CN102071040A - 一种脱木素预处理液化制备生物油的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脱木素预处理生物质液化制备生物油的方法,所述方法是先对生物质经过脱木素预处理,后在溶剂和催化剂存在下进行液化反应制备生物油。先把生物质利用化学脱木素试剂或机械处理或生物方法对生物质进行脱木素预处理,再把经过脱木素预处理过的生物质在溶剂和催化剂或不加入催化剂的条件下进行高压液化反应制备生物油。与未经过脱木素预处理生物质液化对比,生物质在经过脱木素预处理在同等条件下进行液化,生物油的收率显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及生物工程与能源领域,特别涉及一种脱木素预处理液化制备生物油的方法。
背景技术
由于化石能源的日趋减少以及化石能源的利用带来了环境污染的加剧,科学家把注意力集中到新能源的开发和可再生能源上。在各种可再生能源中,生物质资源具有可再生性、分布广泛、环境友好等优点,生物质能源转换技术可以高效地利用生物质资源,生产各种清洁燃料,替代煤炭,石油和天然气燃料,生产电力,生产化学产品,进而受到世界各国的高度重视。
我国生物质资源十分丰富,资源总量不低于30亿t干物质/a,相当于10亿t油当量/a,约为我国目前石油消耗量的3倍。其中大部分生物质产量很大、保存困难、不能及时利用,许多地区就地焚烧,不仅浪费资源,而且导致严重环境污染。如果将这些生物质转化为液体燃料,则相当于每年少增加了数千万t石油当量的能量,从而可以显著提高我国的能源安全并能够有效地减少污染物和温室气体的排放。
目前将生物质转化生物油的方法主要有快速热解液化和高压液化。其中,快速热解液化制备生物油是目前世界上生物质能研究开发的前沿技术(温从科,乔旭,张进平等,生物质高压液化技术研究进展[J].生物质化学工程,2006,40(1):32-34),但该技术对设备要求高,反应条件苛刻,温度为500-600℃、加热速率103-104℃/s、极短的停留时间、快速冷却,产物分布广,虽然液体产量可达70-80%,液体产物中含有大约占15-30%的水。因此,实际热解液化收率50-60%。高压热解液化是以液体溶剂为介质,生物质在相对较低的温度(200-500℃)、较高的压力(>5MPa)下反应生成大量生物油及少量气体和固体残渣的过程。与热解液化相比,高压液化过程条件相对温和,所得油品氧含量较低(<18%)热值较高(>30MJ/Kg),后续处理过程相对简单。近年来因该过程在液化产品品质方面的优越性而备受关注。
生物质是直接或间接来源于绿色植物的各类有机物总称,包括农作物秸秆、农林产品加工残余废物、速生林、薪炭林、藻类、牲畜粪便、城市生活垃圾和生物质有机工业废水等(朱锡锋,郑冀鲁,郭庆样等,生物质热解油的性质精制与利用[J].中国工程科学,2005,7(9):84-87)。生物质的主要成分有三种:纤维素、半纤维素和木质素。其中,纤维素是构成微细纤维、组成纤维细胞、导管以及薄壁细胞等细胞的骨架物质,而半纤维素、木质素则是纤维间及微细纤维之间的“粘合剂”、“填充剂”。生物质的这种结构不利于液化溶剂在液化过程中的渗透。半纤维素的热解温度大于180℃,纤维素的热解温度大于230℃,木质素的热解温度最高,大于250℃(Javaid Akhtar,Soo Kim Kuang,NorAishah Saidina Amin.Liquefaction of empty palm fruit bunch(EPFB)in alkaline hot compressed water[J].Renewable Energy,2010(35):1220-1227);所以,木质素的存在使液化反应温度较高,不利于降低液化成本。
本发明对生物质进行脱木素预处理后,生物质与未处理原料相比木质素含量低,且生物质内部变得相对疏松,提高了液化溶剂与原料的接触,提高了反应速率,降低了液化反应温度。因此,本发明可单独的作为生物质能源转化的一种工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液化条件温和、生物油产率高的对生物质进行脱木素预处理液化制备生物油的方法。本方法所述生物质选自:植物种子、秸秆、树木、牧草、稻壳、蔗渣、锯末、木屑、海藻、垃圾、畜禽粪便,或它们的混合物。
