本发明属于废弃物资源化利用领域，具体涉及一种固体废弃物微波高效解聚联产生物油和生物炭的装置及方法。
背景技术：
近年来，人类活动导致各类废弃物的排放量急剧增加，包括工业废弃物、农业废弃物、林业废弃物、生活垃圾、城镇和造纸污泥、废橡胶、废轮胎等。这些废弃物的有效利用率低，传统的焚烧和掩埋已不能够满足日益苛刻的环保要求，因此，寻求废弃物资源的高效转化和有效利用途径尤为关键。
热裂解技术由于具有原料适应性广、处理速度快、处理过程清洁无污染等优势，成为了废弃物资源化处理的有效途径之一。然而，常规的热裂解过程由于是热能以较低的传热速率从原料表面传导至内部，导致热裂解过程转化较为复杂，产物的可控性差，制约了该技术的进一步发展。而微波热裂解方式由于借助微波介电加热，在微波吸收介质辅助作用下可以实现物料的内外同时加热，能够有效克服常规热裂解存在的缺点，阻止了热裂解过程的结焦炭化以及二次反应的发生，有利于废弃资源的高效和充分转化。但目前还缺乏专业的微波热裂解装置，尤其是缺乏能够精确调控微波热裂解过程产物的两级催化装置。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种固体废弃物微波高效解聚联产生物油和生物炭的装置及方法，用于解决现有技术的问题，本发明采用微波解聚+催化裂解两级转化的方法，使固体废弃物能够高效地减量化、无害化、资源化转化为高价值的液体产物生物油和固体产物热解炭。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种固体废弃物微波高效解聚联产生物油和生物炭的装置，包括用于提供反应气和载气的进气系统，进气系统的出口端连接有预热系统，预热系统的出口端连接有保温过滤系统，保温过滤系统的出口端连接有反应系统，反应系统的出口端连接有产物收集系统，且反应系统和产物收集系统之间的管道上设置有产物保温系统，预热系统、保温过滤系统以及反应系统的外侧套设有微波发生系统。
进一步地，所述进气系统包括由反应气管和载气管汇集而成的进气管，进气管的出口端连接预热系统；预热系统包括连接在进气管出口端的螺旋状的预热管，预热管的外侧套设有预热碳化硅套管，预热管的出口端与保温过滤系统相连。
进一步地，保温过滤系统包括连接在预热管出口端的过滤保温堵头，过滤保温堵头中设有耐温石英保温棉，过滤保温堵头的出口端连接反应系统；反应系统包括连接在过滤保温堵头出口端的裂解反应器以及设置在裂解反应器出口端的催化反应器，催化反应器的出口端连接有气体阀，催化反应器的出口端与气体阀之间连接有产物收集系统。
进一步地，裂解反应器为截面半圆形的空心柱体，空心柱体的上端为固体废弃物加入口，空心柱体的一端设有裂解反应器进气口，裂解反应器进气口与过滤保温堵头出口端相连；
催化反应器包括空心圆柱形的反应器本体，反应器本体的一端设有端盖，端盖上均布有若干催化反应器进气孔，反应器本体的另一端设置有催化反应器出气口。
进一步地，微波发生系统包括设置在预热系统、保温过滤系统以及反应系统外侧的微波箱体以及设置在微波箱体上的微波馈入系统，微波箱体的两侧分别设有前端微波抑制装置和后端微波抑制装置，前端微波抑制装置的自由端设置有密封端头。
进一步地，产物保温系统包括套设在催化反应器出口端管道上的保温碳化硅套管和电加热保温装置，且保温碳化硅套管套设在催化反应器出口端管道位于微波箱体内部的部分，电加热保温装置套设在催化反应器出口端管道位于微波箱体外部的部分。
进一步地，产物收集系统包括连接在催化反应器的出口端与气体阀之间的收集管道，收集管道的出口端连接有一级生物油收集装置，一级生物油收集装置的蒸馏出口连接有二级生物油收集装置，收集管道上套设有冷凝管。
一种固体废弃物微波高效解聚联产生物油和生物炭的方法，采用上述的装置，包括以下步骤：
步骤一：将固体废弃物粉碎成粒径为0.5～10mm，置于裂解反应器中；将粒径为2～10mm的催化剂置于催化反应器中，通入载气以排除反应体系中的空气，每克固体废弃物对应的载气流量为5～30ml/min；
