CN114015463B - 一种木基生物质的高值化利用及其制备生物沥青的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种木基生物质的高值化利用及其制备生物沥青的应用。本发明将木基生物质通过水热液化制备生物油和生物炭，然后利用生物油和生物炭部分替代石油沥青制备生物沥青。本发明的木基生物质的高值化利用具有生物油产率高、生物油和生物炭的比例可由水热条件控制、生物油和生物炭可梯度利用、绿色环保、可再生等特点。由其配制的木基生物沥青具有固废资源化利用率高、可部分替代石油沥青、降低环境污染和能源消耗的优点。该生物沥青可满足道路铺装的使用要求，实现了生物质水热产物全生命周期的负碳排放，大幅缓解石油沥青的使用压力，充分利用林业废弃物并降低沥青挥发性有机物的排放，产生显著的经济社会效益。
Description
技术领域
本发明属于生物质水热液化及生物沥青制备技术领域，具体涉及一种木基生物质的高值化利用及其制备生物沥青的应用。
背景技术
伴随着全球化进程的加快和能源消耗的日益增长，人类对能源的需求量正在不断增加，同时，由于石油、煤炭等不可再生能源的储存量急剧下降，导致人类对可持续替代能源材料的需求迫在眉睫。生物能源特别是生物沥青的开发深受国内外研究者关注。生物沥青替代石油沥青在建设与养护沥青路面具有极大的应用前景。然而，生物沥青的应用过程中存在着木基生物质利用效率低及生物沥青的制备技术复杂等问题，严重限制了生物沥青的推广与应用。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种绿色环保、经济、资源利用率高的木基生物质的高值化利用及其制备生物沥青的应用。本发明将木基生物质通过水热液化制备生物油和生物炭，然后利用生物油和生物炭部分替代石油沥青制备生物沥青。
所述生物沥青是由10-50质量份的木基生物质水热液化产物、45-85质量份的石油沥青、5质量份的增溶剂配制而成。
所述水热液化产物为生物油和生物炭。
所述石油沥青为70号石油沥青、90号石油沥青或SBS改性沥青。
所述木基生物质为林业固体废弃物。
所述水热液化产物的制备方法为：将木基生物质加入去离子水中，然后在250-300℃、5-8MPa下水热液化反应20-60min，产物烘干去除水分，得到生物油和生物炭的混合物。
所述烘干条件为105℃干燥12h。
所述生物沥青的制备方法为：将石油沥青在120-140℃加热至熔融状态，然后在135℃油浴下加入水热液化产物和增溶剂，2000rpm高速剪切1h后即得到生物沥青。
本发明的木基生物质的高值化利用具有生物油产率高、生物油和生物炭的比例可由水热条件控制、生物油和生物炭可梯度利用、绿色环保、可再生等特点。由其配制的木基生物沥青具有固废资源化利用率高、可部分替代石油沥青、降低环境污染和能源消耗的优点。该生物沥青的应用方法简单、高效、快捷、经济、环保。其中的水热液化产物(生物油和生物炭)可实现100％充分利用，其掺量最高可达50％，相比传统生物沥青或石油沥青，综合成本可降低30％以上，可满足道路铺装的使用要求，实现了生物质水热产物全生命周期的负碳排放，大幅缓解石油沥青的使用压力，充分利用林业废弃物并降低沥青挥发性有机物的排放，产生显著的经济社会效益。
附图说明
图1为本发明实施例中制备生物沥青的工艺路线图。
具体实施方式
以下实施例1-7中，木基生物质为松木、杨木、木质纤维素的混合物，松木、杨木等木基固废取自太原东山，木质纤维素购于南昌市瑞腾化工有限公司。70号石油沥青、90号石油沥青、SBS改性石油沥青均购于韩国SK Innovation公司，各项性能指标均符合规范JTG-F40-2017《公路沥青路面施工技术规范》和道路用生物沥青技术条件。百分比含量均为质量百分比含量。
实施例1：
