專利名稱：生物質(zhì)流體燃料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對生物質(zhì)原料、特別是生物質(zhì)廢棄物的進(jìn)一步開發(fā)和利用，具體涉及生物質(zhì)流體燃料及其制備方法，其中在所述制備方法中利用物理和/或熱化學(xué)方法將生物質(zhì)原料顆粒轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)流體燃料。
背景技術(shù)：
在我國的產(chǎn)業(yè)背景下存在有大量的生物質(zhì)廢棄物，具體例如甘蔗渣、酒糟渣、木薯渣、稻草、麥稈、豆稈、棉稈、玉米稈、玉米芯、落葉及木屑等，這些生物質(zhì)廢棄物中通常含有大量的可進(jìn)一步利用的大分子物質(zhì)如木質(zhì)素、纖維素、半纖維素和淀粉等。近年來，在綠色低碳的大背景下，對這些生物質(zhì)廢棄物的進(jìn)一步開發(fā)和利用越來越受到關(guān)注。研究表明，生物質(zhì)原料中的大分子物質(zhì)如木質(zhì)素、纖維素、半纖維素和淀粉等遇熱會(huì)分解形成生物質(zhì)油、炭和可燃性氣體，并且這些產(chǎn)物的比例會(huì)隨溫度、壓力和反應(yīng)時(shí)間而變化。生物質(zhì)熱解和生物質(zhì)碳化就是基于上述原理的熱化學(xué)反應(yīng)，其中可以通過控制熱化學(xué)反應(yīng)的條件來改變所形成的各種產(chǎn)物之間的比例。因此，熱化學(xué)方法是利用生物質(zhì)原料的一種有效途徑。但單純的熱化學(xué)方法還存在一些問題，例如，生物質(zhì)油的生產(chǎn)成本通常比礦物油高，而且，生物質(zhì)油不能直接用于現(xiàn)有的動(dòng)力設(shè)備，這是因?yàn)樯镔|(zhì)油大多是物理和化學(xué)性質(zhì)均不太穩(wěn)定的碳?xì)浠衔铮仨毥?jīng)過改性和/或精制處理才能應(yīng)用。流體燃料是指將可燃性固體在流體介質(zhì)中研磨細(xì)化形成含有微小固體顆粒的流體，再向其中加入分散劑和/或穩(wěn)定劑形成穩(wěn)定的均相流體，常見的例子如水煤漿或油煤漿。研究表明，將煤、石油焦、生物淤泥等可燃性固體在柴油或水等流體介質(zhì)中進(jìn)行研磨細(xì)化處理后可得到流動(dòng)性良好的流體燃料，該流體燃料可作為高效的代油燃料經(jīng)相應(yīng)的燃燒器進(jìn)行燃燒。基于流體燃料的思想，本發(fā)明提出了生物質(zhì)流體燃料的概念，這是一種基于生物質(zhì)原料顆粒的流體燃料，具體通過物理和/或熱化學(xué)方法將生物質(zhì)原料如生物質(zhì)廢棄物顆粒分散到液體燃料介質(zhì)中形成生物質(zhì)流體燃料。因此，本發(fā)明的生物質(zhì)流體燃料具有流體燃料的便于運(yùn)輸、使用及燃燒效率高等優(yōu)點(diǎn)，從而為固體生物質(zhì)原料如生物質(zhì)廢棄物的開發(fā)和應(yīng)用提供了新的思路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種生物質(zhì)流體燃料，該生物質(zhì)流體燃料包含分散于液體燃料介質(zhì)中的生物質(zhì)原料顆粒和燃料助劑，其中所述生物質(zhì)原料顆粒的粒度小于或等于約150微米，優(yōu)選小于或等于約120微米，更優(yōu)選小于或等于約100微米，所述生物質(zhì)原料顆粒與所述液體燃料介質(zhì)的重量比為1 10至1 1，優(yōu)選為1 7至1 1，最優(yōu)選為1 5至 1 1，和所述燃料助劑的總含量基于所述生物質(zhì)流體燃料重量計(jì)為0.5-3. 0wt%，優(yōu)選為 0. 8-2. Owt %，更優(yōu)選為 0. 9-1. 5wt %。