步骤二：开启电加热保温装置，温度为250～350℃，打开气体阀，然后开启微波发生系统，微波频率为2.45ghz，微波功率为200～400w，反应5～10分钟，排出初期裂解反应产生的水和低分子化合物；
步骤三：通入反应气，开启冷凝管中的冷凝水，控制温度为2～5℃，二级生物油收集装置中加入干冰丙酮浴，关闭气体阀，调节微波功率为800～1200w，裂解反应器升温至400～700℃，此时对应的催化反应器温度为350～650℃，在此温度下保持反应15～30分钟，所述的反应气为甲醇、甲醛或甲烷气体，每克固体废弃物对应的反应气流量为0.1～2ml/min；
步骤四：反应结束后，关闭微波发生系统，关闭电加热保温装置，并停止通入反应气，待裂解反应器中的温度降至150℃以下时，停止通入载气，并关闭冷凝管中的冷凝水，一级生物油收集装置中为收集到的一级生物油混合液，一级生物油混合液在温度为20℃，相对真空度为-0.085～-0.095mpa的条件下进行减压蒸馏，无馏分蒸出时，剩余的液体即为一级生物油；二级生物油收集装置收集到的为二级生物油；裂解反应器中剩余的产物为生物炭。
进一步地，所述的固体废弃物为农林废弃物、生活垃圾、污泥、废橡胶中的一种或多种；所述的载气为氦气；所述的催化剂为沸石类催化剂、活性炭负载金属性催化剂中的一种。
进一步地，以质量分数计，裂解反应器材质由80％～90％的重结晶碳化硅和10％～20％的金属氧化物吸收剂混合组成，所述的金属氧化物吸收剂为氧化铁，氧化铜，氧化镁，氧化钙，氧化镍中的一种；催化反应器材质为重结晶碳化硅。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本装置设计了反应气和载气两级进气系统，并将裂解反应器和催化反应器结合，很好的实现了固体废弃物热裂解蒸气的在线催化重整，并能够通过裂解反应器和催化反应器自身材质吸波特点实现同一微波能量下的温度自动调节，有利于提高最终产物生物油的品质。设计的产物收集系统通过两段分级方式能够实现产物中不同分子量、沸点组分的分级富集。
本发明方法反应过程中加入反应气，反应气甲醇、甲醛和甲烷可以很好地吸收微波能量转化为自由基，形成“高活性自由基位点”，从而与裂解蒸气活性端结合，抑制二次反应的发生；同时反应气的加入可以很好的携带热裂解蒸气移出反应体系，以溶剂形式混入生物油中，防止生物油粘附于装置的管壁上，而溶剂可以通过减压蒸馏的形式与生物油分离并重复回收利用，实现了清洁与循环生产利用。
进一步地，裂解反应器材质由质量份80％～90％的重结晶碳化硅和10％～20％的金属氧化物吸收剂混合组成，催化反应器材质为重结晶碳化硅，这样的方式可以很好的控制裂解段和催化段的反应温度。裂解反应器材质中添加金属氧化物，可以很好的加快其吸收微波的效率，从而提高热裂解反应的升温速率和裂解效率；而催化反应器采用重结晶碳化硅材质，这种材质的反应器可以在不改变微波频率的前提下，实现催化反应段的温度低于裂解反应段，这样有利于促进裂解蒸气的二次催化，并降低二次反应的发生。
进一步地，反应开始时，先打开气体阀，然后开启微波发生系统，微波频率为2.45ghz，微波功率为200～400w，反应5～10分钟，排出初期裂解反应产生的水和低分子化合物；这种方式可以大幅度降低农林废弃物等中的氧含量(以水、二氧化碳、一氧化碳等形式脱除)，从而有利于提高生物油的热值以及改善生物油中组分的分布。
附图说明
图1本发明的设备流程图；
图2为裂解反应器示意图；
图3为催化反应器示意图。
