CN104263390A

CN104263390A - 一种海藻与水生外来入侵植物协同微波热解多联产利用的方法

Info

Publication number: CN104263390A
Application number: CN201410485977.7A
Authority: CN
Inventors: 徐姗楠; 王爽; 刘永
Original assignee: South China Sea Fisheries Research Institute Chinese Academy Fishery Sciences
Current assignee: South China Sea Fisheries Research Institute Chinese Academy Fishery Sciences
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2034-09-22
Also published as: CN104263390B

Abstract

本发明公开了一种海藻与水生外来入侵植物协同微波热解多联产利用的方法，包括以下步骤：(1)收集海藻、水生外来入侵植物干燥，切割或粉碎后再筛分，进入微波热解装置，进行混合搅拌，调节微波功率蒸发水分；(2)水分蒸发后，停止混合搅拌装置，将温度控制在450～600℃，反应时间在10～20min，微波辐射频率为2450MHz，功率为0～750W连续可调，进行微波高温热解处理；(3)微波热解产生的混合油气经过冷却后再送入分离装置，分离装置将混合油气分离为生物油、燃气和飞灰；其中生物油产率为30～60％，可燃气回收率为10～20％，焦炭产率为30～50％，实现了生物油、可燃气和焦炭三相多联产。

Description

一种海藻与水生外来入侵植物协同微波热解多联产利用的方法

技术领域

本发明属于海藻与水生外来入侵植物回收利用技术领域，具体涉及一种海藻与水生外来入侵植物协同微波热解多联产利用的方法。

背景技术

化石资源短缺和环境污染是当今经济和社会发展所面临和必须解决的两大问题。一方面，有限的化石资源日趋耗尽，石油短缺和价格上涨已经成为制约全球经济发展的重要因素之一；另一方面，化石资源利用造成严重的环境污染，并可能导致全球变暖和灾害性气候频发等系列问题，由此造成每年数千亿美元的损失。上述危机已经引起全球有识之士的关注和思考，许多国家纷纷投入巨资积极开展相关研发工作，生物质能的开发就是其中一项重要的组成部分。利用油料作物生产生物柴油和利用淀粉作物生产燃料乙醇是当前全球生物质能产业化开发的重要内容。一方面，由于目前的生物质能开发主要以农作物为原料，导致了与粮食、耕地、水等资源竞争的局面；另一方面，上述原料的发展空间有限，难以满足未来市场的需求。海藻与入侵植物的混合生物质能的开发为解决上述问题提供了一条可能有效的出路。

海藻是海洋生态系统中的一类重要生物类群，在维护大气(CO₂/O₂)平衡以及维持食物链结构方面具有举足轻重的地位。生物每年通过光合作用可固定8×10¹⁰t碳，生产1.46×10¹¹t的生物质，其中40％应归功于藻类的光合作用。海藻的环境适应能力强、生长周期短；海藻养殖可以在广大的海面上进行，不需要水资源与土地的投入，其养殖过程可以实现自动化控制；海洋每年能提供非常丰富的藻类生物量；种类繁多，各类海藻生长季节不单一，可以交替大量繁殖，保证全年资源充足。天然状态下，大型褐藻类(如海带、裙带菜、马尾藻等)的生产力是每年每平方米生产3300～11300g的干物质。红藻的生产力与褐藻相当。养殖条件下海藻的生产力较高，养殖的海带7个月的时间每平方米海面生产15000g干物质(每公顷150吨)。同时一些海藻的自我生长繁殖能力也极其旺盛。大规模栽培海藻改善海洋富营养化环境后，所收获的大量海藻生物质可以通过热解技术将其转化为焦炭、生物油和合成气等多种燃料形式，生产可再生生物质能源，既减轻了近海海洋环境污染问题，又可为社会提供丰富的燃料资源，可谓一举两得。

外来入侵植物是从其原生地，借助人为或自然力进入新栖息地，并在新栖息地失去控制而爆发性扩散，造成农林牧渔减产，生物多样性下降，生态系统稳定性下降等危害的植物。我国每年由外来种入侵造成的经济损失超过1198.76亿元，占到国内生产总值1.36％，仅用于打捞凤眼莲的费用就超过1亿元。能够成功入侵的水生外来物种，往往具有先天的竞争优势，它们有很强的营养繁殖能力，如凤眼莲(Eichhornia crassipes)；或能很快适应不同的生境，如空心莲子草(Alternanthera philoxeroides)；一旦在新的滋生地摆脱了人为的控制和天敌的制约，就会出现爆发性的疯长，排挤本土物种并形成单一优势种群，最终导致滋生地物种多样性、遗传多样性的丧失，如互花米草(Spartinaalterniflora)、大米草(Spartina anglica)等。高效的光合作用与高生产力、高贮能、生物量巨大使得水生外来入侵植物资源成为一种特殊的生物质能源植物，将水生外来入侵植物进行生物质能开发也是控制其恶性扩张造成生态危害的有效办法。