本發(fā)明還提供制備所述生物質(zhì)流體燃料的方法，該方法包括如下步驟粉碎生物質(zhì)原料并進(jìn)行篩分，以獲得粒度小于或等于約150微米、優(yōu)選小于或等于約120微米、更優(yōu)選小于或等于約100微米的生物質(zhì)原料顆粒；使所述生物質(zhì)原料顆粒與液體燃料介質(zhì)混合形成粗混合物，其中所述生物質(zhì)原料顆粒與所述液體燃料介質(zhì)的重量比為1 10至1 1，優(yōu)選為1 7至1 1，最優(yōu)選為 1 5 至 1 1 ；使所述粗混合物均化并向其中加入燃料助劑，其中所述燃料助劑的總含量基于所述生物質(zhì)流體燃料重量計(jì)為0. 5-3. Owt%，優(yōu)選為0. 8-2. Owt%，更優(yōu)選為0. 9-1. 5wt%，和其中利用高速剪切乳化設(shè)備進(jìn)行均化，以獲得均相混合物作為生物質(zhì)流體燃料。按照本發(fā)明，所述生物質(zhì)原料一般為生物質(zhì)廢棄物，具體選自甘蔗渣、酒糟渣、木薯渣、稻草、麥稈、豆稈、棉稈、玉米稈、玉米芯、落葉及木屑等。因此，對于本發(fā)明而言，所述生物質(zhì)原料的來源還是很豐富的。按照本發(fā)明，所述液體燃料介質(zhì)可以為常見的任何合適的液體燃料，優(yōu)選價(jià)格比較便宜的不易揮發(fā)的液體燃料，具體可以為不易揮發(fā)的油性液體燃料如重油和煤焦油及重油組分和煤焦油組分，其中所述重油組分如重油輕餾分，所述煤焦油組分如萘油、洗油、蒽油和二蒽油，優(yōu)選使用蒽油和/或洗油作為所述液體燃料介質(zhì)。按照本發(fā)明，所述燃料助劑可以為本領(lǐng)域常用的任何合適的燃料助劑，目的是為了使所述生物質(zhì)流體燃料的分散性、流動(dòng)性、穩(wěn)定性、抗氧化性及燃燒性更好，具體可以為分散劑、穩(wěn)定劑、抗氧化劑、降凝劑和助燃劑，更具體地，分散劑可以為木質(zhì)素磺酸鈉，穩(wěn)定劑可以為季銨鹽，抗氧化劑可以為2，6_ 二叔丁基對甲酚，降凝劑可以為聚丙烯酸酯，和助燃劑可以為氧化碳酸酯。所有這些燃料助劑可以單獨(dú)或組合使用，且無論如何使用，所述燃料助劑在所述生物質(zhì)流體燃料中的總含量均如上文所述，即基于所述生物質(zhì)流體燃料重量計(jì)為 0. 5-3. Owt %，優(yōu)選為 0. 8-2. Owt %，更優(yōu)選為 0. 9-1. 5wt%。按照本發(fā)明，所述生物質(zhì)原料一般經(jīng)粉碎和篩分處理得到粒度小于或等于約150 微米(約100目)、優(yōu)選小于或等于約120微米(約120目)、更優(yōu)選小于或等于約100微米(約150目)的生物質(zhì)原料顆粒，粉碎一般通過機(jī)械設(shè)備如破碎機(jī)或粉碎機(jī)進(jìn)行，而篩分則利用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行，以獲得所需要的特定粒度范圍的生物質(zhì)原料顆粒。按照本發(fā)明，如果所述生物質(zhì)原料含水量過大，則一般預(yù)先干燥所述生物質(zhì)原料， 例如利用旋風(fēng)等干燥機(jī)進(jìn)行干燥，優(yōu)選干燥至水含量低于15wt%，更優(yōu)選低于IOwt %，進(jìn)一步優(yōu)選低于5wt%，從而利于所述生物質(zhì)原料后續(xù)的粉碎和篩分處理。