本实施例中木基生物质的高值化利用是指将平均粒径2mm的木基生物质经过高温高压反应釜水热液化，利用去离子水作为溶解，滞留时间选用30min，温度选用280℃，压力为6.5MPa，得到含水的水热液化产物(生物油和生物炭的混合物)，然后将水热液化产物经过简单烘焙(105℃干燥12h)去除水分，得到干燥的水热液化产物。100％的水热液化产物可替代石油沥青，形成木基生物质的高值化利用方法。
本实施例中木基生物沥青的配比为：10％的水热液化产物，85％的70号石油沥青、5％的增溶剂三甲苯。
本实施例中木基生物沥青的制备方法为：用烘箱将石油沥青在135℃加热4h至熔融状态，倒入400g熔融的石油沥青进入沥青取样器，在135℃下油浴加热1h并加入水热液化产物和增溶剂三甲苯，油浴加热过程中用高速剪切仪以2000rpm进行高速剪切，剪切完成后即得到生物沥青。按照规范JTGE20-2019公路工程沥青及沥青混合料试验规程进行生物沥青的针入度、软化点、延度及流变学特性测试，将其与石油沥青用作路面材料时的使用性能要求进行对比，分析其作为路用材料的可行性。
生物沥青的基本性能如表1所示，其中生物沥青的软化点为42℃，道路用生物沥青技术条件规范要求大于等于40℃；生物沥青的针入度为65dmm，规范要求60-80dmm之间；生物沥青15℃的延度为75cm，规范要求大于等于30cm，60℃抗车辙因子为1.25KPa，规范要求大于等于1KPa。
表1生物沥青的基本性能
实施例2：
本实施例中木基生物质的高值化利用是指将平均粒径2mm的木基生物质经过高温高压反应釜水热液化，利用去离子水作为溶解，滞留时间选用30min，温度选用280℃，压力为6.5MPa，得到含水的水热液化产物(生物油和生物炭的混合物)，然后将水热液化产物经过简单烘焙(105℃干燥12h)去除水分，得到干燥的水热液化产物。100％的水热液化产物可替代石油沥青，形成木基生物质的高值化利用方法。
本实施例中木基生物沥青的配比为：20％的水热液化产物，75％的70号石油沥青、5％的增溶剂三甲苯。
本实施例中木基生物沥青的应用方法是指用烘箱将石油沥青在135℃加热4h至熔融状态，倒入400g熔融的石油沥青进入沥青取样器，在135℃下油浴加热1h并分别加入规定量的水热液化产物和增溶剂，油浴加热过程中用高速剪切仪以2000rpm进行高速剪切，剪切完成后即得到生物沥青。按照规范JTGE20-2019公路工程沥青及沥青混合料试验规程进行生物沥青的针入度、软化点、延度及流变学特性测试，将其与石油沥青用作路面材料时的使用性能要求进行对比，分析其作为路用材料的可行性。
生物沥青的基本性能如表2所示，其中生物沥青的软化点为45℃，道路用生物沥青技术条件规范要求大于等于40℃；生物沥青的针入度为68dmm，规范要求60-80dmm之间；生物沥青15℃的延度为69cm，规范要求大于等于30cm，60℃抗车辙因子为1.86KPa，规范要求大于等于1KPa。
表2生物沥青的基本性能
实施例3：
本实施例中木基生物质的高值化利用是指将平均粒径2mm的木基生物质经过高温高压反应釜水热液化，利用去离子水作为溶解，滞留时间选用30min，温度选用280℃，压力为6.5MPa，得到含水的水热液化产物(生物油和生物炭的混合物)，然后将水热液化产物经过简单烘焙(105℃干燥12h)去除水分，得到干燥的水热液化产物。100％的水热液化产物可替代石油沥青，形成木基生物质的高值化利用方法。
本实施例中木基生物沥青的配比为：30％的水热液化产物，65％的70号石油沥青、5％的增溶剂氢化蓖麻油。
本实施例中木基生物沥青的应用方法是指用烘箱将石油沥青在135℃加热4h至熔融状态，倒入400g熔融的石油沥青进入沥青取样器，在135℃下油浴加热1h并分别加入规定量的水热液化产物和增溶剂，油浴加热过程中用高速剪切仪以2000rpm进行高速剪切，剪切完成后即得到生物沥青。按照规范JTGE20-2019公路工程沥青及沥青混合料试验规程进行生物沥青的针入度、软化点、延度及流变学特性测试，将其与石油沥青用作路面材料时的使用性能要求进行对比，分析其作为路用材料的可行性。