一种脱木素预处理液化制备生物油的方法,包括以下步骤:
(1)将生物质烘干至含水量为5~15%wt,粉碎至20~80目,与水按质量比1∶5~1∶2混合,加入脱木素试剂,调节pH 2~10,在50~180℃,0~2Mpa下,反应30~120分钟;得到脱木素预处理后的生物质,清洗,烘干;
(2)将脱木素预处理后的生物质与溶剂混合,液化反应制备生物油;液化反应的条件:升温至180℃~450℃,压力为1MPa~20Mpa,保持0min~40min,收集产物即得生物油;脱木素预处理后的生物质与溶剂的质量比为3~50∶45~97。
一种脱木素预处理液化制备生物油的方法,包括以下步骤:
(1)将生物质烘干至含水量为5~15%wt,粉碎至20~80目,与水按质量比1∶5~1∶2混合,加入脱木素试剂,调节pH 2~10,在50~180℃,0~2Mpa下,反应30~120分钟,得到脱木素预处理后的生物质;
(2)将脱木素预处理后的生物质液化反应制备生物油;液化反应的条件:升温至180℃~450℃,压力为1MPa~20Mpa,保持0min~40min,收集液相产物即得生物油。
所述生物质为植物种子、秸秆、树木、牧草、稻壳、蔗渣、锯末、木屑、海藻、垃圾或畜禽粪便中的一种或两种以上的混合物。
所述脱木素试剂为氢氧化钠、硫酸盐、多硫化钠、硫化钠、硫酸盐、氢氧化钙、碳酸钠、氯气、氧气、二氧化氯或双氧水中的一种或两种以上的混合物。
所述溶剂为含氧有机溶剂。
所述含氧有溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、丁醇;***、环氧丙烷、甲基叔丁醚、二***、异丙醚、丙酮、丁酮、甲醛、乙醛、丙醛、丁醛、乙酸甲酯、乙酸乙酯或乙酸丙酯中的一种或两种以上的混合物。
所述液化反应加入催化剂,所述催化剂为酸性催化剂、碱性催化剂、盐催化剂或分子筛催化剂。
所述脱木素预处理后的生物质中木质素占未处理的生物质中木质素的30~95%wt。
所述液化反应通入保护性气体。
所述保护性气体为惰性气体和氮气。
本发明相对于现有技术所具有的优点及有益效果:
经过本方法脱木素预处理后的液化与相同条件下未经过预处理的液化相比,生物质转化率高,生物油产率比未经过预处理液化高达20%,具有工业应用潜力。
附图说明
图1表示经氯气脱木素预处理生物质与未进行脱木素预处理生物质在相同条件下进行液化轻油收率对比。
图2表示经氯气脱木素预处理生物质与未进行脱木素预处理生物质在相同条件下进行液化重油收率对比。
图3表示经氯气脱木素预处理生物质与未进行脱木素预处理生物质在相同条件下进行液化生物油收率对比。
具体实施方式
下面通过实例对本发明作进一步阐述,其目的在于更好理解本发明内容而非限制本发明的保护范围。
除非另有定义,本文所用术语具有本领域技术人员通常理解的含义。
下述实例中,如无特殊说明,均为常规方法。
下述实例中,所述百分含量如无特殊说明,均为质量百分含量。
在本发明的上下文中,术语“生物质”指含有纤维素、半纤维素和/或木质素的纤维素类物质,包括各种农业植物废弃物,如植物种子、秸秆、树木、牧草、稻壳、蔗渣等;工业加工过程产生的废弃物,如锯末、木屑等;专门种植用于生产燃料的经济作物,如原产于北美洲的柳枝稷(switchgrass);其他纤维类物质,如海藻、垃圾、畜禽粪便等;或它们的混合物。
实施例
实施例1
脱木素预处理玉米秸秆不添加催化剂液化
1.脱木素预处理
将玉米秸秆烘干至含水量8%,粉碎至40目的细度。将粉碎好的玉米秸秆100g加入200g水,氯气通过加入15g次氯酸钠和15mL乙酸产生,调节pH为2,加热到75℃反应80分钟后,测得预处理后的玉米秸秆木质素含量为29%,占未处理玉米秸秆木质素含量的80%(未处理玉米秸秆木质素含量为36%),将处理后的玉米秸秆用水洗去剩余的亚氯酸钠和乙酸,烘干,去除水分。
2.高压液化
