专利名称：一种水生植物快速裂解制备生物油的方法
技术领域：
本发明涉及一种水生植物快速裂解制备生物油的方法。
背景技术：
随着人类社会的发展，人类面临严重的能源问题，解决能源短缺问题和能源开发 利用中引起的环境问题将是人类可持续发展的关键所在。预计到2020年，中国的能源需求 25亿t到30亿t煤，石油缺口 1. 6-2. 2亿t，能源短缺问题已经严重的威胁到中国的经济 和能源安全。随着不可再生石油储量日益减少导致的油价上涨和燃烧所产生的(X)2等温室气体 对环境的严重影响，开发新的对环境友好的可再生能源已成为当今科学研究的热点。生物 质能源是一种环保型可再生的洁净能源，不含硫，具有优良的环保特性，由于是含氧燃料， 所以燃烧性能和安全性能好、具有可再生性，所有发展生物能源已成为我国乃至世界各国 科学研究的热点领域。在石油形成的地质成烃过程中，首要条件是地质中富含油脂的藻类有机质被保存 下来，其中烃源岩包括页岩，泥岩、碳酸盐和含泥质的岩石等。大部分的石油研究者认为，主 要烃源于藻类中油脂脱羧形成。高油微藻脂肪酸含量在氮元素缺乏时可达到细胞干重的 80%,并且具有光合效率高，零净碳值，生命周期短，易于培养，油、烃含量高等优点，被认为 是最终解决人类社会交通运输用液态燃料的最后途径。但是藻类原料中水分含量高，结构性油脂多，采用传统的油脂提取和转化生物柴 油能耗大、难度较大等。采用热化学法裂解脱羧的选择性差，副反应多，产品复杂，品位低 劣；加氢脱氧方法能耗大，生产安全问题突出，效率低。最近的研究显示微波裂解选择性脱 羧高效生产可再生烃类燃料可能成为推动微藻能源产业化的关键技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水生植物快速裂解制备生物油的方法。该方法实现了 能源的综合利用，在此过程中无三废的产生，微波裂解产生的各种产物都得到了有效的利用。本发明的技术方案如下
本发明的一种水生植物快速裂解制备生物油的方法，是将水生植物烘干，控制水分含 量在15%以下，然后送入微波反应器中进行微波裂解，将微波裂解的产物进一步分离，分离 为气体、液体和固体。其中所述水生植物包括微藻。所述微波裂解的条件为微波功率范围500-60000W，裂解温度为135_700°C，微波 裂解的时间为2-15分钟。微波功率的最佳范围为1000-10000W，裂解温度为400-600°C。将微波裂解的产物进一步分离，生成的固体直接排出收集，裂解产生的高温气体 通过冷凝迅速冷却，可冷凝部分流出收集液体即生物油，不可冷凝部分经分离、干燥收集为气体即可燃气体。分离出的固体经筛分，细粉用于制备有机肥，粗粉进入微波反应器进行二次裂解。本发明采用的微波高温催化裂解的方法，具有利用效率高，微波裂解的物料升温 迅速的优点，还具有选择性和灵活性、无滞后效应和无污染、可精确地控制和使用等特点； 可采用氯化盐或硝酸盐为催化剂(如氯化镁、氯化锌、硝酸钾等)，进行催化裂解，所得生物 油成分简单，便于利用。所述的微藻和水生植物快速裂解制备生物油的方法，还可采用专利用设备进行， 专用设备的系统构造如图1所示；所述专用设备的构造为(1)螺杆推进器(2)进料斗(3) 微波发生器(4)微波反应器(5)储渣罐(6)冷凝器(7)储油罐(8)水泵(9)冷却器(10)冷 却水罐(11)洗气罐(12)干燥器(13)储气罐(14)燃气发电机(15)干燥系统(16)罗茨风 机；利用上述专用设备制备生物油的方法如下
1)烘干先将水生植物投入干燥系统15烘干，控制水分含量在15%以下，由螺 杆推进器1将水生植物送入进料斗2，再由螺杆推进的方式送入微波反应器4或将干燥后的 水生植物利用真空吸料的方式送入微波反应器4 ；
2)微波微波功率范围500-60000W，微波反应器温度范围为135-700°C，物料 在微波反应器内微波裂解的时间为2-15分钟；
3)固体分离在微波反应器4下方出口连接储渣罐5收集固体；
4)气、液分离水生植物在微波反应器4热裂解产生的高温气体，经过三段冷 凝器6得到迅速冷却，可冷凝部分流入储油罐7收集生物油；不可冷凝的气体经洗气罐11， 再经干燥器12干燥后流入储气罐13收集可燃气体，然后经燃气发电机14进行发电，发电 供整个系统使用，或者直接燃烧供热用于干燥系统15 ；
