CN108342213B - 一种利用生物质制备纳米炭球的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用生物质制备纳米炭球的装置及方法，其中制备方法包括如下步骤：S1.将生物质热解，收集热解后挥发份冷凝得到的生物油；S2.将S1得到的生物油进行油水分离处理，得到油相组分；S3.在惰性气氛下，将S2得到的油相组分以液滴或雾滴状连续注入热解炉中热解，热解完成后在惰性气氛下冷却，收集固体产物即为纳米炭球；制备装置包括依次设置的生物质热解装置、油水分离装置及油相组分热解装置。有益效果为，本发明提出了一种全新的生物油利用技术方案和全新的纳米炭球材料制备方法，可实现生物油高值化利用，原料为价廉易得的可再生资源；产率高，产率可达生物油油相组分的40wt％，成本低，效益高。

Description

一种利用生物质制备纳米炭球的装置及方法
技术领域
本发明属于生物质能利用领域，具体涉及一种利用生物质制备纳米炭球的装置及方法。
背景技术
生物质是唯一含碳的可再生资源，具有清洁、可再生、分布广泛和碳中性等特点，具有替代化石能源的应用前景。开发生物质能利用技术有利于优化我国能源供应结构和缓解日益严峻的环境问题。
生物质具有原料分散、收集半径小、运输存储成本高的特点，利用热解技术可以把生物质转化为生物质裂解油(生物油)、燃气和生物质焦，实现原料95％的利用率。快速热解制备生物油是一种十分有前景的生物质利用方式。生物油能量密度高(通常可达生物质能量密度的10倍)，便于运输和存储。生物油用途广泛，例如，生物油可以通过锅炉直接燃烧用于供热或发电；通过气化炉气化或水蒸汽重整制取合成气或富氢燃料；通过催化裂解或催化加氢制备生物燃油。然而，生物油转化利用的大多数工艺都包含对生物油的热处理。由于生物油成分复杂，含氧量高、粘度高、热稳定性差，受热时极易发生聚合反应，导致生物油平均分子量增大和粘度增加，并伴有焦炭产生，积碳是生物油热转化利用中所面临的重要挑战。例如，在生物油催化裂解或加氢提质过程中，积碳的形成会堵塞反应器，覆盖催化剂活性位或填充催化剂孔道结构而使催化剂失活；在生物质气化反应系统下游，积碳或结焦容易堵塞管道，造成运行事故，增加维护成本。在燃烧过程中，生物油在进入锅炉燃烧前聚合形成的积碳会造成喷嘴堵塞等问题。显然，生物油受热过程中积碳问题是阻碍生物油规模化利用的瓶颈之一。
然而，生物油受热产生焦炭是一种难以避免的反应，大量研究与工艺都致力于解决生物油的结焦问题，但由于技术难度大，成本高，商业化难度较大。如将生物油结焦特性作为一种可利用的有益特性，正确利用生物油的结焦特性以制备炭材料，是一种全新的技术路线，可避免抑制结焦的难题，亦可实现生物油的高值化利用。
发明内容
本发明提供一种利用生物质制备纳米炭球的装置及方法，旨在利用生物油易结焦的特性，开发出一种制备纳米炭球的新方法及相应的装置。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种利用生物质制备纳米炭球的方法，其包括如下步骤：
S1.将生物质热解，收集热解后挥发份，冷凝得到生物油；
S2.将S1得到生物油进行油水分离处理，得到油相组分；
S3.在惰性气氛下，将S2得到的油相组分以液滴或雾滴状连续注入热解炉中在800-900℃下热解，热解完成后在惰性气氛下冷却，收集固体产物即为纳米炭球。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下进一步的具体选择。
具体的，S1中生物质热解的热解温度为450-550℃。
具体的，S2中的油水分离处理是指以有机溶剂萃取生物油中的油相组分，分液后蒸馏去除有机溶剂，即得所述油相组分。
具体的，所述有机溶剂为石油醚且蒸馏时的温度为45-50℃。
具体的，S2中油相组分的含水量在0.1wt％以下。
具体的，S3中的液滴或雾滴直径为小于1mm。
具体的，S3中的惰性气氛是指以氮气或氦气将热解炉内的空气排出。
此外，本发明还提供了一种以上述方法制备纳米炭球的装置，其包括依次设置的生物质热解装置、油水分离装置及油相组分热解装置。
具体的，所述油相组分热解装置包括依次连通的原料注入装置、热解炉和尾气处理装置，所述热解炉与惰性气体储罐连通。
具体的，所述原料注入装置为注射泵或雾化器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提出了一种全新的生物油利用技术方案，仅需将生物油油水分离得油相组分，然后在惰性气氛下快速热解，即可实现生物油高值化利用。
2.本发明提出了一种全新的纳米炭球材料制备方法，原料为清洁可再生的生物油，简单易得；制备流程简便。
3.本发明的纳米炭球材料产率高，收率可达生物油油相组分的40wt％，成本低，效益高。
附图说明
图1为本发明提供的一种利用生物质制备纳米炭球的方法的流程示意图；
图2为本发明实施例1制备的纳米炭球的扫描电镜图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明提供一种利用生物质制备纳米炭球的方法，其包括如下步骤：
