CN111057570A - 一种用于制备生物燃料的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于制备生物燃料的系统及方法，所述方法为将从空气中固定的二氧化碳、超纯水在酵母菌和酶作用下生成含有短链脂肪酸溶液；在所述含有短链脂肪酸溶液加入甲醇，在所述甲醇的参与下，生成长链脂肪酸；所述长链脂肪酸经羧酸还原和醛的还原反应，生成烷烃，所述烷烃与燃料混合得到生物燃料。所述系统包括二氧化碳固定和短链脂肪酸合成装置、长链脂肪酸生成装置、脂肪酸还原和烷烃生成装置以及稳定化装置。本发明实施例将空气中的二氧化碳加以回收和固定，并将其注入水中，水中的氢离子加以活用，制成与燃料油相似的长链(C₁₅以上)的烷烃，达到削减二氧化碳的目的，降低温室效应的发生。

Description

一种用于制备生物燃料的系统及方法

技术领域

本发明实施例涉及新能源制备技术领域，具体涉及一种用于制备生物燃料的系统及方法。

背景技术

近年来，化石燃料的大量燃烧排出二氧化碳，而大量二氧化碳造成温室效应，成为了地球大气升温的主要原因。另外，从化石燃料的有限性来看，随着经济的发展伴随的资源消耗量的增加，也带来了资源价格的升高，同时加速了资源枯竭化的进程。

作为火力发电能源的煤炭，天然气和化石燃料等的使用，化石燃料的使用比例较高，因此，从各方面着手开发降低化石燃料成本的技术，并使之产业化。其中之一，在某些领域，在燃油中分散性溶入油水乳液的燃料已经被实用化。近年来，在油和水中加入催化剂形成混合物，然后经过特殊装置把油料做成加水燃料的方法被提出来。这些方法制备的染料，其发热量低于原料油，还需要补充燃料来维持，整体看并不能达到削减燃料费的目的。此外，现有技术中还出现了用植物油精炼叫做BDF的燃料技术，带来了植物原料价格的高涨，仍然没有取代传统染料，作为一般燃料使用的目的。

伴随化石燃料燃烧消耗，二氧化碳排放带来的温室效应已成为大气升温的要原因，如何开发一种利用二氧化碳制备生物燃料的方法及系统，已经成为亟待解决的技术问题。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种用于制备生物燃料的系统及方法，以解决现有技术中大量使用化石燃料燃烧，排放二氧化碳导致温室效应的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种制备生物燃料的方法，其包括以下步骤：

将从空气中固定的二氧化碳、超纯水在酵母菌和酶作用下生成含有碳酸、短链脂肪酸溶液；

在所述含有碳酸、短链脂肪酸溶液加入甲醇，在所述甲醇的参与下，生成长链脂肪酸；

所述长链脂肪酸经羧酸还原和醛的还原反应，生成烷烃，所述烷烃与燃料混合得到生物燃料。

优选的，所述二氧化碳是通过金属吸收固定于反应溶液中。

优选的，所述长链脂肪酸在金属和酶的作用下发生还原反应得到烷烃。

优选的，所述烷烃生成反应过程中，反应温度为15℃到40℃。

本发明实施例提供一种用上述所述的方法制备生物燃料的系统，其包括二氧化碳固定和短链脂肪酸合成装置、长链脂肪酸生成装置、脂肪酸还原和烷烃生成装置以及稳定化装置；其中，所述二氧化碳固定和短链脂肪酸合成装置与所述长链脂肪酸生成装置双向连通，所述长链脂肪酸生成装置与所述脂肪酸还原和烷烃生成装置连接，所述脂肪酸还原和烷烃生成装置与稳定化装置连接。

