反应器顶部设置有进料口和出气口，出气口通过单向阀ⅰ与冷凝装置连接，冷凝器分别与气体收集装置、生物油收集装置连接，气体收集装置通过压力控制开关和单向阀ⅱ与反应器的进气口连接，n2气钢瓶通过压力控制开关和单向阀ⅱ连接；反应器内上部设有喷淋嘴，反应器内部设有针状电极、电极板和磁场发生器，磁场发生器产生的磁场覆盖生物质热解空间，电极板上开有通孔，反应器底部设置有倾斜式加热板，反应器一侧设有出料口并位于电极板上方，反应器底部设有离子液体收集口且位于电极板和倾斜式加热板之间，倾斜式加热板向离子液体收集口倾斜，反应器外周设置有绝缘隔热层，反应器壁与绝缘隔热层之间设置有加热线圈，针状电极、电极板、磁场发生器、倾斜式加热板、加热线圈分别与电源连接。
气体从进气口进入反应器后穿过电极板的通孔，气体在上升过程中带动生物质和活性催化体系运动充分接触，从而使整个反应体系达到均一状态，同时避免生物炭结块，与气体收集装置相连的压力控制开关根据反应器内的压强进行自动调整，维持反应器内部的压力在1mpa。
所述磁场发生器为磁感线圈。
所述出料口、离子液体收集口处均设置有普通阀门。
反应器内壁最好由耐腐蚀材料制造，热解过程中产生的气体、液体、固体会对反应器内壁造成一定程度的腐蚀，使用耐腐蚀的材料可增加装置的使用寿命。
该装置可用于连续或间歇性热解反应。
本发明的优点和效果如下：
（1）本发明使用电磁协同催化生物质热解技术克服了生物质灰分中的金属盐造成生物质热解油收率降低，热解油酸含量增加的弊端；
（2）本发明在外加电场和磁场的作用下离子液体实现电荷传导，磁性添加剂被磁化，提高活性催化体系的活性和对生物质的溶解度以及迁移速度；
（3）本发明在电场和磁场的作用下可充分发挥生物质中水分的作用，在电场作用下水生成很强顺磁性的超氧阴离子自由基，破坏生物质的结构，极性分子在磁场作用下极性键能减弱，游离氧含量增加，促进氧化反应的进行；
（4）本发明在电场、磁场以及气体的扰动作用下，整个反应体系可以达到一种均一的状态，增加了物料的流动性，使得生物炭不会板结，从而使整个热解反应更充分，热解时间显著减少；
（5）本发明通过调控外加电压、磁场强度、热解温度、反应时间以及活性催化体系的种类和配比，生物质在不同热解条件下化学键选择性断裂，生成含量较高的高附加值目标产物，其中热解产生的生物气中h2、co、ch4的含量可分别高达90%、50%和45%，热解产生的生物油中糠醛、5-羟甲基糠醛、左旋葡萄糖等的含量可分别高达55%、70%和85%，热解产生的生物炭对砷、汞等重金属的去除率可高达75%，对n、p、k的去除率可高达60%。
（6）本发明采用电磁协同强化生物质热解的技术对生物质热解效率高，热解时间短，热解温度低，可显著增加生物质生成某种特定物质的含量，克服了目前生物质热解产物含量低，成分复杂，生物炭利用价值低的难题，实现生物质资源的最大化利用，且整个热解反应不存在污染问题，是生物质资源绿色化利用的重要途径之一。
附图说明
图1是电磁协同强化生物质低温液相催化裂解的装置结构示意图；
图中：1-进料口；2-出气口；3-进气口；4-反应器；5-冷凝装置；6-气体收集装置；7-生物油收集装置；8-针状电极；9-电极板；10-磁感线圈；11-喷淋嘴；12-出料口；13-离子液体收集口；14-加热线圈；15-绝缘隔热层；16-倾斜式加热板；17-单向阀ⅰ；18-压力控制开关；19-单向阀ⅱ；20-n2气钢瓶。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