将海藻或水生外来入侵植物分别作为生物质能源原料均有报道。王爽等研究了海藻热解制备生物油的方法(Wang S,Wang Q,Jiang X M,et al.Compositional analysis of bio-oil derived from pyrolysis of seaweed[J].EnergyConversion and Management,2013,68:273-280.)王小娟(2013)报道了凤眼莲与低阶煤低温共热解转化研究(武汉科技大学，硕士学位论文，2013)。陈慧清(2006)报道了大米草水解液发酵生产生物柴油和燃料乙醇的初步研究(西南交通大学，硕士学位论文，2006)。互花米草厌氧生物转化的试验研究也有初步报道(陈广银等，中国环境科学，2009，29(8)：861-866.杨世关等，2008，农业工程学报，2008,24(5)：196-199.)人们已经意识到水生入侵植物的能源利用可行性，但并未针对性最大限度地根据其特性进行转化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海藻与水生外来入侵植物协同微波热解多联产利用的方法，该方法可以将海藻和水生外来入侵植物协同微波热解，能产生大量的可回收利用的生物油、可燃气和焦炭，达到多联产利用。

本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的：一种海藻与水生外来入侵植物协同微波热解多联产利用的方法，包括以下步骤：

(1)收集海藻、水生外来入侵植物干燥至恒重，切割或粉碎后再筛分收集长度或直径小于10mm的颗粒，按质量比1～3:1进入微波热解装置，同时进行混合搅拌，通过调节微波功率使温度上升至100℃，用以蒸发水分1-2小时；

(2)水分蒸发阶段结束后，停止微波热解反应器中的混合搅拌装置，提高微波辐射功率，将温度控制在450～600℃，反应时间在10～20min，微波辐射频率为2450MHz，功率为0～750W连续可调，进行微波高温热解处理；

(3)微波热解产生的混合油气经过冷却至0-零下10度后再送入分离装置，分离装置将混合油气分离为生物油、可燃气和焦炭；其中生物油产率为30～60％，可燃气回收率为10～20％，焦炭产率为30～50％，实现了生物油、可燃气和焦炭三相多联产。

本发明通过将海藻和水生外来入侵植物协同微波热解而实现多联产利用的方法，此类方法未见研究报道。除了协同热解产生品质较好的生物油外，还有较高产量的焦炭和可燃不凝气(可燃气)收集加以利用。不同于只是为了生产生物油，还需处理残留的焦炭与可燃气，本发明中三者都是高经济值的产物，协同微波热解能达到较优的多联产效果。

同时，本发明考虑到海藻与入侵类水生类生物质各自特征采用微波混合热解，并采用特定的比例与工况，能够最大化达到三相优化产物，同时微波热解后的焦炭也具有较好的活性较高经济型。

在上述海藻与水生外来入侵植物协同微波热解多联产利用的方法中：

步骤(1)中所述的海藻为绿藻门、红藻门或褐藻门海藻。

所述的海藻为浒苔、石莼、裙带菜、江蓠、紫菜、海带、马尾藻或巨藻。

步骤(1)中所述的水生外来入侵植物为禾本科、豆科、苋科或雨久花科植物。

所述的水生外来入侵植物为凤眼莲、空心莲子草、互花米草或大米草。

步骤(1)中收集海藻、水生外来入侵植物干燥至恒重，切割或粉碎成长度或直径小于50mm的颗粒后再筛分收集长度或直径小于10mm的颗粒。

步骤(1)中海藻、水生外来入侵植物分别由螺旋输送机双向送料，按质量比2:1进入微波热解装置。

步骤(3)中所述的分离装置为固、液、气三相分离装置。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)资源优化利用，我国陆上生物质资源相对分散紧缺，海藻资源丰富，水生外来入侵植物危害严重，亟需有效控制办法，两者混合使用符合我国国情；

(2)节约能源消耗，海藻与水生外来入侵植物协同热解时，蒸发水分与热解分阶段同时在微波热解装置内进行，并非常规的干燥脱离于微波热解；同时海藻会释放能量，而外来入侵植物能够吸收能量，两者互相耦合能量，可节省微波热量的供给；

(3)微波热解与常规热解比较，热解速度快，效率高；穿透性好，特别适合两种物料混合热解，同时对大尺寸物体(海藻)的热解也极为方便和均匀；同时微波热解对焦炭的物理特性损失也最小，便于得到最佳的焦炭；

