CN102226118B - 生物质流体燃料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种生物质流体燃料，该生物质流体燃料包含分散于液体燃料介质中的生物质原料颗粒和燃料助剂，其中所述生物质原料颗粒的粒度小于或等于约150微米，优选小于或等于约120微米，更优选小于或等于约100微米，所述生物质原料颗粒与所述液体燃料介质的重量比为1∶10至1∶1，优选为1∶7至1∶1，最优选为1∶5至1∶1，和所述燃料助剂的总含量基于所述生物质流体燃料重量计为0.5-3.0wt％，优选为0.8-2.0wt％，更优选为0.9-1.5wt％。另外，本发明还提供了制备所述生物质流体燃料的方法。

Description

生物质流体燃料及其制备方法

技术领域

本发明涉及对生物质原料、特别是生物质废弃物的进一步开发和利用，具体涉及生物质流体燃料及其制备方法，其中在所述制备方法中利用物理和/或热化学方法将生物质原料颗粒转化为生物质流体燃料。

背景技术

在我国的产业背景下存在有大量的生物质废弃物，具体例如甘蔗渣、酒糟渣、木薯渣、稻草、麦秆、豆秆、棉秆、玉米秆、玉米芯、落叶及木屑等，这些生物质废弃物中通常含有大量的可进一步利用的大分子物质如木质素、纤维素、半纤维素和淀粉等。近年来，在绿色低碳的大背景下，对这些生物质废弃物的进一步开发和利用越来越受到关注。

研究表明，生物质原料中的大分子物质如木质素、纤维素、半纤维素和淀粉等遇热会分解形成生物质油、炭和可燃性气体，并且这些产物的比例会随温度、压力和反应时间而变化。生物质热解和生物质碳化就是基于上述原理的热化学反应，其中可以通过控制热化学反应的条件来改变所形成的各种产物之间的比例。因此，热化学方法是利用生物质原料的一种有效途径。

但单纯的热化学方法还存在一些问题，例如，生物质油的生产成本通常比矿物油高，而且，生物质油不能直接用于现有的动力设备，这是因为生物质油大多是物理和化学性质均不太稳定的碳氢化合物，必须经过改性和/或精制处理才能应用。

流体燃料是指将可燃性固体在流体介质中研磨细化形成含有微小固体颗粒的流体，再向其中加入分散剂和/或稳定剂形成稳定的均相流体，常见的例子如水煤浆或油煤浆。研究表明，将煤、石油焦、生物淤泥等可燃性固体在柴油或水等流体介质中进行研磨细化处理后可得到流动性良好的流体燃料，该流体燃料可作为高效的代油燃料经相应的燃烧器进行燃烧。

基于流体燃料的思想，本发明提出了生物质流体燃料的概念，这是一种基于生物质原料颗粒的流体燃料，具体通过物理和/或热化学方法将生物质原料如生物质废弃物颗粒分散到液体燃料介质中形成生物质流体燃料。

因此，本发明的生物质流体燃料具有流体燃料的便于运输、使用及燃烧效率高等优点，从而为固体生物质原料如生物质废弃物的开发和应用提供了新的思路。

发明内容

本发明提供一种生物质流体燃料，该生物质流体燃料包含分散于液体燃料介质中的生物质原料颗粒和燃料助剂，其中所述生物质原料颗粒的粒度小于或等于约150微米，优选小于或等于约120微米，更优选小于或等于约100微米，所述生物质原料颗粒与所述液体燃料介质的重量比为1∶10至1∶1，优选为1∶7至1∶1，最优选为1∶5至1∶1，和所述燃料助剂的总含量基于所述生物质流体燃料重量计为0.5-3.0wt％，优选为0.8-2.0wt％，更优选为0.9-1.5wt％。

本发明还提供制备所述生物质流体燃料的方法，该方法包括如下步骤：

粉碎生物质原料并进行筛分，以获得粒度小于或等于约150微米、优选小于或等于约120微米、更优选小于或等于约100微米的生物质原料颗粒；

使所述生物质原料颗粒与液体燃料介质混合形成粗混合物，其中所述生物质原料颗粒与所述液体燃料介质的重量比为1∶10至1∶1，优选为1∶7至1∶1，最优选为1∶5至1∶1；