实施例1：电磁协同强化生物质低温液相催化裂解的方法，具体内容如下：
（1）如图1所示，电磁协同强化生物质低温液相催化裂解的装置包括反应器4、冷凝装置5、生物油收集装置7、气体收集装置6，反应器4顶部设置有进料口1和出气口2，出气口2通过单向阀ⅰ17与冷凝装置5连接，冷凝装置5分别与气体收集装置6、生物油收集装置7连接，气体收集装置6通过压力控制开关和单向阀ⅱ19与反应器的进气口3连接，n2气钢瓶20通过压力控制开关18和单向阀ⅱ19连接；反应器4内上部设有喷淋嘴11，反应器4内设有针状电极8、电极板9和磁感线圈10，磁感线圈10产生的磁场覆盖生物质热解空间，电极板上开有通孔，反应器4底部设置有倾斜式加热板16，反应器4一侧设有出料口12并位于电极板9上方，反应器4底部设有离子液体收集口13且位于电极板9和倾斜式加热板16之间，倾斜式加热板16向离子液体收集口13倾斜，反应器4外周设置有绝缘隔热层15，反应器4壁与绝缘隔热层15之间设置有加热线圈14，针状电极、电极板、磁感线圈、倾斜式加热板、加热线圈分别与电源连接，冷凝器与水源连接，出料口、离子液体收集口处设置有阀门；
将粉碎后的甘蔗渣与活性催化体系混合从进料口1放入反应器4中，将n2从进气口3通入反应器中吹扫10min，施加不同的电压和磁场，在不同温度和不同热解时间下强化生物质的催化热裂解；反应初期与n2气钢瓶20相连的压力控制开关18打开，待反应器内部压力达到1mpa时压力控制开关18关闭，反应过程中产生的挥发性有机物和生物气经出气口2后通过冷凝装置5，冷凝后的挥发性有机物收集于生物油收集装置7中，生物气收集于气体收集装置6中，与气体收集装置6相连的压力控制开关根据反应器4内的压强进行自动调整，维持反应器内部的压力在1mpa。
（2）具体操作、控制过程如下：
按质量比为1:2的比例称取甘蔗渣与活性催化体系（离子液体[hmim]tf2n与粒径为30目的mgcl2按质量比2:1混合），设置外加电压和磁场强度，甘蔗渣从进料口1加入反应器4中的同时催化活性体系经喷淋嘴11均匀洒落在甘蔗渣上，与n2钢瓶相连的压力控制开关18打开，将n2从进气口3通入反应体系中吹扫10min后关闭进料口1，待反应器内部压力达到1mpa时压力控制开关18关闭，以一定的升温速率升到设定的反应温度后催化热解一定的时间，反应过程中产生的挥发性有机物和生物气经出气口2后通过冷凝装置，冷凝后的挥发性有机物收集于生物油收集装置7中，生物气收集于气体收集装置6中，与气体收集装置6相连的压力控制开关根据反应器4内的压强进行自动调整，维持反应器内部的压力在1mpa，反应完成后生物炭从出料口12放出，离子液体经过电极板的通孔与生物炭分离，从离子液体收集口13放出循环使用；
当电压为1.0v的交流电，磁场强度为5t，为周期8min的交变磁场，热解温度为160℃，热解时间为2h时，生物质的催化热解产物主要为生物炭和生物油，其中生物油的主要成分为左旋葡聚糖（含量70%）和乙醇（25%），生物炭对水中砷的去除率为50%；
表1生物油的主要成分
当电压为0.5v的交流电，磁场强度为7t，为周期5min的交变磁场，热解温度为200℃，热解时间为1h时，生物质的热解产物主要为生物油和生物气，其中生物油的主要成分为左旋葡萄糖酮（60%）和糠醛（30%），生物气中的成分为h2（30%）、co（50%）和co2（20%）。
表2生物油和生物气的主要成分
