本发明属于新能源开发利用研究领域，更具体地，涉及一种生物质与废塑料制取生物油和燃气的装置及使用方法。
背景技术：
生物质能作为唯一可直接转换成含碳液体燃料的可再生能源，对其开发利用在化石燃料日益枯竭和环境日趋恶化的今天变得越来越重要。生物质热解油(下称生物油)作为一种初级燃料，在理化性质方面存在明显缺陷，必须对其进行改性精制，以提高生物油的品质。目前，精制改性方法主要有催化裂解、催化加氢和催化酯化等方法，其中，催化裂解精制方法安全性较高，反应条件相对温和，受到国内外学者的广泛关注。但传统的催化裂解手段已经难以实质性提高生物油催化裂解过程的提质效率。低温等离子体技术主要是利用化学活性极强的高能粒子及活性物种参与化学反应，完成许多传统条件下难以解决的问题。近年来，本课题组率先将低温等离子体技术与生物油催化裂解过程相结合，构建了生物油催化裂解的低温等离子体协同催化（non-thermalplasmasynergisticcatalysis,npsc）系统，npsc系统中低温等离子体与催化剂之间的协同作用有利于降低催化剂负担，促进产物在催化剂表面的解吸，提高产物的选择性和减少产物在催化剂上的集聚（结焦）现象，增强催化剂稳定性。与hzsm-5单独催化时相比，npsc系统使hzsm-5结焦率明显降低，降幅达63.61%，烃类含量则进一步提升了13.81%，但其中pahs贡献了5.68%（赵卫东,赖志豪,蔡忆昔,等.低温等离子体协同hzsm-5在线催化裂解提质油菜秸秆热解油.林产化学与工业,2016,36(6):9-15.）。
从工艺制约因素角度分析，生物油的催化裂解工艺主要受催化剂和原料的制约。在原料方面，生物质或生物油的有效氢碳比（hydrogentocarboneffectiveratio,(h/c)eff）较低，属于严重缺氢原料，原料(h/c)eff的概念首先由chen等（chenny,degnantf,koeniglr.liquidfuelfromcarbohydrates.chemicaltechnology,1986,16:506-511.）提出。hzsm-5分子筛很难对(h/c)eff小于1的缺氢原料进行稳定、持续的催化。同时，因为缺乏可有效利用的氢元素，hzsm-5分子筛催化裂解过程中芳构化重整反应所能转移利用的氢元素变得极为有限，致使pahs等低氢碳比产物增加，而pahs的进一步脱氢聚合又加剧了分子筛的结焦。npsc系统构建后，高能活性物种与催化剂活性位点间的相互作用使hzsm-5结焦率明显下降，但生物油(h/c)eff较低，催化过程中所能转移利用的氢元素较为有限，导致pahs等低氢碳比产物增加，hzsm-5仍具有一定的结焦率。因此，通过提高原料(h/c)eff以进一步增强npsc系统中hzsm-5的抗结焦性能，并实质性提升生物油的燃料品质，是突破催化裂解技术瓶颈的一条重要研究思路。
melligan等（melliganf,hayesmhb,kwapinskiw,etal.hydro-pyrolysisofbiomassandonlinecatalyticvaporupgradingwithni-zsm-5andni-mcm-41.energyandfuels,2012,26:6080-6090.）在生物油催化裂解过程中直接以h2为载气，该方法会耗费大量的h2，经济性较差；同时，考虑到反应操作的安全性，对设备和过程控制的要求较高，成本投入较高。asadieraghi等（asadieraghim,daudwmaw.in-situcatalyticupgradingofbiomasspyrolysisvapor:co-feedingwithmethanolinamulti-zonefixedbedreactor.energyconversionandmanagement,2015,92:448-458.）在生物质热解气中引入乙醇(c2h5oh)等高(h/c)eff物质，将生物油的催化裂解过程与石油产品的重整制备过程相结合，该方法实质是将两类反应进行叠加协同，通过耗费相对宝贵的工业化学品以提高生物油裂解反应中可转移利用的氢。而chattopadhyay等（chattopadhyayj,pathakts,srivastavar,etal.catalyticco-pyrolysisofpaperbiomassandplasticmixtures(hdpe(highdensitypolyethylene),pp(polypropylene)andpet(polyethyleneterephthalate))andproductanalysis.energy,2016,103:513-521.）提出将生物质和高密度聚乙烯(hdpe)、聚丙烯(pp)等废塑料等进行混合共热解以提高生物质热解气的(h/c)eff，该方法可实现废弃生物质与废塑料的共同回收利用，具有相对较高的经济和环保价值，引起了研究者的重点关注。