使所述粗混合物均化并向其中加入燃料助剂，其中所述燃料助剂的总含量基于所述生物质流体燃料重量计为0.5-3.0wt％，优选为0.8-2.0wt％，更优选为0.9-1.5wt％，和其中利用高速剪切乳化设备进行均化，以获得均相混合物作为生物质流体燃料。

按照本发明，所述生物质原料一般为生物质废弃物，具体选自甘蔗渣、酒糟渣、木薯渣、稻草、麦秆、豆秆、棉秆、玉米秆、玉米芯、落叶及木屑等。因此，对于本发明而言，所述生物质原料的来源还是很丰富的。

按照本发明，所述液体燃料介质可以为常见的任何合适的液体燃料，优选价格比较便宜的不易挥发的液体燃料，具体可以为不易挥发的油性液体燃料如重油和煤焦油及重油组分和煤焦油组分，其中所述重油组分如重油轻馏分，所述煤焦油组分如萘油、洗油、蒽油和二蒽油，优选使用蒽油和/或洗油作为所述液体燃料介质。

按照本发明，所述燃料助剂可以为本领域常用的任何合适的燃料助剂，目的是为了使所述生物质流体燃料的分散性、流动性、稳定性、抗氧化性及燃烧性更好，具体可以为分散剂、稳定剂、抗氧化剂、降凝剂和助燃剂，更具体地，分散剂可以为木质素磺酸钠，稳定剂可以为季铵盐，抗氧化剂可以为2，6-二叔丁基对甲酚，降凝剂可以为聚丙烯酸酯，和助燃剂可以为氧化碳酸酯。所有这些燃料助剂可以单独或组合使用，且无论如何使用，所述燃料助剂在所述生物质流体燃料中的总含量均如上文所述，即基于所述生物质流体燃料重量计为0.5-3.0wt％，优选为0.8-2.0wt％，更优选为0.9-1.5wt％。

按照本发明，所述生物质原料一般经粉碎和筛分处理得到粒度小于或等于约150微米(约100目)、优选小于或等于约120微米(约120目)、更优选小于或等于约100微米(约150目)的生物质原料颗粒，粉碎一般通过机械设备如破碎机或粉碎机进行，而筛分则利用标准筛进行，以获得所需要的特定粒度范围的生物质原料颗粒。

按照本发明，如果所述生物质原料含水量过大，则一般预先干燥所述生物质原料，例如利用旋风等干燥机进行干燥，优选干燥至水含量低于15wt％，更优选低于10wt％，进一步优选低于5wt％，从而利于所述生物质原料后续的粉碎和筛分处理。

按照本发明，用于使所述粗混合物均化的高速剪切乳化设备可以为本领域常用的任何合适的高速剪切乳化设备，例如可以为胶体磨或高速绞碎机，该设备将所述生物质颗粒与所述液体燃料介质的粗混合物进一步剪切破碎使之细化和/或乳化，进而使之均化。

按照本发明，对于韧性较强的生物质原料例如纤维含量较高的生物质原料如酒糟渣，由于这类生物质原料通常不容易机械破碎到很细的粒度，因此在使所述粗混合物均化之前一般还使所述粗混合物经历碳化处理，以利于进一步破碎所述生物质原料颗粒。

具体地，经碳化处理后，生物质原料颗粒由于碳化变脆导致韧性变差和机械强度降低，从而易于在剪切力作用下进一步破碎成更细的颗粒。所述碳化反应一般在高速搅拌条件下进行，因此，所述粗混合物中的生物质原料颗粒在碳化过程中就可在一定程度上实现进一步细化。

此外，碳化反应过程中还产生生物质油，其中在高速搅拌及强对流作用下，强化了传质和传热过程，所产生的生物质油会分散到所述粗混合物中成为液体燃料介质，进一步降低了流体燃料的固含量，利于所述流体燃料的进一步均化，从而可以获得更为优质的生物质流体燃料。