按照本發(fā)明，用于使所述粗混合物均化的高速剪切乳化設(shè)備可以為本領(lǐng)域常用的任何合適的高速剪切乳化設(shè)備，例如可以為膠體磨或高速絞碎機(jī)，該設(shè)備將所述生物質(zhì)顆粒與所述液體燃料介質(zhì)的粗混合物進(jìn)一步剪切破碎使之細(xì)化和/或乳化，進(jìn)而使之均化。按照本發(fā)明，對于韌性較強(qiáng)的生物質(zhì)原料例如纖維含量較高的生物質(zhì)原料如酒糟渣，由于這類生物質(zhì)原料通常不容易機(jī)械破碎到很細(xì)的粒度，因此在使所述粗混合物均化之前一般還使所述粗混合物經(jīng)歷碳化處理，以利于進(jìn)一步破碎所述生物質(zhì)原料顆粒。具體地，經(jīng)碳化處理后，生物質(zhì)原料顆粒由于碳化變脆導(dǎo)致韌性變差和機(jī)械強(qiáng)度降低，從而易于在剪切力作用下進(jìn)一步破碎成更細(xì)的顆粒。所述碳化反應(yīng)一般在高速攪拌條件下進(jìn)行，因此，所述粗混合物中的生物質(zhì)原料顆粒在碳化過程中就可在一定程度上實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步細(xì)化。此外，碳化反應(yīng)過程中還產(chǎn)生生物質(zhì)油，其中在高速攪拌及強(qiáng)對流作用下，強(qiáng)化了傳質(zhì)和傳熱過程，所產(chǎn)生的生物質(zhì)油會(huì)分散到所述粗混合物中成為液體燃料介質(zhì)，進(jìn)一步降低了流體燃料的固含量，利于所述流體燃料的進(jìn)一步均化，從而可以獲得更為優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)流體燃料。按照本發(fā)明，所述粗混合物的碳化處理通常在常壓和相對低溫條件下在攪拌下進(jìn)行，且碳化反應(yīng)時(shí)間一般較短，具體地，所述溫度可以為200-300°C，優(yōu)選為215-290°C，更優(yōu)選為250-280°C，所述碳化反應(yīng)時(shí)間可以為1-10分鐘，優(yōu)選為2_7分鐘，更優(yōu)選為3_5分鐘，并且此時(shí)可以通過控制碳化反應(yīng)時(shí)間盡可能短，使生物質(zhì)發(fā)生不完全碳化形成半焦性物質(zhì)及部分生物質(zhì)油，由于所述半焦性物質(zhì)的韌性已經(jīng)變差和機(jī)械強(qiáng)度已經(jīng)降低，因此，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步破碎所述生物質(zhì)顆粒進(jìn)而提高所述生物質(zhì)流體燃料質(zhì)量的目的。按照本發(fā)明，在所述碳化反應(yīng)過程中還產(chǎn)生一些生物質(zhì)輕組分，可以收集這些生物質(zhì)輕組分用作化工原料或燃料，例如該生物質(zhì)輕組分可用作燃料為所述碳化過程提供熱量，從而可至少部分實(shí)現(xiàn)所述碳化過程的熱量自給。按照本發(fā)明，所述粗混合物可以在現(xiàn)有技術(shù)中已有的任何合適的反應(yīng)器中進(jìn)行碳化，但優(yōu)選為反應(yīng)釜類反應(yīng)器，進(jìn)一步優(yōu)選為帶有攪拌槳的不銹鋼反應(yīng)釜。