优选的，所述二氧化碳固定和短链脂肪酸合成装置还与超纯水制备装置、酵母菌及酶制备装置以及二氧化碳收集装置连接。

优选的，所述长链脂肪酸生成装置还与醇供给装置连接。

优选的，所述系统还包括原料油供给装置，所述原料油供给装置与所述脂肪酸还原和烷烃生成装置连接。

优选的，所述稳定化装置包括油水分离装置、生物计量装置以及生物燃料储备装置；

所述油水分离装置分别与所述脂肪酸还原和烷烃生成装置、所述生物计量装置连接；

所述生物计量装置与所述生物燃料储备装置连接。

优选的，所述二氧化碳固定和短链脂肪酸生成装置、长链脂肪酸生成装置、脂肪酸还原和烷烃生成装置，以及稳定化装置均设置为内部反应层和外部保温层的双层保温结构；

所述外部保温层为加热层；

所述二氧化碳固定和短链脂肪酸生成装置、长链脂肪酸生成装置、脂肪酸还原和烷烃生成装置，以及稳定化装置采用含铁材质制成。

本发明实施例中，所处理的原料油为：煤油，柴油，燃料油，上述原料油经本发明实施例的系统和方法处理后，生产制备得到生物煤油，生物柴油，生物燃料油等生物燃料制品。

本发明实施例具有如下优点：

本发明实施例将空气中的二氧化碳加以回收和固定，并将其注入水中，水中的氢离子加以活用，制成与燃料油相似的长链(C₁₅以上)的烷烃，达到削减二氧化碳的目的，降低温室效应的发生。其依靠长键脂肪酸得到的烷烃而制成的合成燃料。本发明实施例将空气中溶于水中的二氧化碳和水中的氢离子相结合，形成长链性的烷烃(C₁₅以上)的燃料油组分，其结果是使生成额烷烃和燃料油相结合，成为使燃料油的燃料油增量。解决了新的能源的制造，同时有助于环境保护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的二氧化碳固定和短链脂肪酸生成装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的脂肪酸的还原过程；

图3为本发明实施例提供的用于制备生物燃料的系统的处理过程示意图；

图4为本发明实施例提供的用于制备生物燃料的系统组成示意图；

图中：100-二氧化碳固定和短链脂肪酸生成装置；110-超纯水制备装置；120-酵母菌及酶制备装置；130-二氧化碳收集装置；200-长链脂肪酸生成装置；210-醇供给装置；300-脂肪酸还原和烷烃生成装置；310-原料油供给装置。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1、以水和二氧化碳为基础利用烷烃制造的生物燃料的方法

本发明实施例以水和二氧化碳为原料，利用烷烃制造的生物燃料，把空气中的二氧化碳和水反应制成烷烃，使原料油增量。

如图1所示，从空气中制取二氧化碳CO₂，从水中制取氢气H₂，把酵母菌、酶作主体的催化剂和碳酸进行同化反应，生成碳酸铁水溶液，同时在酶和酵母菌液的作用下，生成短链脂肪酸，再由短链脂肪酸合成出长链脂肪酸。如图1所示，其发生的化学反应式如下：

CO₂+H₂O→H₂CO₃

Fe+H₂O+CO₂→FeCO₃+H₂

如图2所示，合成出的长链脂肪酸在酶的作用下发生醛还原和烷烃还原，生成烷烃，即为燃料油的组分，与作为原料油相混合。把水活性化使氢元素的分离变得容易，分离出的氢离子和增量的增碳合成物由于催化剂的作用，合成出原始目的与原始燃料相当的长链脂肪酸(C₁₅-C₁₈)。长链脂肪酸根据酶作用，发生醛的还原反应，由于活性水作用出现长链脂肪酸，烷烃还原，进而出现长链性的烷烃还原过程。具体的，发生的化学反应式如下：

HCO₃ ^-+CH₃CO(触媒-甲醇基)→HOOCCH₂COOH

→(脱水、脱炭)→H⁺+CO₂+CH₂COOH

→(循环反应)→CH₃CO+CH₂COOH→(脱水缩合、C＝O还原)

→(循环反应)→CH₃(CH₂)₁₃-COOH

如图3所示，对于增碳合成循环，使用碳素促进缩短反应时间，上述化学反应不断发生，导致长链烷烃发生一系列增量现象。

具体的，第一步：空气中提取二氧化碳与水添加酵母菌和金属生成碳酸、脂肪酸等混合液体；第二步：用第一步生成的混合液体与甲醇混合搅拌反应生成长链脂肪酸，长链脂肪酸经羧酸还原和醛的还原反应烷径等单链的碳氢化合物；第三步：再用第二步生成的烷烃等单链碳氢化合物与原料油反应结合生成中链、长链的烷径；第四步：再将第三步生成的烷径倒入反应槽与原料油之间发生完全的界面化学反应生成出生物燃料，该生物燃料包括生物燃料油、包括生物柴油、生物航空煤油和用于船舶的生物燃料油及锅炉用生物燃料油。上述反应步骤中，反应温度为15℃到40℃，较佳的，反应温度为31至32℃。