将步骤1处理得到的玉米秸秆10g和100g乙醇加入到间歇式高温高压反应器内(大连自控设备厂、GCF反应器、容积0.5L)进行液化反应,反应温度为从室温加热到340℃,停留时间为0min,反应压力3.5MPa。反应结束后在常温常压下呈气态的产物为气相产物。液体产物中能溶于水的为轻油,不溶于水而溶于丙酮的液体为重油,分离过程如下:在70℃真空蒸馏出乙醇,剩余残渣加入150mL去离子水提取水溶性有机物,用真空泵抽滤,滤饼洗涤三次,滤液用旋转蒸发仪蒸出水,剩下的物质为水溶性有机物,即轻油;不溶于水的残渣再用150mL丙酮提取,用真空泵抽提,残渣用丙酮洗三次,滤液用旋转蒸发仪蒸出丙酮,剩下物质为丙酮溶性物质,即重油;轻油加上重油即为生物油。
表1表明了玉米秸秆经脱木素预处理后在乙醇作用下,生物油产率随温度变化数据。产物收率是以所得产物的质量除以除去灰分以后的加入反应器内原料的量为基准计算的。表1的数据表明,轻油、重油和生物油收率都随着温度的升高呈现出先增加后又减少的趋势,其中轻油在260℃时达到了最大值20.14%,重油在300℃时达到了最大收率15.39%,总的生物油在260℃达到了最大值31.95%。轻油、重油和生物油收率呈现出的这种趋势主要是由于在低温条件下玉米秸秆在高温高压和乙醇存在的条件下生成生物油的反应占主要优势,而在高温条件下生物油又在这种作用下分解成其他组分的反应又占主要优势。
表1.玉米秸秆脱木素预处理液化轻油、重油和生物油收率
温度℃ | 轻油收率% | 重油收率% | 生物油收率% |
200 | 4.431 | 4.67 | 9.099 |
220 | 12.14 | 6.21 | 18.35 |
240 | 18.28 | 9.24 | 27.51 |
260 | 20.14 | 11.81 | 31.95 |
280 | 16.67 | 14.24 | 30.91 |
300 | 15.44 | 15.39 | 30.82 |
320 | 13.15 | 11.21 | 24.36 |
340 | 10.15 | 10.41 | 20.56 |
实施例2
脱木素预处理玉米秸秆添加催化剂液化
取10g实施例1中经过脱木素预处理的玉米秸秆、100g乙醇和1g碳酸钠催化剂加入到与实施例1中同样的间歇式高温高压反应器中,按与实施例1中同样的条件进行反应,分离过程同实施例1中的过程。表2表明了玉米秸秆经脱木素预处理后在乙醇和碳酸钾作用下,生物油产率随温度变化数据。产物收率是以所得产物的质量除以除去灰分以后的加入反应器内原料的量为基准计算的。
表2表明轻油收率随着温度的增加而增大,在温度为280℃时达到了最大值19.52%,随后轻油收率开始下降。总的生物油收率也在280℃达到最大值,值得注意的是重油收率与未加入碳酸钠重油收率(表1)相比大大下降,这说明碳酸钠催化剂的加入前小了重油的收率,大大改善了生物油的品质。
表2.脱木素预处理催化液化轻油、重油和生物油收率
温度℃ | 轻油收率% | 重油收率% | 生物油收率% |
200 | 7.19 | 1.35 | 8.54 |
220 | 8.75 | 1.52 | 10.27 |
240 | 14.21 | 0.85 | 15.07 |
260 | 16.57 | 2.31 | 18.88 |
280 | 19.52 | 1.02 | 20.54 |
300 | 18.06 | 1.74 | 19.8 |
320 | 16.28 | 2.66 | 18.95 |
340 | 13.82 | 4.38 | 18.2 |
比较例
采用实施例1中第2步骤相同的方法和条件,所不同的是所选用玉米秸秆不经过实施例1中第1步骤的脱木素预处理。
实验结果见图1-3。图1表明,未经过脱木素处理的玉米秸秆液化轻油收率随着液化反应温度的上升不断上升,是温度达到340℃时轻油收率最高达10.6%;此收率与经过处理的玉米秸秆液化相比,经过处理的玉米秸秆的轻油收率在当温度达到220℃(12.15%)时就可以超过液化未处理玉米秸秆轻油收率。经过处理的玉米秸秆液化轻油最高收率比未处理的玉米秸秆液化轻油收率高达9.5%,而达到最高收率的反应温低于未处理玉米秸秆80℃。