5)冷凝器所需的冷却水由水泵8从冷却水罐10中送入冷凝器6，所回流的冷 凝水经冷却器9流回冷却水罐10 ；
6)整个专用设备的系统通过罗茨风机16保持负压状态，工作压力控制 在-0. 005 -0. 04 MPa，严禁空气进入系统内；
7)产生的热量进行回收循环使用，用于干燥系统15。其中步骤3)收集的固体经筛分后，细粉用于制备有机肥，粗粉重复步骤1)、2)进 行二次裂解。本发明的专用设备可小型化，特别适用于我国原料资源丰富而分散的特点，在全 国广大农村推广，从而实现分散式原料资源就地利用。由于我国存在大量的污水，因此可利用污水来进行微藻处理，起到污水利用的同 时，又为微藻油脂微波裂解脱羧生产生物油产业化提供了大量的微藻原料。城市污水可通 过管道输送到污水厂，利用微藻光和反应器来进行污水处理，微藻资源丰富，直接可进行微 波裂解生产生物油，生物油再集中精炼利用，可以大大降低运输成本。利用本发明的微波 裂解生产生物油与传统裂解相比有较大的优势首先微波裂解反应低温可控，另外微波裂 解的有机部分含有的杂质少，这种低杂质的微波裂解生物油完全可能用作化石燃料来使用 (如精制后与原油混合使用)，微波裂解产气具有H2和CO的比例较高，稠环烃含量少，低灰分 等优势，通过费托合成产出的生物油可以直接利用，有效的缩短了 GCL的流程，另外微波裂 解过程中生产的固体产物可以还田用作土壤改良剂，改善土壤，增加农民收入，真正实现了
4微藻能源的综合利用，在此过程中无三废的产生，微波裂解产生的各种产物都得到了有效 的利用。本发明利用微波高温催化裂解技术，将干燥后的水生植物裂解为10-25%的气体、 55-85%的液体和5-20%固体。其中气体基本上为小分子物质(氢气、一氧化碳、甲烷)和少量 短碳链碳氢化合物，具有很好的可燃性，可用来燃烧发电供系统本身使用；液体为生物油， 既是很好的燃料，又可提炼成高价值的化学制品；固体中含有N、P、K等元素，可作为无机肥 料返回田地，完全实现生物质及其废弃物资源的资源化、无害化。
图1为本发明的专用设备的系统构造图； 图2为本发明的工艺流程图。
具体实施例方式本发明利用专用设备进行水生植物微波裂解的系统工作原理，由以下步骤完成
1)先将水生植物剪切为长度小于8cm的小段，将水生植物投入干燥系统15烘 干，控制水分含量在15%以下。由螺杆推进器1将水生植物送入进料斗2，再由螺杆推进的 方式送入微波反应器4 (微波反应器4中有单螺杆传动结构)或将干燥后的水生植物利用 真空吸料的方式送入微波反应器4 ；
2)在微波反应器4与微波发生器3与微波反应器之间配置有能穿透微波的 耐高温材料，在进料斗2与微波反应器4之间可配置自动金属密封阀，保证连续进料时热 解炉内的高温气体不会返窜至微波发生器和进料斗。微波功率范围500-12000W，由于刚 开始时，整个系统温度较低，需要较大的微波功率。当系统正常运行时微波功率最佳范围 1000-10000W,微波反应器温度范围为135-700 °C，物料在微波反应器内微波裂解的时间为 2-15分钟。3)微波反应器4要有足够的机械强度，保温性能和密封性能良好，耐温 900°C，专业设计的螺旋结构保证物料输送时兼有翻转功能，使热解更均勻，输送速度变频 调节。4)在微波反应器4下方出口连接储渣罐5收集固体，收集的固体经筛分 后，细粉用于制备有机肥，粗粉送入干燥系统15进行二次裂解。5)水生植物在微波反应器4热裂解产生的高温气体，经过三段冷凝器6 得到迅速冷却，可冷凝部分流入储油罐7，不可冷凝的气体经洗气罐11，再经干燥器12干燥 后流入储气罐13，再经燃气发电机进行发电，发电给整个系统使用，或者直接燃烧供热用于 干燥水生植物。6)冷凝器所需的冷却水由水泵8从冷却水罐10中送入冷凝器6，所回流 的冷凝水经冷却器9流回冷却水罐10。冷却器9可采用压缩机组制冷，也可采用冷却塔的 形式进行冷却。7)配置热解产物中汽、液、固体样品的采集口。8)整个系统通过罗茨风机16保持相对封闭的负压状态，工作压力控制 在-0. 005 -0. 04 MPa,严禁空气进入系统内。