实施例2、用于制备生物燃料的系统

如图4所示，本发明实施例的用于制备生物燃料的系统，该系统包括二氧化碳固定和短链脂肪酸生成装置100、长链脂肪酸生成装置200、脂肪酸还原和烷烃生成装置300，以及稳定化装置，二氧化碳固定和短链脂肪酸合成装置与长链脂肪酸生成装置200双向连通，长链脂肪酸生成装置200与脂肪酸还原和烷烃生成装置300连接，脂肪酸还原和烷烃生成装置300与稳定化装置连接，二氧化碳固定和短链脂肪酸合成装置还与超纯水制备装置110、酵母菌及酶制备装置120以及二氧化碳收集装置130连接。长链脂肪酸生成装置200还与连接，生物燃料系统还包括原料油供给装置310，原料油供给装置310与脂肪酸还原和烷烃生成装置300连接。其中，二氧化碳固定和短链脂肪酸生成装置100用于将空气中的二氧化碳，以及用于制备短链脂肪酸。长链脂肪酸生成装置200，用于将短链脂肪酸的反应处理成长链脂肪酸的增碳素反应。脂肪酸还原和烷烃生成装置300，用于将脂肪酸还原以及烷烃的生成。

其中，稳定化装置包括油水分离装置、生物计量装置以及生物燃料储备装置；油水分离装置分别与所述脂肪酸还原和烷烃生成装置300、生物计量装置连接；生物计量装置与生物燃料储备装置连接。稳定化装置通过将水分离处理等操作，使其最终生成可以直接使用的生物燃料。

二氧化碳固定和短链脂肪酸生成装置100、长链脂肪酸生成装置200、脂肪酸还原和烷烃生成装置300，以及稳定化装置均设置为内部反应层和外部保温层的双层保温结构，外部保温层隔热注入热水加热或保温，或者采用电加热器、太阳能加热。该些反应装置可以设置为铁质罐、内侧壁为铁质的反应罐、合金钢罐、不锈钢罐或者反应装置可设为内侧为腔体，外侧为其他材质的反应槽，例如，外侧可以为水泥材质。此外，上述反应装置还可根据需要设置为抽真空反应装置。

本发明实施例用于制备生物燃料的系统是将大气中的二氧化碳在水中回收固定，把水中的氢离子和酶类作为，经由脂肪酸合成出烷烃，与燃料油合成，大气和水再到烷烃的制造过程。

本发明实施例的制备生物燃料的系统制备的烷烃生成量1h连续运转时，每1000L水原料出830L，达到83％生成量。此时原料油的使用量柴油的平均2700升，完成后的生物燃料总量在3500升，燃料油实现了增量30％。

本发明实施例的制备生物燃料的系统的工作原理为：

向二氧化碳固定和短链脂肪酸合成装置里加入RO水(超纯水)和酶物质，向其中加入空气。空气里的二氧化碳由于与金属接触而被固定化，依靠酶作用，生成短链脂肪酸。短链脂肪酸在甲醇的反应促进下，进行增碳素循环，促使长链脂肪酸的生成。长链脂肪酸依靠金属和酶作用进行还原反应，把长链脂肪酸向烷烃精密转变最终合成出原料油。原料油最终经稳定化装置后，还原反应结束，并使其完全稳定，完成生物燃料制品制备。

试验实施例1

向二氧化碳固定和短链脂肪酸合成装置加入超纯水RO水1吨，通过二氧化碳收集装置130将空气持续注入5min，添加酶之后连续搅拌15min。将反应原料转移至长链脂肪酸生成装置200，通过醇供给装置210加入182公升甲醇，循环搅拌20min，将反应液转移至脂肪酸还原和烷烃生成装置300，并向其中加入2769公升原料油，再进行10min的循环搅拌。之后，顺次向稳定化装置转移，从上部收取制品，需20min回收操作。作业时间需1h。得到的原料油的总量为3599公升，残渣为355公升。原料油的增加量为830公升，达到30％以上的增量。