图2表明,未经过脱木素处理的玉米秸秆液化重油收率随着温度的上升不断上升,在反应温度达到最高340℃时重油收率达到最大值12.8%。与经过脱木素处理的玉米秸秆液化重油最高收率相比,其收率低了2.6%,而温度要高于经过处理的玉米秸秆。
图3表明,未经过脱木素处理的玉米秸秆液化生物油收率随着温度的上升而不断上升,在340℃达到最高收率为23.38%,低于经过脱木素处理的玉米秸秆液化最高生物油收率8.5%,最高收率的反应温度高于经过处理的玉米秸秆液化80℃。在260℃温度下,经过脱木素处理的玉米秸秆液化生物油收率比同条件下不经过脱木素处理液化生物油得率高达21%。
因此,这些都表明,相同条件下经过脱木素处理的玉米秸秆液化不单生物油收率高,而且达到最高收率的反应温度又低,大大节约了生产成本。
Claims (10)
1.一种脱木素预处理液化制备生物油的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将生物质烘干至含水量为5~15%wt,粉碎至20~80目,与水按质量比1∶5~1∶2混合,加入脱木素试剂,调节pH 2~10,在50~180℃,0~2Mpa下,反应30~120分钟;得到脱木素预处理后的生物质,清洗,烘干;
(2)将脱木素预处理后的生物质与溶剂混合,液化反应制备生物油;液化反应的条件:升温至180℃~450℃,压力为1MPa~20Mpa,保持0min~40min,收集产物即得生物油;脱木素预处理后的生物质与溶剂的质量比为3~50∶45~97。
2.一种脱木素预处理液化制备生物油的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将生物质烘干至含水量为5~15%wt,粉碎至20~80目,与水按质量比1∶5~1∶2混合,加入脱木素试剂,调节pH 2~10,在50~180℃,0~2Mpa下,反应30~120分钟,得到脱木素预处理后的生物质;
(2)将脱木素预处理后的生物质液化反应制备生物油;液化反应的条件:升温至180℃~450℃,压力为1MPa~20Mpa,保持0min~40min,收集液相产物即得生物油。
3.根据权利要求1或2所述方法,其特征在于,所述生物质为植物种子、秸秆、树木、牧草、稻壳、蔗渣、锯末、木屑、海藻、垃圾或畜禽粪便中的一种或两种以上的混合物。
4.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述脱木素试剂为氢氧化钠、硫酸盐、多硫化钠、硫化钠、硫酸盐、氢氧化钙、碳酸钠、氯气、氧气、二氧化氯或双氧水中的一种或两种以上的混合物。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述溶剂为含氧有机溶剂。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述含氧有溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、丁醇;***、环氧丙烷、甲基叔丁醚、二***、异丙醚、丙酮、丁酮、甲醛、乙醛、丙醛、丁醛、乙酸甲酯、乙酸乙酯或乙酸丙酯中的一种或两种以上的混合物。
7.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述液化反应加入催化剂,所述催化剂为酸性催化剂、碱性催化剂、盐催化剂或分子筛催化剂。
8.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述脱木素预处理后的生物质中木质素占未处理的生物质中木质素的30~95%wt。
9.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述液化反应通入保护性气体。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述保护性气体为惰性气体和氮气。
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20110525 |