当电压为2.5v的交流电，磁场强度为9t的恒定磁场，热解温度为240℃，热解时间为50min时，生物质的热解产物主要为生物油和生物气，其中生物油的主要成分为羟基乙醛（含量70%）和糠醛（15%），生物气中的成分为h2（45%）、co（30%）、ch4（20%）；
表3生物油和生物气的主要成分
当电压为2v的直流电，磁场强度为13t的恒定磁场，热解温度为300℃，热解时间为45min时，生物质的热解产物主要为生物油和生物气，其中生物油的主要成分为5-羟甲基糠醛（含量70%）和呋喃（15%），生物气中的成分为h2（30%）、ch4（45%）、co2（10%）；
表4生物油和生物气的主要成分
实施例2：电磁协同强化生物质低温催化裂解的方法，具体内容如下：
（1）如图1所示，装置结构同实施例1，将粉碎后的玉米秸秆与烟叶的混合物和活性催化体系混合置于反应器4中，将n2从进气口3通入反应器中吹扫15min，施加不同的电场和磁场，在不同的温度和不同热解时间下强化生物质的催化热裂解；反应过程中产生的挥发性有机物和生物气经出气口2后通过冷凝装置，冷凝后的挥发性有机物收集于生物油收集装置7，生物气收集于气体收集装置6中；与气体收集装置相连的压力控制开关根据反应器内的压强进行自动调整，维持反应器内部的压力在1mpa。
（2）具体操作、控制过程如下
按质量比为3：4的比例称取玉米秸秆与烟叶的混合物（玉米秸秆与烟叶的质量比为5：2）和与活性催化体系（离子液体[bpy]pf6与粒径为40目的cocl2按质量比1.5:1混合），设置外加电压和磁场强度（按常规方式控制），玉米秸秆与烟叶的混合物从进料口1加入反应器中的同时催化活性体系经喷淋嘴11均匀洒落在玉米秸秆与烟叶的混合物上，与n2钢瓶相连的压力控制开关18打开，将n2从进气口3通入反应体系中吹扫15min后关闭进料口1，待反应器内部压力达到1mpa时压力控制开关18关闭，以一定的升温速率升到设定的反应温度后催化热解一定的时间，反应过程中产生的挥发性有机物和生物气经出气口2后通过冷凝装置，冷凝后的挥发性有机物收集于生物油收集装置7中，生物气收集于气体收集装置6中，与气体收集装置6相连的压力控制开关根据反应器4内的压强进行自动调整，维持反应器内部的压力在1mpa；反应完成后生物炭从出料口12放出，离子液体经过电极板的通孔与生物炭分离，从离子液体收集口13放出循环使用；
当电压为1.20v的直流电，磁场强度为5t，为脉冲宽度4min，频率为55hz的脉冲磁场，热解温度为140℃，热解时间为2h时，生物质的热解产物主要为生物炭和生物油，其中生物油的主要成分为二-甲基环戊酮（含量40%）和愈创木酚（50%）；
表5生物油的主要成分
当电压为2.5v的脉冲电，磁场强度为10t，为周期5min的交变磁场，热解温度为220℃，热解时间为1.5h时，生物质的热解产物为生物炭、生物油和生物气，其中生物油的主要成分为左旋葡聚糖（含量85%）和左旋葡烯酮（8%），生物气中的成分为h2（40%）、co（50%），生物炭对n、p、k的去除率最高为86%；
表6生物油和生物气的主要成分
当电压为3.5v的直流电，磁场强度为12t，为脉冲宽度6min、频率为90hz的脉冲磁场，热解温度为300℃，热解时间为1h时，生物质的热解产物主要为生物油和生物气，其中生物油的主要成分为4,4-二甲基-2-环己基-1-酮（含量70%）和糠醛（25%），生物气中的成分为h2（75%）、co（20%）；
表7生物油和生物气的主要成分