優(yōu)選地，按照本發(fā)明，使所述粗混合物在大氣壓下在帶有攪拌槳的不銹鋼反應(yīng)釜中進(jìn)行碳化，其中在攪拌條件下加熱升溫至215-290°C，優(yōu)選加熱升溫至250-280°C，攪拌槳的轉(zhuǎn)速為500-1500轉(zhuǎn)/分，優(yōu)選為800-1350轉(zhuǎn)/分，更優(yōu)選為1000-1200轉(zhuǎn)/分，和所述粗混合物在所述反應(yīng)釜內(nèi)的停留時(shí)間為1-10分鐘，優(yōu)選為2-7分鐘，更優(yōu)選為3-5分鐘。按照本發(fā)明，所述生物質(zhì)流體燃料可以利用廣泛的生物質(zhì)原料，特別是可以利用大量的生物質(zhì)廢棄物，這樣就可以“變廢為寶”，利于生物質(zhì)能源的進(jìn)一步發(fā)展，而且所述生物質(zhì)流體燃料的制備工藝相對簡單，所使用的設(shè)備也均為現(xiàn)有技術(shù)的常用設(shè)備，因此，容易進(jìn)行工業(yè)放大，可連續(xù)生產(chǎn)，具備良好的產(chǎn)業(yè)化前景，進(jìn)而為燃料市場提供了良好的代選燃料，例如可用于現(xiàn)代鍋爐、工業(yè)窯爐、和汽輪機(jī)等。


圖1為本發(fā)明的由生物質(zhì)原料制備生物質(zhì)流體燃料的方法的一種實(shí)施方案的流程圖；和圖2為本發(fā)明的由生物質(zhì)原料制備生物質(zhì)流體燃料的方法的另一種實(shí)施方案的流程圖，其中在圖1的實(shí)施方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步結(jié)合了碳化步驟。
具體實(shí)施例方式參照圖1，本發(fā)明的由生物質(zhì)原料制備生物質(zhì)流體燃料的方法可以按照如下過程進(jìn)行在干燥機(jī)中將生物質(zhì)原料如木薯渣干燥至水含量低于IOwt %，然后分別經(jīng)破碎機(jī)和粉碎機(jī)進(jìn)行粗粉碎和微粉碎以及經(jīng)風(fēng)機(jī)送入篩分器例如150目的標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分得到粒度小于或等于約100微米的生物質(zhì)原料顆粒；將所述生物質(zhì)原料顆粒收集后與來自儲(chǔ)液罐的液體燃料介質(zhì)例如蒽油按規(guī)定比例例如13在攪拌混合設(shè)備內(nèi)攪拌混合形成粗混合物；和將所述粗混合物加入高速剪切乳化設(shè)備如膠體磨或高速絞碎機(jī)中進(jìn)行均化，并向其中加入燃料助劑例如分散劑和/或穩(wěn)定劑等，其中所述燃料助劑的總含量基于所述生物質(zhì)流體燃料重量計(jì)為0. 9-1. 5wt%，均化后獲得的均相混合物即為生物質(zhì)流體燃料，和所獲得的生物質(zhì)流體燃料在儲(chǔ)運(yùn)罐內(nèi)儲(chǔ)藏和進(jìn)行運(yùn)輸。參照圖2，其中在圖1的實(shí)施方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步結(jié)合了碳化步驟，具體地其中將干燥和篩分生物質(zhì)原料獲得的生物質(zhì)顆粒(在此只進(jìn)行了粗粉碎操作，這是由于后面結(jié)合了碳化步驟，因此粉碎要求略低)與液體燃料介質(zhì)如蒽油按規(guī)定比例例如 1 