目前，大多数研究是将pe/pp等废塑料直接添加进生物质原料中，采用原位混合共热解的方式提高生物质热解气的(h/c)eff，但是材料的传热传质性能不同，导致生物质与废塑料的热解特性因种类不同而存在较大差异，不易确定较佳的热解工艺参数，热解产物的生成具有主次之分，难以有效提高生物质热解气的(h/c)eff。同时，单纯依靠hzsm-5催化的技术手段较为传统，在提高生物油燃料品质和降低催化剂结焦率方面难以取得实质性进展和突破。因此，克服现有生物质与废塑料共热解利用中存在的缺陷和不足，就成为本发明需要解决的关键问题。
技术实现要素：
本发明提供一种生物质与废塑料制取生物油和燃气的装置及使用方法，其能有效克服现有生物质与废塑料共热解制取生物油或燃气中存在的缺陷。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为，一种生物质与废塑料制取生物油和燃气的装置，包括生物质真空热解器、废塑料真空热解器、热解气混合器、控制模块a、等离子体协同催化系统、控制模块b、冷阱、真空泵以及co2吸附器；生物质真空热解器，用于实现生物质分解，其出口连通于热解气混合器；废塑料真空热解器，用于实现废塑料分解，其出口连通于热解气混合器；热解气混合器，用于接收生物质真空热解器与废塑料真空热解器产生的气体，其出口连通于等离子体协同催化系统；控制模块a，分别控制性连接生物质真空热解器、废塑料真空热解器与热解气混合器，能分别调节生物质真空热解器、废塑料真空热解器与热解气混合器的温度和升温速率；等离子体协同催化系统，用于催化热解气混合器产生的气体，其出口连通于冷阱；控制模块b，控制性连接于等离子体协同催化系统，用于调节等离子协同催化系统的温度与射频放电功率；冷阱，用于冷凝萃取等离子体协同催化系统产生气体中携带的生物油，其一出口用于收集生物油、另一出口连通于真空泵；真空泵，用于调节装置的内部压力，其出口连接于co2吸附器的入口；co2吸附器，对经过冷阱冷凝萃取后的气体进行吸附。
作为本发明改进的技术方案，等离子体协同催化系统中采用的等离子体放电装置为强制风冷式放电装置。
作为本发明改进的技术方案，等离子体协同催化系统中采用的催化剂为hzsm-5分子筛；hzsm-5分子筛粒径为3-4mm。
作为本发明改进的技术方案，等离子体协同催化系统中催化床高度为30mm。
本发明的另一目的是提供一种生物质与废塑料制取生物油和燃气的装置的使用方法，
包括如下步骤：
步骤a、将生物质填充至生物质真空热解器、将废塑料填装到废塑料真空热解器中，组装生物质真空热解器、废塑料真空热解器、热解气混合器、控制模块a、等离子体协同催化系统、控制模块b、冷阱、真空泵以及co2吸附器；
步骤b、利用真空泵将整个装置的压力控制在100pa，开启冷阱，并将冷却温度控制为-10℃；
步骤c、利用控制模块a，控制生物质真空热解器的升温速率为20℃/min、热解终温为500℃，控制废塑料真空热解器的升温速率为30℃/min、热解终温为550℃；控制热解气混合器的温度为450℃；
步骤d、利用等离子体协同催化系统对热解气混合器输出混合热解气进行催化提质，利用所述控制模块b控制等离子体协同催化系统的射频放电功率为50-150w，催化温度为200-400℃；
步骤e、冷阱对等离子体协同催化系统输出的混合热解气进行冷凝，得到液相产物，利用二氯甲烷作为萃取剂，萃取液相产物得到精制生物油，残留冷凝气体经真空泵的抽吸后，再采用co2吸附器处理得到燃气，至精制生物油和燃气的量不再变化为止。
作为本发明改进的技术方案，步骤a中废塑料与生物质的质量比为1:1。
作为本发明改进的技术方案，生物质为农林废弃业生物质，包括木质纤维，粒径为0.25-1.00mm。
作为本发明改进的技术方案，废塑料为聚乙烯(pe)和/或聚丙烯(pp)材质的废塑料制品，粒径为0.25-1.00mm。
有益效果