本发明实施例可以实现柴油稳定地增量30％的，对于企业节约燃油费做出很大的贡献。本发明实施例既能够削减二氧化碳量，可以提供对于“碳补偿”市场具有商业价值的生物燃料制备系统。

本发明实施例制备的生物燃料，增量部30％的二氧化碳被作为原料使用，针对燃料的排出量为零。假定使用本生物燃料的卡车有10辆，可以视为3辆车的二氧化碳排放量为零。把二氧化碳作为原料，实证制造装置以(3吨/时间模型)定量生产的情况下，每1h，3吨的生物燃料当中30％是纯生物烷烃量＝830公升，每1h二氧化碳回收使用量＝700g×830L＝581kg。每天24h情况下，581kg×24h＝13，944kg约14吨。每年14吨×365天＝5，110吨。生物燃料制造装置为3吨型/台，每年5，110吨的碳排放单位，相当于大面积森林的碳排放单位。

本发明实施例中，关于制造所必须的二氧化碳，与柴油相当的烷烃1升所必要的碳质量大约700克。本系统每1h，3吨生物燃料情况下，830升的烷烃制造增量，二氧化碳的回收量为581公斤，(1吨需193kg)，本发明的系统在(碳抵消，碳补偿)方面有积极作用，对环境保护方面也会有较大的贡献。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种制备生物燃料的方法，其特征在于包括以下步骤：

将从空气中固定的二氧化碳、超纯水在酵母菌和酶作用下生成含有碳酸、短链脂肪酸溶液；

在所述含有碳酸、短链脂肪酸溶液加入甲醇，在所述甲醇的参与下，生成长链脂肪酸；

所述长链脂肪酸经羧酸还原和醛的还原反应，生成烷烃，所述烷烃与燃料混合得到生物燃料。

2.如权利要求1所述的制备生物燃料的方法，其特征在于，

所述二氧化碳是通过金属吸收固定于反应溶液中。

3.如权利要求1所述的制备生物燃料的方法，其特征在于，

所述长链脂肪酸在金属和酶的作用下发生还原反应得到烷烃。

4.如权利要求1所述的制备生物燃料的方法，其特征在于，

所述烷烃生成反应过程中，反应温度为15℃到40℃。

5.一种用权利要求1-4中任一项所述的方法制备生物燃料的系统，其特征在于包括二氧化碳固定和短链脂肪酸合成装置、长链脂肪酸生成装置、脂肪酸还原和烷烃生成装置以及稳定化装置；其中，所述二氧化碳固定和短链脂肪酸合成装置与所述长链脂肪酸生成装置双向连通，所述长链脂肪酸生成装置与所述脂肪酸还原和烷烃生成装置连接，所述脂肪酸还原和烷烃生成装置与稳定化装置连接。

6.如权利要求5所述的制备生物燃料的系统，其特征在于，

所述二氧化碳固定和短链脂肪酸合成装置还与超纯水制备装置、酵母菌及酶制备装置以及二氧化碳收集装置连接。

7.如权利要求5所述的制备生物燃料的系统，其特征在于，

所述长链脂肪酸生成装置还与醇供给装置连接。

8.如权利要求5所述的制备生物燃料的系统，其特征在于，

所述系统还包括原料油供给装置，所述原料油供给装置与所述脂肪酸还原和烷烃生成装置连接。

9.如权利要求5所述的制备生物燃料的系统，其特征在于，

所述稳定化装置包括油水分离装置、生物计量装置以及生物燃料储备装置；

所述油水分离装置分别与所述脂肪酸还原和烷烃生成装置、所述生物计量装置连接；

所述生物计量装置与所述生物燃料储备装置连接。

10.如权利要求5所述的制备生物燃料的系统，其特征在于，

所述二氧化碳固定和短链脂肪酸生成装置、长链脂肪酸生成装置、脂肪酸还原和烷烃生成装置，以及稳定化装置均设置为内部反应层和外部保温层的双层保温结构；

所述二氧化碳固定和短链脂肪酸生成装置、长链脂肪酸生成装置、脂肪酸还原和烷烃生成装置，以及稳定化装置采用含铁材质制成。

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