生物沥青的基本性能如表3所示，其中生物沥青的软化点为51℃，道路用生物沥青技术条件规范要求大于等于40℃；生物沥青的针入度为72dmm，规范要求60-80dmm之间；生物沥青15℃的延度为67cm，规范要求大于等于30cm，60℃抗车辙因子为2.32KPa，规范要求大于等于1KPa。
表3生物沥青的基本性能
实施例4：
本实施例中木基生物质的高值化利用是指将平均粒径2mm的木基生物质经过高温高压反应釜水热液化，利用去离子水作为溶解，滞留时间选用30min，温度选用280℃，压力为6.5MPa，得到含水的水热液化产物(生物油和生物炭的混合物)，然后将水热液化产物经过简单烘焙(105℃干燥12h)去除水分，得到干燥的水热液化产物，以使100％的水热液化产物可替代石油沥青，形成木基生物质的高值化利用方法。
本实施例中木基生物沥青的配比为：40％的水热液化产物，55％的70号石油沥青、5％的增溶剂氢化蓖麻油。
本实施例中木基生物沥青的应用方法是指用烘箱将石油沥青在135℃加热4h至熔融状态，倒入400g熔融的石油沥青进入沥青取样器，在135℃下油浴加热1h并分别加入规定量的水热液化产物和增溶剂，油浴加热过程中用高速剪切仪以2000rpm进行高速剪切，剪切完成后即得到生物沥青。按照规范JTGE20-2019公路工程沥青及沥青混合料试验规程进行生物沥青的针入度、软化点、延度及流变学特性测试，将其与石油沥青用作路面材料时的使用性能要求进行对比，分析其作为路用材料的可行性。
生物沥青的基本性能如表4所示，其中生物沥青的软化点为53℃，道路用生物沥青技术条件规范要求大于等于40℃；生物沥青的针入度为75dmm，规范要求60-80dmm之间；生物沥青15℃的延度为62cm，规范要求大于等于30cm，60℃抗车辙因子为2.85KPa，规范要求大于等于1KPa。
表4生物沥青的基本性能
实施例5：
本实施例中木基生物质的高值化利用是指将平均粒径2mm的木基生物质经过高温高压反应釜水热液化，利用去离子水作为溶解，滞留时间选用30min，温度选用280℃，压力为6.5MPa，得到含水的水热液化产物(生物油和生物炭的混合物)，然后将水热液化产物经过简单烘焙(105℃干燥12h)去除水分，得到干燥的水热液化产物，以使100％的水热液化产物可替代石油沥青，形成木基生物质的高值化利用方法。
本实施例中木基生物沥青的配比为：50％的水热液化产物，45％的70号石油沥青、5％的增溶剂氢化蓖麻油。
本实施例中木基生物沥青的应用方法是指用烘箱将石油沥青在135℃加热4h至熔融状态，倒入400g熔融的石油沥青进入沥青取样器，在135℃下油浴加热1h并分别加入规定量的水热液化产物和增溶剂，油浴加热过程中用高速剪切仪以2000rpm进行高速剪切，剪切完成后即得到生物沥青。按照规范JTGE20-2019公路工程沥青及沥青混合料试验规程进行生物沥青的针入度、软化点、延度及流变学特性测试，将其与石油沥青用作路面材料时的使用性能要求进行对比，分析其作为路用材料的可行性。
生物沥青的基本性能如表5所示，其中生物沥青的软化点为58℃，道路用生物沥青技术条件规范要求大于等于40℃；生物沥青的针入度为78dmm，规范要求60-80dmm之间；生物沥青15℃的延度为52cm，规范要求大于等于30cm，60℃抗车辙因子为3.15KPa，规范要求大于等于1KPa。
表5生物沥青的基本性能
实施例6：