本发明具有的主要优点为：采用废塑料热解气辅助生物质热解气实现提高生物油的转换效率，有效提高生物质热解气的(h/c)eff，并提升hzsm-5催化剂抗结焦性能明显，同时获得品质较高的可燃混合气。
本申请控制生物质与废塑料的用量每次各1.5kg；结合生物质真空热解器的温度、废塑料真空热解器的温度实现生物质与废塑料同步热解产生热解气，便于热解气均匀混合，以提高精制生物油的产率和品质。
采用真空泵控制装置的真空度，目的是将生物质和废塑料的热解反应置于无氧或极低氧条件下，同时，有利于降低热解气的沸点，便于热解气更快的逸出，降低热解气二次裂解的概率，有助于获得更多可用的有机热解气，对提高精制生物油产率具有促进作用。
综上，本发明实现了生物质与废塑料共同回收利用，废塑料热解气可提高混合热解气有效氢碳比(hydrogentocarboneffectiveratio,(h/c)eff)，有效降低了npsc系统中hzsm-5催化剂的失活速率，同时提高了生物油和燃气的品质。
附图说明
附图1本申请装置的连接关系示意图；
图2热解气混合器的结构示意图；
图中，1-生物质真空热解器；2-控制模块a；3-废塑料真空热解器；4-热解气混合器；5-npsc系统；6-控制模块b；7-冷阱；8-真空泵；9-co2吸附器；10-进气口一；11-进气口二；12、电机；13、出气口；箭头代表气流方向。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明内容作进一步说明。
本发明一种生物质与废塑料制取生物油和燃气的装置，包括生物质真空热解器（天津奥展djf00-600型）、废塑料真空热解器（天河仪器df-2l型）、热解气混合器（如附图2所示，热解气混合器具体包括两个进气口以及一个出气口，两个进气口（进气口一10与进气口二11）与一个出气口13之间设有带有搅拌叶片，搅拌叶片上设有电机12，两种气体分别通过两个进气口进入，经过搅拌叶片混合后通过出气口流出）、控制模块a、等离子体协同催化系统、控制模块b、冷阱、真空泵以及co2吸附器；生物质真空热解器，用于实现生物质分解，其出口连通于热解气混合器；废塑料真空热解器，用于实现废塑料分解，其出口连通于热解气混合器；热解气混合器，用于接收生物质真空热解器与废塑料真空热解器产生的气体，其出口连通于等离子体协同催化系统；控制模块a，分别控制性连接生物质真空热解器、废塑料真空热解器与热解气混合器，能分别调节生物质真空热解器、废塑料真空热解器与热解气混合器的温度和升温速率；等离子体协同催化系统，用于催化热解气混合器产生的气体，其出口连通于冷阱；控制模块b，控制性连接于等离子体协同催化系统，用于调节等离子协同催化系统的温度与射频放电功率；冷阱，用于冷凝萃取等离子体协同催化系统产生气体中携带的生物油，其一出口用于收集生物油、另一出口连通于真空泵；真空泵，用于调节装置的内部压力，其出口连接于co2吸附器的入口；co2吸附器，对经过冷阱冷凝萃取后的气体进行吸附。
本实施例中，控制模块a为eksrex系列电子式控温器；控制模块b为世敖sa-fj-wkh红外控温器。
优选地，等离子体协同催化系统中采用的等离子体放电装置为强制风冷式放电装置；等离子体协同催化系统中采用的催化剂为hzsm-5分子筛；hzsm-5分子筛粒径为3-4mm；等离子体协同催化系统中催化床高度为30mm。
一种生物质与废塑料制取生物油和燃气的装置的使用方法，
包括如下步骤：
步骤a、将生物质填充至生物质真空热解器、将废塑料填装到废塑料真空热解器中，组装生物质真空热解器（天津奥展djf00-600型）、废塑料真空热解器（天河仪器df-2l型）、热解气混合器（附图2）、控制模块a、等离子体协同催化系统、控制模块b、冷阱、真空泵以及co2吸附器；
步骤b、利用真空泵将整个装置的压力控制在100pa，开启冷阱7，并将冷却温度控制为-10℃；
步骤c、利用控制模块a，控制生物质真空热解器的升温速率为20℃/min、热解终温为500℃，控制废塑料真空热解器的升温速率为30℃/min、热解终温为550℃，使生物质与废塑料的热解反应同步，能够同时产生热解气，有利于均匀混合；控制热解气混合器的温度为450℃，以利于两者热解气在催化之前可以发生相互整合，降低分子筛的整合催化的负担，同时有利于形成高品质精制生物油；