其中，1-进气管，2-密封端头，3-前端微波抑制装置，4-预热碳化硅套管，5-预热管，6-微波箱体，7-过滤保温堵头，8-裂解反应器，9-微波馈入系统，10-催化反应器，11-保温碳化硅套管，12-后端微波抑制装置，13-电加热保温装置，14-气体阀，15-冷凝管，16-一级生物油收集装置，17-二级生物油收集装置，18-裂解反应器进气口，19-催化反应器端盖，20-催化反应器进气孔，21-催化反应器出气口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图1至图3，一种固体废弃物微波高效解聚联产生物油和生物炭的装置，主要由进气系统，预热系统，保温过滤系统，反应系统，微波发生系统，产物保温系统，产物收集系统组成。
进气系统，由反应气和载气两根进气管1组成，材质为石英管，进气管1出口与预热系统相连。
预热系统，由预热碳化硅套管4和预热管5组成。预热碳化硅套管4材质为重结晶碳化硅，为中空套管，预热管5套在预热碳化硅套管4里；预热管5材质为石英管，呈螺旋状，预热管5进口与进气管1出口相连，预热管5出口与保温过滤系统相连。
保温过滤系统，由过滤保温堵头7组成，过滤保温堵头材质为石英管，里边加入耐温石英保温棉，过滤保温堵头7进口与预热管5相连，过滤保温堵头7出口与反应系统相连。
反应系统，由裂解反应器8和催化反应器10组成。裂解反应器8材质为由质量份80％～90％的重结晶碳化硅和10％～20％的金属氧化物吸收剂混合组成，所述的金属氧化物吸收剂为氧化铁，氧化铜，氧化镁，氧化钙，氧化镍中的一种；裂解反应器8为半圆状，上端开口，固体废弃物从上端加入，裂解反应器进气口18与过滤保温堵头7出口相连，裂解反应器8产生的气体从上端挥发并进入到催化反应器10中。催化反应器10材质为重结晶碳化硅，催化反应器10一端有催化反应器端盖19，催化反应器端盖19上有催化反应器进气孔20，催化反应器10另一端为催化反应器出气口21，催化反应器出气口21与产物保温系统相连。反应系统能量由微波发生系统提供。
微波发生系统，由微波箱体6、微波馈入系统9、前端微波抑制装置3、后端微波抑制装置12、密封端头2组成。密封端头2与前端微波抑制装置3通过密封垫圈，起到气体密封作用。前端微波抑制装置3和后端微波抑制装置12与微波箱体6相连，为圆形的中空套管，材质为不锈钢。微波馈入系统9主要提供微波功率，4.微波频率：2.45ghz，2.微波输出功率：0.01～1.45kw连续可调。
产物保温系统，由保温碳化硅套管11和电加热保温装置13组成。保温碳化硅套管11进行微波箱体6内管路保温，材质为重结晶碳化硅；电加热保温装置13进行微波箱体7外管路保温，外管路出口与气体阀14和产物收集系统相连。气体阀14用于控制微波解聚产生气体的排放。
产物收集系统，由冷凝管15、一级生物油收集装置16、二级生物油收集装置17组成。冷凝管15介质为2～5℃的水，冷凝管15出口与一级生物油收集装置16相连，一级生物油收集装置16与二级生物油收集装置17相连，二级生物油收集装置17里放有冷却介质，为干冰丙酮浴。
一种固体废弃物微波高效解聚联产生物油和生物炭的方法，主要步骤为：
1.将固体废弃物粉碎成粒径为0.5～10mm，置于裂解反应器8中；将粒径为2～10mm的催化剂置于催化反应器10中。通入载气10分钟以排除反应体系中的空气，每克固体废弃物对应的载气流量为5～30ml/min；所述的固体废弃物为农林废弃物、生活垃圾、污泥、废橡胶中的一种或多种混合；所述的载气为氦气；所述的催化剂为沸石类催化剂、活性炭负载金属性催化剂中的一种。
2.开启电加热保温装置13，温度为250～350℃，打开气体阀14，然后开启微波发生系统，微波频率为2.45ghz，微波功率为200～400w，反应5～10分钟，排出初期裂解反应产生的水和低分子化合物。
3.通入反应气，开启冷凝管15中的冷凝水，控制温度为2～5℃，二级生物油收集装置17中加入干冰丙酮浴，关闭气体阀14，调节微波功率为800～1200w，裂解反应器升温至400～700℃，此时对应的催化反应器温度为350～650℃，在此温度下保持反应15～30分钟。所述的反应气为甲醇或甲醛气体，每克固体废弃物对应的载气流量为0.1～2ml/min。