S1.将生物质热解，收集热解后冷凝得到的生物油；
S2.将S1得到生物油进行油水分离处理，得到油相组分；
S3.在惰性气氛下，将S2得到的油相组分以液滴或雾滴状连续注入热解炉中在800-900℃下热解，热解完成后在惰性气氛下冷却，收集固体产物即为纳米炭球。
需要说明的是，S1的生物质热解制备生物油的过程中，同时还可以收获半焦及热解气等产品，生物质热解制备生物油时优选的热解温度为500℃左右，此时生物油的产率最高，生物质在500℃左右热解后，挥发份应迅速冷凝转变为生物油，以防止挥发份的二次裂解；S2的油水分离过程中，有机溶剂优选采用低沸点的非极性有机溶剂，萃取后，使用分液装置将油相组分与水相组分分离开，油相组分使用分馏装置在45℃左右蒸发，蒸发的有机溶剂冷凝后可循环利用，蒸除有机溶剂后留下的组分即为油相组分，将生物油的水相组分与油相组分分离之后，在高温下热解时，可避免水分的存在导致的自气化反应，避免生成的炭球被水蒸气消耗。而生物油中的芳香族化合物(焦炭的重要前驱体)绝大部分富集在油相组分中，单独使用油相组分制备纳米炭球不会由于分离导致此工艺中的原料利用率降低；S3中油相组分以微小的液滴或雾滴形式连续注入热解炉，可提高样品的升温速率，加强二次反应生成炭球并有效降低炭球的尺寸，温度控制在800-900℃即可提高炭球产率，又可避免过高温度导致炭球热分解。
实施例1
一种利用生物质制备纳米炭球的方法，其包括如下步骤：
S1.将干燥的玉米芯投入500℃的热解炉中热解，收集热解后冷凝得到的生物油，其含水量为15-18wt％；
S2.向S1得到生物油中加入等体积的石油醚进行萃取，静置分层后分液，分离得到的有机部分在45℃的条件下蒸馏并冷凝回收石油醚，蒸馏后剩下的即为油相组分，油相组分的含水量为0.05-0.1wt％；
S3.在惰性气氛下，将S2得到的油相组分以雾滴状(直径约10-30μm)连续注入热解炉中，热解炉内的温度控制在850℃下热解，热解完成后在惰性气氛下冷却，收集固体产物即为纳米炭球。收集到的纳米炭球的质量约为注入热解炉中的油相组分质量的40％；得到的纳米炭球的扫描电镜图片如图2所示，其粒径相对较为均一，绝大部分的粒径在500-900nm。
实施例2
一种利用生物质制备纳米炭球的方法，其包括如下步骤：
S1.将干燥的稻草秸杆投入550℃的热解炉中热解，收集热解后冷凝得到的生物油，其含水量为20-30wt％；
S2.向S1得到生物油中加入等体积的石油醚进行萃取，静置分层后分液，分离得到的有机部分在45℃的条件下蒸馏并冷凝回收石油醚，蒸馏后剩下的即为油相组分，油相组分的含水量为0.04-0.06wt％；
S3.在惰性气氛下，将S2得到的油相组分以液滴状(直径约100-200μm)连续注入热解炉中，热解炉内的温度控制在900℃下热解，热解完成后在惰性气氛下冷却，收集固体产物即为纳米炭球。收集到的纳米炭球的质量约为注入热解炉中的油相组分质量的35％。
由以上实施例可知，本发明提供的方法可利用生物质有效的制备高附加值的纳米炭球，产率高，生产成本低。
此外，本发明还提供了与上述制备方法相对应的利用生物质制备纳米炭球的装置，具体包括依次设置的生物质热解装置、油水分离装置及油相组分热解装置，其中生物质热解装置及油水分离装置为本领域技术人员熟悉的生产装置，其作用分别为制备出生物油及使生物油油水分离得到油相组分，油相组份热解装置具体包括依次连接的注射泵(或雾化器)、热解炉及尾气处理装置，注射泵可将油相组分以雾状或微小液滴状连续注入热解炉中(通过细针管或雾化喷头实现)，热解炉可稳定提供800-900℃的热解高温，尾气处理装置可冷凝分离出尾气中的焦油及热解气，热解炉还连通有惰性气体储罐以保证热解炉内的惰性气氛。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用生物质制备纳米炭球的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将生物质热解，收集热解后挥发份冷凝得到的生物油；
S2.将S1得到的生物油进行油水分离处理，得到油相组分；
S3.在惰性气氛下，将S2得到的油相组分以液滴或雾滴状连续注入热解炉中在800-900℃下热解，热解完成后在惰性气氛下冷却，收集固体产物即为纳米炭球；
S2中的油水分离处理是指以非极性有机溶剂萃取生物油中的油相组分，分液后蒸馏去除有机溶剂，即得所述油相组分，S2中油相组分的含水量在0.1wt％以下，所述有机溶剂为石油醚且蒸馏时的温度为45-50℃，S3中的液滴或雾滴直径为小于1mm。
2.根据权利要求1所述的一种利用生物质制备纳米炭球的方法，其特征在于，S1中生物质热解的热解温度为450-550℃。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用生物质制备纳米炭球的方法，其特征在于，S3中的惰性气氛是指以氮气或氦气将热解炉内的空气排出。
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