3在攪拌混合設(shè)備內(nèi)攪拌混合形成粗混合物后，將所述粗混合物加入作為碳化反應(yīng)器的帶有攪拌槳的不銹鋼反應(yīng)釜中，所述反應(yīng)釜可以為帶有蒸汽夾套的常壓反應(yīng)釜，其中在攪拌條件下加熱升溫至例如250-280°C，攪拌槳的轉(zhuǎn)速為例如1000-1300轉(zhuǎn)/分，和所述粗混合物在所述反應(yīng)釜內(nèi)的停留時(shí)間為例如1-5分鐘；然后，如上面針對圖1所述，使從所述反應(yīng)釜中采出的反應(yīng)混合物進(jìn)行均化及加入燃料助劑，以獲得最終的生物質(zhì)流體燃料，在此，在碳化過程中獲得的生物質(zhì)輕組分可用于為所述不銹鋼反應(yīng)釜提供熱量，具體可用作加熱鍋爐的燃料以產(chǎn)生用于加熱所述不銹鋼反應(yīng)釜的蒸汽，從而可至少部分實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的碳化過程的熱量自給。通過如下實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明的方法，但所述實(shí)施例不用于限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例實(shí)施例1利用木薯渣制備生物質(zhì)流體燃料將木薯渣干燥至水含量為8wt%以下，使用粉碎機(jī)對所述木薯渣進(jìn)行破碎，破碎后進(jìn)行篩分得到170目(90微米)以下的生物質(zhì)原料顆粒400克；將所述生物質(zhì)原料顆粒與液體燃料介質(zhì)蒽油按4 6的重量比進(jìn)行混合形成粗混合物；將所述粗混合物加入到膠體磨中進(jìn)行均化處理，同時(shí)向其中加入非離子型表面活性劑作為燃料助劑，所述非離子表面活性劑為吉米奇季銨鹽1231，在此作為穩(wěn)定劑使用，加入量為10克，均化后得到生物質(zhì)流體燃料。所述生物質(zhì)流體燃料的穩(wěn)定性測試表明其在M小時(shí)內(nèi)無分層和不產(chǎn)生硬沉淀， 進(jìn)一步的性能測試表明所述生物質(zhì)流體燃料具有較高熱值及良好流動(dòng)性，其性能參數(shù)如下表1所述。表1、實(shí)施例1獲得的生物質(zhì)流體燃料的性能參數(shù)
權(quán)利要求
1 一種生物質(zhì)流體燃料，該生物質(zhì)流體燃料包含分散于液體燃料介質(zhì)中的生物質(zhì)原料顆粒和燃料助劑，其中所述生物質(zhì)原料顆粒的粒度小于或等于約150微米，優(yōu)選小于或等于約120微米，更優(yōu)選小于或等于約100微米，所述生物質(zhì)原料顆粒與所述液體燃料介質(zhì)的重量比為1 10至1 1，優(yōu)選為1 7至1 1，最優(yōu)選為1 5至1 1，和所述燃料助劑的總含量基于所述生物質(zhì)流體燃料重量計(jì)為0. 5-3. Owt %，優(yōu)選為0. 8-2. Owt %，更優(yōu)選為 0. 9-1. 5wt%。
2.權(quán)利要求1的生物質(zhì)流體燃料，其中所述生物質(zhì)原料為選自甘蔗渣、酒糟渣、木薯渣、稻草、麥稈、豆稈、棉稈、玉米稈、玉米芯、落葉及木屑的生物質(zhì)廢棄物。
3.權(quán)利要求1或2的生物質(zhì)流體燃料，其中所述液體燃料介質(zhì)選自重油和煤焦油及重油組分和煤焦油組分，優(yōu)選選自蒽油和洗油。
4.權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)的生物質(zhì)流體燃料，其中所述燃料助劑選自分散劑、穩(wěn)定劑、抗氧化劑、降凝劑和助燃劑。