(4)海藻与水生外来入侵植物生物质元素组成方面具有互补作用，海藻生物质灰分高，本身含有大量无机盐，对外来入侵植物的热解过程具有催化作用；

(5)水生外来入侵植物含氧量较高，单独利用其生产的生物油含氧量较高，而海藻含氧量相对较低，能够有效减少混合制油的氧含量，提高生物油的品质；

(6)海藻产生的可燃气含氢气和甲烷等高热值气，海藻和互米花草等共热解生成的焦炭孔隙率较大(尤其海藻的焦炭孔隙率较大)，可用于吸附剂、水泥等多种高产值利用。

附图说明

图1为本发明海藻与水生外来入侵植物协同微波热解多联产利用的流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的海藻与水生外来入侵植物协同微波热解多联产利用的方法，包括以下步骤：

(1)选择浒苔和空心莲子草花进行协同微波热解；

(2)两种原料经过干燥至恒重后，粉碎、筛分，收集长度为8mm的颗粒，分别由螺旋输送机双向送料，按质量比1:1进入微波热解装置，同时进行混合搅拌，通过调节微波功率使温度上升至100℃，用以蒸发水分1小时；

(3)水发蒸发阶段结束后，停止微波热解反应器中的混合搅拌装置，提高微波辐射功率，将油、气、炭多联产的最佳温度控制在450～600℃，反应时间在10～20min，微波辐射频率为2450MHz，功率为0～750W连续可调；

(4)热解产生的混合油气经过冷却装置冷却至0-零下10度后再送入分离装置，分离装置为固、液、气三相分离装置，分离装置将混合油气分离为生物油、可燃气和焦炭，得到的生物油送入储罐储存，焦炭进行收集。液相油产率可以达到35％左右，焦炭产率45％左右，可燃气为20％左右。

实施例2

(1)选择马尾藻和互花米草进行协同微波热解；

(2)两种原料经过干燥至恒重后，粉碎、筛分，收集长度为5mm的颗粒，分别由螺旋输送机双向送料，按质量比2:1进入微波热解装置，经过两者的热解热重试验分析可知，该比例能协同热解达到三相产物最佳，且此时微波耗能最小，同时进行混合搅拌，通过调节微波功率使温度上升至100℃，用以蒸发水分1.5小时；

(4)热解产生的混合油气经过冷却装置冷却至0-零下10度后再送入分离装置，分离装置将混合油气分离为生物油、可燃气和飞灰，得到的生物油送入储罐储存，焦炭进行收集，液相油产率可以达到40％左右，焦炭产率35％左右，可燃气为25％左右。

实施例3

(1)选择龙须菜和凤眼莲进行协同微波热解；

(2)两种原料经过干燥至恒重后，粉碎、筛分，收集长度为1mm的颗粒，分别由螺旋输送机双向送料，按质量比3:1进入微波热解装置，同时进行混合搅拌，通过调节微波功率使温度上升至100℃，用以蒸发水分2小时；

(4)热解产生的混合油气经过冷却装置冷却至0-零下10度后再送入分离装置，分离装置将混合油气分离为生物油、可燃气和飞灰，得到的生物油送入储罐储存，进行收集，液相油产率可以达到40％左右，焦炭产率48％左右，可燃气为12％左右。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims

1.一种海藻与水生外来入侵植物协同微波热解多联产利用的方法，其特征是包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的海藻与水生外来入侵植物协同微波热解多联产利用的方法，其特征是：步骤(1)中所述的海藻为绿藻门、红藻门或褐藻门海藻。

3.根据权利要求2所述的海藻与水生外来入侵植物协同微波热解多联产利用的方法，其特征是：所述的海藻为浒苔、石莼、裙带菜、江蓠、紫菜、海带、马尾藻或巨藻。

4.根据权利要求1所述的海藻与水生外来入侵植物协同微波热解多联产利用的方法，其特征是：步骤(1)中所述的水生外来入侵植物为禾本科、豆科、苋科或雨久花科植物。

5.根据权利要求4所述的海藻与水生外来入侵植物协同微波热解多联产利用的方法，其特征是：所述的水生外来入侵植物为凤眼莲、空心莲子草、互花米草或大米草。

6.根据权利要求1所述的海藻与水生外来入侵植物协同微波热解多联产利用的方法，其特征是：步骤(1)中收集海藻、水生外来入侵植物干燥至恒重，切割或粉碎成长度或直径小于50mm的颗粒后再筛分收集长度或直径小于10mm的颗粒。

7.根据权利要求1所述的海藻与水生外来入侵植物协同微波热解多联产利用的方法，其特征是：步骤(1)中海藻、水生外来入侵植物分别由螺旋输送机双向送料，按质量比2:1进入微波热解装置。

8.根据权利要求1所述的海藻与水生外来入侵植物协同微波热解多联产利用的方法，其特征是：步骤(3)中所述的分离装置为固、液、气三相分离装置。