按照本发明，所述粗混合物的碳化处理通常在常压和相对低温条件下在搅拌下进行，且碳化反应时间一般较短，具体地，所述温度可以为200-300℃，优选为215-290℃，更优选为250-280℃，所述碳化反应时间可以为1-10分钟，优选为2-7分钟，更优选为3-5分钟，并且此时可以通过控制碳化反应时间尽可能短，使生物质发生不完全碳化形成半焦性物质及部分生物质油，由于所述半焦性物质的韧性已经变差和机械强度已经降低，因此，已经可以实现进一步破碎所述生物质颗粒进而提高所述生物质流体燃料质量的目的。

按照本发明，在所述碳化反应过程中还产生一些生物质轻组分，可以收集这些生物质轻组分用作化工原料或燃料，例如该生物质轻组分可用作燃料为所述碳化过程提供热量，从而可至少部分实现所述碳化过程的热量自给。

按照本发明，所述粗混合物可以在现有技术中已有的任何合适的反应器中进行碳化，但优选为反应釜类反应器，进一步优选为带有搅拌桨的不锈钢反应釜。

优选地，按照本发明，使所述粗混合物在大气压下在带有搅拌桨的不锈钢反应釜中进行碳化，其中在搅拌条件下加热升温至215-290℃，优选加热升温至250-280℃，搅拌桨的转速为500-1500转/分，优选为800-1350转/分，更优选为1000-1200转/分，和所述粗混合物在所述反应釜内的停留时间为1-10分钟，优选为2-7分钟，更优选为3-5分钟。

按照本发明，所述生物质流体燃料可以利用广泛的生物质原料，特别是可以利用大量的生物质废弃物，这样就可以“变废为宝”，利于生物质能源的进一步发展，而且所述生物质流体燃料的制备工艺相对简单，所使用的设备也均为现有技术的常用设备，因此，容易进行工业放大，可连续生产，具备良好的产业化前景，进而为燃料市场提供了良好的代选燃料，例如可用于现代锅炉、工业窑炉、和汽轮机等。

附图说明

图1为本发明的由生物质原料制备生物质流体燃料的方法的一种实施方案的流程图；和

图2为本发明的由生物质原料制备生物质流体燃料的方法的另一种实施方案的流程图，其中在图1的实施方案的基础上进一步结合了碳化步骤。

具体实施方式

参照图1，本发明的由生物质原料制备生物质流体燃料的方法可以按照如下过程进行：

在干燥机中将生物质原料如木薯渣干燥至水含量低于10wt％，然后分别经破碎机和粉碎机进行粗粉碎和微粉碎以及经风机送入筛分器例如150目的标准筛进行筛分得到粒度小于或等于约100微米的生物质原料颗粒；

将所述生物质原料颗粒收集后与来自储液罐的液体燃料介质例如蒽油按规定比例例如1∶3在搅拌混合设备内搅拌混合形成粗混合物；和

将所述粗混合物加入高速剪切乳化设备如胶体磨或高速绞碎机中进行均化，并向其中加入燃料助剂例如分散剂和/或稳定剂等，其中所述燃料助剂的总含量基于所述生物质流体燃料重量计为0.9-1.5wt％，均化后获得的均相混合物即为生物质流体燃料，和所获得的生物质流体燃料在储运罐内储藏和进行运输。

参照图2，其中在图1的实施方案的基础上进一步结合了碳化步骤，具体地：

其中将干燥和筛分生物质原料获得的生物质颗粒(在此只进行了粗粉碎操作，这是由于后面结合了碳化步骤，因此粉碎要求略低)与液体燃料介质如蒽油按规定比例例如1∶3在搅拌混合设备内搅拌混合形成粗混合物后，将所述粗混合物加入作为碳化反应器的带有搅拌桨的不锈钢反应釜中，所述反应釜可以为带有蒸汽夹套的常压反应釜，其中在搅拌条件下加热升温至例如250-280℃，搅拌桨的转速为例如1000-1300转/分，和所述粗混合物在所述反应釜内的停留时间为例如1-5分钟；