当电压为5v的直流电，磁场强度为15t的恒定磁场，热解温度为380℃，热解时间为30min时，生物质的热解产物主要为生物油和生物气，其中生物油的主要成分为4,4-二甲基-2-环己基-1-酮（含量75%）和2,4-二甲基呋喃（10%），生物气中的成分为h2（90%）、co（10%）；
表8生物油和生物气的主要成分
实施例3：电磁协同强化生物质低温催化裂解的方法，具体内容如下：
（1）如图1所示，装置结构同实施例1，将粉碎后的锯末、水稻外壳和果壳的混合物与活性催化体系混合置于反应器4中，将n2从进气口3通入反应器中吹扫20min，施加不同的电场和磁场，在不同温度和不同热解时间下强化生物质的催化热裂解；反应过程中产生的挥发性有机物和生物气经出气口2后通过冷凝装置，冷凝后的挥发性有机物收集于生物油收集装置7，生物气收集于气体收集装置6中；与气体收集装置相连的压力控制开关根据反应器内的压强进行自动调整，维持反应器内部的压力在1mpa。
（2）具体操作、控制过程如下
按质量比为2：3的比例称取锯末、水稻外壳和果壳的混合物（锯末、水稻外壳和果壳的质量比为1：1：0.5）和与活性催化体系（离子液体[bmim]otf与fe3o4-zncl2按质量比1：0.5混合，fe3o4与zncl2的质量比为1：3），设置外加电压和磁场强度，锯末与水稻外壳的混合物从进料口1加入反应器中的同时催化活性体系经喷淋嘴11均匀洒落在锯末、水稻外壳和果壳的混合物上，与n2钢瓶相连的压力控制开关18打开，将n2从进气口3通入反应体系中吹扫20min后关闭进料口1，待反应器内部压力达到1mpa时压力控制开关18关闭，以一定的升温速率升到设定的反应温度后催化热解一定的时间，反应过程中产生的挥发性有机物和生物气经出气口2后通过冷凝装置，冷凝后的挥发性有机物收集于生物油收集装置7中，生物气收集于气体收集装置6中，与气体收集装置6相连的压力控制开关根据反应器4内的压强进行自动调整，维持反应器内部的压力在1mpa，反应完成后生物炭从出料口12放出，离子液体经过电极板的通孔与生物炭分离，从离子液体收集口13放出循环使用；
当电压为1v的脉冲电，磁场强度为7t的恒定磁场，热解温度为120℃，热解时间为2h时，生物质的热解产物主要为生物炭和生物油，其中生物油的主要成分为乙醇酸乙酯（含量45%）和丙烯乙烯酯（40%），生物炭对水中砷的去除率为40%，对n、p、k的去除率为55%；
表9生物油的主要成分
当电压为2.5v的直流电，磁场强度为10t，周期为8min的交变磁场，热解温度为220℃，热解时间为1.5h时，生物质的催化热解产物为生物炭、生物油和生物气，其中生物油的主要成分为糠醛（含量56%）和左旋葡烯酮（30%），生物气中的成分为ch4（40%）、co（50%），生物炭对水中砷的去除率为75%；
表10生物油和生物气的主要成分
当电压为4v的直流电，磁场强度为15t，脉冲宽度为4min，频率为55hz的脉冲磁场，热解温度为320℃，热解时间为1h时，生物质的热解产物主要为生物油和生物气，其中生物油的主要成分为4,4-二甲基-2-环己基-1-酮（含量53%）和呋喃半乳糖酐（30%），生物气中的成分为ch4（25%）、h2（65%）；
表11生物油和生物气的主要成分
当电压为8v的直流电，磁场强度为20t的恒定磁场，热解温度为400℃，热解时间为35min时，生物质的催化热解产物主要为生物油和生物气，其中生物油的主要成分为3-戊醇（含量75%）和1,4-丁内酯（10%），生物气中的成分为ch4（10%）、co2（80%）；
表12生物油和生物气的主要成分