本实施例中木基生物质的高值化利用是指将平均粒径2mm的木基生物质经过高温高压反应釜水热液化，利用去离子水作为溶解，滞留时间选用30min，温度选用280℃，压力为6.5MPa，得到含水的水热液化产物(生物油和生物炭的混合物)，然后将水热液化产物经过简单烘焙(105℃干燥12h)去除水分，得到干燥的水热液化产物，以使100％的水热液化产物可替代石油沥青，形成木基生物质的高值化利用方法。
本实施例中木基生物沥青的配比为：10％的水热液化产物，85％的90号石油沥青、5％的增溶剂三甲苯。
本实施例中木基生物沥青的应用方法是指用烘箱将石油沥青在135℃加热4h至熔融状态，倒入400g熔融的石油沥青进入沥青取样器，在135℃下油浴加热1h并分别加入规定量的水热液化产物和增溶剂，油浴加热过程中用高速剪切仪以2000rpm进行高速剪切，剪切完成后即得到生物沥青。按照规范JTGE20-2019公路工程沥青及沥青混合料试验规程进行生物沥青的针入度、软化点、延度及流变学特性测试，将其与石油沥青用作路面材料时的使用性能要求进行对比，分析其作为路用材料的可行性。
生物沥青的基本性能如表6所示，其中生物沥青的软化点为49℃，道路用生物沥青技术条件规范要求42-52℃；生物沥青的针入度为95dmm，规范要求80-100dmm之间；生物沥青10℃的延度为62cm，规范要求大于等于45cm，60℃抗车辙因子为2.32KPa，规范要求大于等于1KPa。
表6生物沥青的基本性能
实施例7：
本实施例中木基生物质的高值化利用是指将平均粒径2mm的木基生物质经过高温高压反应釜水热液化，利用去离子水作为溶解，滞留时间选用30min，温度选用280℃，压力为6.5MPa，得到含水的水热液化产物(生物油和生物炭的混合物)，然后将水热液化产物经过简单烘焙(105℃干燥12h)去除水分，得到干燥的水热液化产物，以使100％的水热液化产物可替代石油沥青，形成木基生物质的高值化利用方法。
本实施例中木基生物沥青的配比为：10％的水热液化产物，85％的SBS改性石油沥青、5％的增溶剂氢化蓖麻油。
本实施例中木基生物沥青的应用方法是指用烘箱将石油沥青在135℃加热4h至熔融状态，倒入400g熔融的石油沥青进入沥青取样器，在135℃下油浴加热1h并分别加入规定量的水热液化产物和增溶剂，油浴加热过程中用高速剪切仪以2000rpm进行高速剪切，剪切完成后即得到生物沥青。按照规范JTGE20-2019公路工程沥青及沥青混合料试验规程进行生物沥青的针入度、软化点、延度及流变学特性测试，将其与石油沥青用作路面材料时的使用性能要求进行对比，分析其作为路用材料的可行性。
生物沥青的基本性能如表7所示，其中生物沥青的软化点为53℃，道路用生物沥青技术条件规范要求大于等于50℃；生物沥青的针入度为61dmm，规范要求60-80dmm之间；生物沥青5℃的延度为45cm，规范要求大于等于40cm，60℃抗车辙因子为4.15KPa，规范要求大于等于1KPa。
表7生物沥青的基本性能
Claims (2)
1.一种生物沥青的制备方法，其特征在于，所述生物沥青是由10-50质量份的木基生物质水热液化产物、45-85质量份的石油沥青、5质量份的增溶剂配制而成；
所述木基生物质水热液化产物为生物油和生物炭；
所述木基生物质为林业固体废弃物；
所述水热液化产物的制备方法为：将木基生物质加入去离子水中，然后在250-300℃、5-8MPa下水热液化反应20-60min，产物烘干去除水分，得到生物油和生物炭的混合物；
所述石油沥青为70号石油沥青、90号石油沥青或SBS改性沥青；
所述增溶剂为三甲苯或氢化蓖麻油；
所述生物沥青的制备方法的具体操作为：将石油沥青在120-140°C加热至熔融状态，然后在135°C油浴下加入水热液化产物和增溶剂，2000rpm高速剪切1h后即得到生物沥青。
2.根据权利要求1所述的生物沥青的制备方法，其特征在于，所述烘干条件为105℃干燥12h。
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