然后，如上面针对图1所述，使从所述反应釜中采出的反应混合物进行均化及加入燃料助剂，以获得最终的生物质流体燃料，在此，在碳化过程中获得的生物质轻组分可用于为所述不锈钢反应釜提供热量，具体可用作加热锅炉的燃料以产生用于加热所述不锈钢反应釜的蒸汽，从而可至少部分实现本发明的碳化过程的热量自给。

通过如下实施例进一步描述本发明的方法，但所述实施例不用于限制本发明的范围。

实施例

实施例1利用木薯渣制备生物质流体燃料

将木薯渣干燥至水含量为8wt％以下，使用粉碎机对所述木薯渣进行破碎，破碎后进行筛分得到170目(90微米)以下的生物质原料颗粒400克；将所述生物质原料颗粒与液体燃料介质蒽油按4∶6的重量比进行混合形成粗混合物；将所述粗混合物加入到胶体磨中进行均化处理，同时向其中加入非离子型表面活性剂作为燃料助剂，所述非离子表面活性剂为吉米奇季铵盐1231，在此作为稳定剂使用，加入量为10克，均化后得到生物质流体燃料。

所述生物质流体燃料的稳定性测试表明其在24小时内无分层和不产生硬沉淀，进一步的性能测试表明所述生物质流体燃料具有较高热值及良好流动性，其性能参数如下表1所述。

表1、实施例1获得的生物质流体燃料的性能参数

性能参数	数值
		固含量(wt％)	40
密度(kg/l)	1.18
		运动粘度η(20℃，剪切率100·s-1)MPa·s	570
热值Q(kcal/kg)	6917
		燃烧后灰分量(wt％)	0.39

实施例2利用酒糟渣制备生物质流体燃料

将酒糟渣干燥至水含量为6wt％以下，使用粉碎机对所述酒糟渣进行破碎，破碎后进行筛分得到100目(150微米)以下的生物质原料颗粒200克；将所述生物质原料颗粒与液体燃料介质蒽油按1∶1的重量比进行混合形成粗混合物；将所述粗混合物加入到体积为2升的带有蒸汽夹套的常压不锈钢反应釜中，其中在搅拌条件下加热升温至例如250-280℃，搅拌桨的转速为1000转/分，和碳化反应时间为5分钟，以得到反应混合物；将所述反应混合物在胶体磨中进行均化处理，同时向其中加入阳离子型表面活性剂作为燃料助剂，所述阳离子表面活性剂为司班80，在此作为稳定剂使用，加入量为3克，均化后得到生物质流体燃料。

所述生物质流体燃料的稳定性测试表明其在24小时内无分层和不产生硬沉淀，进一步的性能测试表明所述生物质流体燃料具有较高热值及良好流动性，其性能参数如下表2所述。

表2、实施例2获得的生物质流体燃料的性能参数

性能参数	数值
		固体颗粒粒度(μm)	28
固含量(wt％)	34.6
		密度(kg/l)	1.24
运动粘度η(50℃，剪切率100·s-1)MPa·s	860
		热值Q(kcal/kg)	8715
燃烧后灰分量(wt％)	4.48

Claims (26)

1.一种生物质流体燃料，该生物质流体燃料包含分散于液体燃料介质中的生物质原料颗粒和燃料助剂，其中所述生物质原料颗粒的粒度小于或等于150微米，所述生物质原料颗粒与所述液体燃料介质的重量比为1:3至1:1，所述燃料助剂的总含量基于所述生物质流体燃料重量计为0.5-3.0wt%，和所述液体燃料介质选自重油、煤焦油、重油组分和煤焦油组分。

2.权利要求1的生物质流体燃料，其中所述生物质原料颗粒的粒径小于或等于120微米，所述生物质原料颗粒与所述液体燃料介质的重量比为1:1，和所述燃料助剂的总含量基于所述生物质流体燃料重量计为0.8-2.0wt%。