4.反应结束后，关闭微波发生系统，关闭电加热保温装置，并停止通入反应气，待裂解反应器8中的温度降至150℃以下时，停止通入载气，并关闭冷凝管15中的冷凝水。一级生物油收集装置16中为收集到的一级生物油混合液，一级生物油混合液进行减压蒸馏(温度20℃，相对真空度-0.085～-0.095mpa)，无馏分蒸出时，剩余的液体即为一级生物油；二级生物油收集装置17收集到的为二级生物油；打开微波装置，裂解反应器8中剩余的产物为生物炭。
下面结合实施例对本发明的做详细描述：
实施例1
将10g玉米秸秆粉碎成粒径为0.5～2mm，置于由80％的重结晶碳化硅和20％的氧化铁材质组成的裂解反应器8中；将粒径为2mm的hzsm-5沸石催化剂置于重结晶碳化硅材质的催化反应器10中，通入流量为50ml/min氦气以排除反应体系中的空气。开启电加热保温装置13，温度为250℃，打开气体阀14，然后开启微波发生系统，微波频率为2.45ghz，微波功率为200w，反应10分钟，然后通入流量为1ml/min的甲醇反应气，开启冷凝管15中的冷凝水，控制温度为2℃，二级生物油收集装置17中加入干冰丙酮浴，关闭气体阀14，调节微波功率为800w，裂解反应器8升温至550℃，此时对应的催化反应器温度为500℃，在此温度下保持反应20分钟。反应结束后，关闭微波发生系统，关闭电加热保温装置13，并停止通入甲醇反应气，待裂解反应器8中的温度降至150℃以下时，停止通入氦气，并关闭冷凝管15中的冷凝水，一级生物油收集装置16中为收集到的一级生物油混合液，一级生物油混合液在温度为20℃，相对真空度为-0.085mpa的条件下进行减压蒸馏，无馏分蒸出时，剩余的液体即为一级生物油；二级生物油收集装置17收集到的为二级生物油；裂解反应器8中剩余的产物为生物炭。获得的生物油产率(一级生物油+二级生物油)为67％，热值为32mj/kg；生物炭产率为12％，比表面积为960m2/g。
实施例2
以废塑料原料为例介绍本发明的实施过程如下：
将10g废塑料粉碎成粒径为2～5mm，置于由90％的重结晶碳化硅和10％的氧化铜材质组成的裂解反应器8中；将粒径为5mm的sba-15沸石催化剂置于重结晶碳化硅材质的催化反应器10中，通入流量为300ml/min氦气以排除反应体系中的空气。开启电加热保温装置13，温度为350℃，打开气体阀14，然后开启微波发生系统，微波频率为2.45ghz，微波功率为400w，反应5分钟，然后通入流量为20ml/min的甲烷反应气，开启冷凝管15中的冷凝水，控制温度为5℃，二级生物油收集装置17中加入干冰丙酮浴，关闭气体阀14，调节微波功率为1200w，裂解反应器8升温至700℃，此时对应的催化反应器温度为650℃，在此温度下保持反应15分钟。反应结束后，关闭微波发生系统，关闭电加热保温装置13，并停止通入甲烷反应气，待裂解反应器8中的温度降至150℃以下时，停止通入氦气，并关闭冷凝管15中的冷凝水，一级生物油收集装置16中为收集到的一级生物油混合液，一级生物油混合液在温度为20℃，相对真空度为-0.095mpa的条件下进行减压蒸馏，无馏分蒸出时，剩余的液体即为一级生物油；二级生物油收集装置17收集到的为二级生物油；裂解反应器8中剩余的产物为生物炭。获得的生物油产率(一级生物油+二级生物油)为48％，热值为43mj/kg；生物炭产率为18％，比表面积为810m2/g。
实施例3
以造纸污泥原料为例介绍本发明的实施过程如下：