步骤d、利用等离子体协同催化系统对热解气混合器输出混合热解气进行催化提质，利用所述控制模块b控制等离子体协同催化系统的射频放电功率为50-150w，催化温度为200-400℃，此功率和温度范围有利于活化解离更多的热解气，使热解气发生重组整合，提高精制生物油的产率和品质，同时有利于大幅降低催化剂结焦率，使催化剂保持更加持久的催化活性，使用寿命显著增加；
步骤e、冷阱对等离子体协同催化系统输出的混合热解气进行冷凝，得到液相产物，利用易挥发去除的二氯甲烷作为萃取剂，萃取液相产物得到精制生物油，残留冷凝气体经真空泵的抽吸后，再采用co2吸附器处理得到燃气，至精制生物油和燃气的量不再变化为止。
具体的，包括如下步骤：
将30-60g生物质原料装入生物质真空热解器1中，生物质颗粒粒径为0.25-1.00mm；将30-60g废塑料装入废塑料真空热解器3中，废塑料颗粒粒径为0.25-1.00mm；（优选地，废塑料与生物质的质量比为1:1）开启冷阱7，将冷却温度调节至-10℃；检查整个装置的气密性，开启真空泵8开始抽气，将整个体系中的反应压力控制为100pa；利用控制模块a2调节生物质真空热解器的升温速率为20℃/min、热解终温为500℃，调节废塑料真空热解器的升温速率为30℃/min、热解终温为550℃，开始同时热解；两者热解气同时产生并进入热解气混合器4，热解气混合器4的温度由控制模块a控制为450℃；两者热解气均匀混合后，进入等离子体协同催化系统（npsc系统5）进行催化提质，由控制模块b6调节npsc系统5的射频放电功率为50-150w，催化温度为200-400℃；提质后的热解气经冷阱7充分冷却后得到液相产物，利用二氯甲烷（ch2cl2）萃取得到精制生物油；同时，不可冷凝气体（残留冷凝气体）经真空泵8抽吸后进入co2吸附器9，经吸附除去co2后得到可燃混合气，对精制生物油和燃气量进行测量，至两者质量不再发生变化为止。
实施例1
试验过程中分别将30g油菜秸秆和30gpe废塑料装入生物质真空热解器和废塑料真空热解器中，原料粒径均在0.25-1.00mm范围内；将冷阱温度调节至-10℃；然后在控制模块a和控制模块b的作用下，开始进行热解和催化反应，调节生物质真空热解器的升温速率为20℃/min、热解终温为500℃，调节废塑料真空热解器的升温速率为30℃/min、热解终温为550℃；热解气混合器4的温度维持在450℃；调节npsc系统5的射频放电功率为50w，催化温度为200℃；反应30分钟后，所得精制生物油和燃料的量不再发生变化。
利用ea3000型元素分析仪测定精制生物油含氧量，利用采用zdhw-5g型氧弹式量热仪测定生物油的高位热值(参照gb/t213-2003)，结果发现：含氧量仅为3.56%，高位热值达到39mj/kg，热值较其它方法优化提升20%以上。
利用agilent7890a型气相色谱分析燃气的组成，结果发现：所得燃气中co占比45%，c2h4占比47%，ch4占比3%，还有少量h2、c2h6、c3h6、h2o等，总占比5%。热值约为27mj/kg，高于水煤气、沼气的发热量。
采用tga/dsc1型同步热分析仪考察催化剂在相同时间内的结焦量，结果发现：本发明中npsc系统中的hzsm-5催化剂在连续使用5次（约150min）后的结焦率仅为1.25%，达到相同使用时间下最低结焦率，且较其它方法降幅均在60%以上。
实施例2
试验过程中分别将60g油菜秸秆和60gpe废塑料装入生物质真空热解器和废塑料真空热解器中，原料粒径均在0.25-1.00mm范围内；将冷阱温度调节至-10℃；然后在控制模块a和控制模块b的作用下，开始进行热解和催化反应，调节生物质真空热解器的升温速率为20℃/min、热解终温为500℃，调节废塑料真空热解器的升温速率为30℃/min、热解终温为550℃；热解气混合器4的温度维持在450℃；调节npsc系统5的射频放电功率为150w，催化温度为400℃；反应30分钟后，所得精制生物油和燃料的量不再发生变化。
通过考察精制生物油的理化特性发现：含氧量仅为3.08%，高位热值达到40mj/kg，热值较其它方法优化提升20%以上。
通过考察燃气的组成发现：所得燃气中co占比53%，c2h4占比41%，ch4占比2%，还有少量h2、c2h6、c3h6、h2o等，总占比4%。热值约为25mj/kg，高于水煤气、沼气的发热量。
通过考察催化剂在相同时间内的结焦量发现：本发明中npsc系统中的hzsm-5催化剂在连续使用5次（约150min）后的结焦率仅为0.97%，达到相同使用时间下最低结焦率，且较其它方法降幅均在60%以上。