3.权利要求2的生物质流体燃料，其中所述生物质原料颗粒的粒径小于或等于100微米，和所述燃料助剂的总含量基于所述生物质流体燃料重量计为0.9-1.5wt%。

4.权利要求1-3任一项的生物质流体燃料，其中所述生物质原料为选自甘蔗渣、酒糟渣、木薯渣、稻草、麦秆、豆秆、棉秆、玉米秆、玉米芯、落叶及木屑的生物质废弃物。

5.权利要求1-3任一项的生物质流体燃料，其中所述液体燃料介质选自蒽油和洗油。

6.权利要求1-3任一项的生物质流体燃料，其中所述燃料助剂选自分散剂、稳定剂、抗氧化剂、降凝剂和助燃剂。

7.一种制备生物质流体燃料的方法，该方法包括如下步骤：

粉碎生物质原料并进行筛分，以获得粒度小于或等于150微米的生物质原料颗粒；

使所述生物质原料颗粒与液体燃料介质混合形成粗混合物，其中所述生物质原料颗粒与所述液体燃料介质的重量比为1:3至1:1，和所述液体燃料介质选自重油、煤焦油、重油组分和煤焦油组分；

使所述粗混合物均化并向其中加入燃料助剂，其中所述燃料助剂的总含量基于所述生物质流体燃料重量计为0.5-3.0wt%，和其中利用高速剪切乳化设备进行均化，以获得均相混合物作为生物质流体燃料。

8.权利要求7的方法，其中在粉碎和筛分步骤中获得粒度小于或等于120微米的生物质原料颗粒，在混合步骤中所述生物质原料颗粒与所述液体燃料介质的重量比为1:1，和均化步骤中加入的燃料助剂的总含量基于所述生物质流体燃料重量计为0.8-2.0wt%。

9.权利要求8的方法，其中在粉碎和筛分步骤中获得粒度小于或等于100微米的生物质原料颗粒，和均化步骤中加入的燃料助剂的总含量基于所述生物质流体燃料重量计为0.9-1.5wt%。

10.权利要求7-9任一项的方法，其中所述生物质原料为选自甘蔗渣、酒糟渣、木薯渣、稻草、麦秆、豆秆、棉秆、玉米秆、玉米芯、落叶及木屑的生物质废弃物。

11.权利要求7-9任一项的方法，其中所述液体燃料介质选自蒽油和洗油。

12.权利要求7-9任一项的方法，其中所述燃料助剂选自分散剂、稳定剂、抗氧化剂、降凝剂和助燃剂。

13.权利要求7-9任一项的方法，其中在粉碎和筛分之前将所述生物质原料预先干燥至水含量低于15wt%。

14.权利要求13的方法，其中在粉碎和筛分之前将所述生物质原料预先干燥至水含量低于10wt%。

15.权利要求14的方法，其中在粉碎和筛分之前将所述生物质原料预先干燥至水含量低于5wt%。

16.权利要求7-9任一项的方法，其中用于使所述粗混合物均化的高速剪切乳化设备选自胶体磨和高速绞碎机。

17.权利要求7-9任一项的方法，对于纤维含量较高的生物质原料，其中还包括在使所述粗混合物均化之前使所述粗混合物在大气压下在带有搅拌桨的不锈钢反应釜中进行碳化的步骤，其中在搅拌条件下加热升温至215-290℃，和搅拌桨的转速为500-1500转/分。

18.权利要求17的方法，其中在碳化步骤中在搅拌条件下加热升温至250-280℃，和搅拌桨的转速为800-1350转/分。

19.权利要求17的方法，其中所述粗混合物在所述反应釜内的停留时间为1-10分钟。

20.权利要求18的方法，其中所述粗混合物在所述反应釜内的停留时间为1-10分钟。

21.权利要求17的方法，其中所述粗混合物在所述反应釜内的停留时间为3-5分钟。

22.权利要求18的方法，其中所述粗混合物在所述反应釜内的停留时间为3-5分钟。

23.权利要求19的方法，还包括收集碳化过程中产生的生物质轻组分，该生物质轻组分用作燃料为所述碳化过程提供热量。

24.权利要求20的方法，还包括收集碳化过程中产生的生物质轻组分，该生物质轻组分用作燃料为所述碳化过程提供热量。

25.权利要求21的方法，还包括收集碳化过程中产生的生物质轻组分，该生物质轻组分用作燃料为所述碳化过程提供热量。

26.权利要求22的方法，还包括收集碳化过程中产生的生物质轻组分，该生物质轻组分用作燃料为所述碳化过程提供热量。

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