将10g造纸污泥粉碎成粒径为0.5～3mm，置于由85％的重结晶碳化硅和15％的氧化镁材质组成的裂解反应器8中；将粒径为10mm的hy沸石催化剂置于重结晶碳化硅材质的催化反应器10中，通入流量为100ml/min氦气以排除反应体系中的空气。开启电加热保温装置13，温度为300℃，打开气体阀14，然后开启微波发生系统，微波频率为2.45ghz，微波功率为300w，反应5分钟，然后通入流量为10ml/min的甲醛反应气，开启冷凝管15中的冷凝水，控制温度为3℃，二级生物油收集装置17中加入干冰丙酮浴，关闭气体阀14，调节微波功率为1000w，裂解反应器8升温至400℃，此时对应的催化反应器温度为350℃，在此温度下保持反应30分钟。反应结束后，关闭微波发生系统，关闭电加热保温装置13，并停止通入甲醛反应气，待裂解反应器8中的温度降至150℃以下时，停止通入氦气，并关闭冷凝管15中的冷凝水，一级生物油收集装置16中为收集到的一级生物油混合液，一级生物油混合液在温度为20℃，相对真空度为-0.09mpa的条件下进行减压蒸馏，无馏分蒸出时，剩余的液体即为一级生物油；二级生物油收集装置17收集到的为二级生物油；裂解反应器8中剩余的产物为生物炭。获得的生物油产率(一级生物油+二级生物油)为35％，热值为22mj/kg；生物炭产率为47％，比表面积为75m2/g，成分为碳酸钙。
实施例4
以落叶松与废轮胎混合原料为例介绍本发明的实施过程如下：
将5g落叶松和5g废轮胎粉碎成粒径为5～10mm后混合在一起，置于由87％的重结晶碳化硅和13％的氧化钙材质组成的裂解反应器8中；将粒径为5mm的pd/c催化剂置于重结晶碳化硅材质的催化反应器10中，通入流量为150ml/min氦气以排除反应体系中的空气。开启电加热保温装置13，温度为320℃，打开气体阀14，然后开启微波发生系统，微波频率为2.45ghz，微波功率为350w，反应7分钟，然后通入流量为15ml/min的甲醇反应气，开启冷凝管15中的冷凝水，控制温度为5℃，二级生物油收集装置17中加入干冰丙酮浴，关闭气体阀14，调节微波功率为900w，裂解反应器8升温至450℃，此时对应的催化反应器温度为400℃，在此温度下保持反应25分钟。反应结束后，关闭微波发生系统，关闭电加热保温装置13，并停止通入甲醇反应气，待裂解反应器8中的温度降至150℃以下时，停止通入氦气，并关闭冷凝管15中的冷凝水，一级生物油收集装置16中为收集到的一级生物油混合液，一级生物油混合液在温度为20℃，相对真空度为-0.092mpa的条件下进行减压蒸馏，无馏分蒸出时，剩余的液体即为一级生物油；二级生物油收集装置17收集到的为二级生物油；裂解反应器8中剩余的产物为生物炭。获得的生物油产率(一级生物油+二级生物油)为55％，热值为38mj/kg；生物炭产率为31％，比表面积为1530m2/g。
实施例5
以碱木质素原料为例介绍本发明的实施过程如下：
将10g碱木质素粉碎成粒径为1～3mm后混合在一起，置于由80％的重结晶碳化硅和20％的氧化镍材质组成的裂解反应器8中；将粒径为10mm的fe2o3/c催化剂置于重结晶碳化硅材质的催化反应器10中，通入流量为180ml/min氦气以排除反应体系中的空气。开启电加热保温装置13，温度为270℃，打开气体阀14，然后开启微波发生系统，微波频率为2.45ghz，微波功率为350w，反应10分钟，然后通入流量为3ml/min的甲醇反应气，开启冷凝管15中的冷凝水，控制温度为2℃，二级生物油收集装置17中加入干冰丙酮浴，关闭气体阀14，调节微波功率为1200w，裂解反应器8升温至600℃，此时对应的催化反应器温度为550℃，在此温度下保持反应30分钟。反应结束后，关闭微波发生系统，关闭电加热保温装置13，并停止通入甲醇反应气，待裂解反应器8中的温度降至150℃以下时，停止通入氦气，并关闭冷凝管15中的冷凝水，一级生物油收集装置16中为收集到的一级生物油混合液，一级生物油混合液在温度为20℃，相对真空度为-0.088mpa的条件下进行减压蒸馏，无馏分蒸出时，剩余的液体即为一级生物油；二级生物油收集装置17收集到的为二级生物油；裂解反应器8中剩余的产物为生物炭。获得的生物油产率(一级生物油+二级生物油)为49％，热值为36mj/kg；生物炭产率为40％，比表面积为1210m2/g。