5.一種制備生物質(zhì)流體燃料的方法，該方法包括如下步驟粉碎生物質(zhì)原料并進(jìn)行篩分，以獲得粒度小于或等于約150微米、優(yōu)選小于或等于約 120微米、更優(yōu)選小于或等于約100微米的生物質(zhì)原料顆粒；使所述生物質(zhì)原料顆粒與液體燃料介質(zhì)混合形成粗混合物，其中所述生物質(zhì)原料顆粒與所述液體燃料介質(zhì)的重量比為1 10至1 1，優(yōu)選為1 7至1 1，最優(yōu)選為1 5 至 1 1 ；使所述粗混合物均化并向其中加入燃料助劑，其中所述燃料助劑的總含量基于所述生物質(zhì)流體燃料重量計(jì)為0. 5-3. Owt%，優(yōu)選為0. 8-2. Owt%，更優(yōu)選為0. 9-1. 5wt%，和其中利用高速剪切乳化設(shè)備進(jìn)行均化，以獲得均相混合物作為生物質(zhì)流體燃料。
6.權(quán)利要求5的方法，其中所述生物質(zhì)原料為選自甘蔗渣、酒糟渣、木薯渣、稻草、麥稈、豆稈、棉稈、玉米稈、玉米芯、落葉及木屑的生物質(zhì)廢棄物。
7.權(quán)利要求5或6的方法，其中所述液體燃料介質(zhì)選自重油和煤焦油及重油組分和煤焦油組分，優(yōu)選選自蒽油和洗油。
8.權(quán)利要求5-7任一項(xiàng)的方法，其中所述燃料助劑選自分散劑、穩(wěn)定劑、抗氧化劑、降凝劑和助燃劑。
9.權(quán)利要求5-8任一項(xiàng)的方法，其中在粉碎和篩分之前將所述生物質(zhì)原料預(yù)先干燥至水含量低于15wt%，優(yōu)選低于IOwt%，更優(yōu)選低于5wt%。
10.權(quán)利要求5-9任一項(xiàng)的方法，其中用于使所述粗混合物均化的高速剪切乳化設(shè)備選自膠體磨和高速絞碎機(jī)。
11.權(quán)利要求5-10任一項(xiàng)的方法，對于纖維含量較高的生物質(zhì)原料，其中還包括在使所述粗混合物均化之前使所述粗混合物在大氣壓下在帶有攪拌槳的不銹鋼反應(yīng)釜中進(jìn)行碳化的步驟，其中在攪拌條件下加熱升溫至215-290°C，優(yōu)選加熱升溫至250-280°C，和攪拌槳的轉(zhuǎn)速為500-1500轉(zhuǎn)/分，優(yōu)選為800-1350轉(zhuǎn)/分，更優(yōu)選為1000-1200轉(zhuǎn)/分。
12.權(quán)利要求11的方法，其中所述粗混合物在所述反應(yīng)釜內(nèi)的停留時(shí)間為1-10分鐘， 優(yōu)選為2-7分鐘，更優(yōu)選為3-5分鐘。
13.權(quán)利要求12的方法，還包括收集碳化過程中產(chǎn)生的生物質(zhì)輕組分，該生物質(zhì)輕組分用作燃料為所述碳化過程提供熱量。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種生物質(zhì)流體燃料，該生物質(zhì)流體燃料包含分散于液體燃料介質(zhì)中的生物質(zhì)原料顆粒和燃料助劑，其中所述生物質(zhì)原料顆粒的粒度小于或等于約150微米，優(yōu)選小于或等于約120微米，更優(yōu)選小于或等于約100微米，所述生物質(zhì)原料顆粒與所述液體燃料介質(zhì)的重量比為1∶10至1∶1，優(yōu)選為1∶7至1∶1，最優(yōu)選為1∶5至1∶1，和所述燃料助劑的總含量基于所述生物質(zhì)流體燃料重量計(jì)為0.5-3.0wt％，優(yōu)選為0.8-2.0wt％，更優(yōu)選為0.9-1.5wt％。另外，本發(fā)明還提供了制備所述生物質(zhì)流體燃料的方法。
文檔編號C10L1/32GK102226118SQ20111012508
公開日2011年10月26日 申請日期2011年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月16日
發(fā)明者段占庭, 譚鴻鑫 申請人:科威國際技術(shù)轉(zhuǎn)移有限公司