9)稳定工作后实现热解产生的液体、气体和残渣所产生的热量进行回收 循环使用，用来干燥水生植物的原料。以下是本发明的几个具体实施例子，进一步描述本发明，但是本发明不仅限于此。实施例1 微波裂解系统对微藻泥(取自于福州污水处理厂的水网藻)处理过程
1.微波裂解藻泥将取自于福州污水处理厂的水网藻投入干燥系统15烘干后，由螺杆 推进器1送入进料斗2。进料斗2中的干藻粉的由螺杆输送形式送入微波反应器4，进料速度为150 kg/h， 连续供料。物料在微波反应器内微波裂解的时间为4分钟。刚开始时，微波功率为20000W， 当反应温度达到要求时，微波功率为5600W，裂解反应器温度控制范围为420-510°C。2.微波发生器3的功率、螺杆推进器进料速率和微波裂解时间可由程序自动控 制，并在主控台前触摸屏上显示。3.干藻泥经微波裂解所产生的高温气体由管道送入冷凝器6，固体渣送入储渣罐 5 ；
4.微波裂解所得到的气体分别经过三级冷凝器6，可冷凝部分的液体进入储油罐7， 不可冷凝的气体导入洗气罐11，除去(X)2 (约为1%)，再进入干燥罐12进行干燥处理，最后 收集在储气罐13内。收集得到的气体为可燃气体，可接入燃气发电机上使用，或者直接燃 烧供热来干燥湿藻泥。收集得到的气体约占总物料的15%。5.经过冷凝器6的气体，冷却后液体部分流入储油罐7。储油罐7中的液体是生 物质原油。收集得到的生物油为74%。6.微波裂解所得的固体渣进入储渣罐5，固体渣用来制备有机肥，收集得到的固 体渣约占10%。固体渣的热量回收来干燥湿藻泥。7.整个系统通过罗茨风机16保持相对封闭的负压状态，工作压力控制 在-0.010 -0.015 MPa，严禁空气进入系统内。实施例2 微波裂解系统对海藻(取自于莆田海带养殖场的海藻)处理过程
1.微波裂解海藻将取自于莆田海带养殖场的海藻泥投入干燥系统15烘干后，由螺杆 推进器1送入进料斗2
进料斗2中的干藻粉的由螺杆输送形式送入微波反应器4，进料速度为180 kg/h，连续 供料。物料在微波反应器内微波裂解的时间为4分钟。微波功率范围1500-7600W，裂解反 应器温度控制范围为440-510°C。2.干藻泥经微波裂解所产生的高温气体由管道送入冷凝器6，固体渣送入储渣罐 5 ；
3.微波裂解所得到的气体分别经过三级冷凝器6，可冷凝部分的液体进入储油罐7， 不可冷凝的气体导入洗气罐11，除去(X)2 (约为1%)，再进入干燥罐12进行干燥处理，最后 收集在储气罐13内。收集得到的气体为可燃气体，可接入燃气发电机上使用，或者直接燃 烧供热来干燥湿藻泥。收集得到的气体约占总物料的13%。4.经过冷凝器6的气体，冷却后液体部分流入储油罐7。储油罐7中的液体是生 物质原油。收集得到的生物油为81%。5.微波裂解所得的固体渣进入储渣罐5，固体渣用来制备有机肥，收集得到的固 体渣约占5%。固体渣的热量回收来干燥湿藻泥。
6.整个系统通过罗茨风机16保持相对封闭的负压状态，工作压力控制 在-0.012 -0.018 MPa，严禁空气进入系统内。实施例3 微波裂解系统对微藻泥(取自于福建大老古养殖所排放沼液养殖的小 球藻)处理过程
1. 微波裂解小球藻的藻泥将取自于福建大老古养殖所排放沼液来养殖的小球藻 泥投入干燥系统15烘干后，由螺杆推进器1送入进料斗2。进料斗2中的干藻粉的由螺杆输送形式送入微波反应器4，进料速度为160 kg/h， 连续供料。物料在微波反应器内微波裂解的时间为4分钟。刚开始时，微波功率为20000W， 当反应温度达到要求时，微波功率为6200W，裂解反应器温度控制范围为415-505°C。2. 微波发生器3的功率、螺杆推进器进料速率和微波裂解时间都由程序自动 控制，并在主控台前触摸屏上显示。3. 干藻泥经微波裂解所产生的高温气体由管道送入冷凝器6，固体渣送入储 渣罐5 ；
4. 微波裂解所得到的气体分别经过三级冷凝器6，可冷凝部分的液体进入储油罐 7，不可冷凝的气体导入洗气罐11，除去(X)2 (约为1%)，再进入干燥罐12进行干燥处理，最 后收集在储气罐13内。收集得到的气体为可燃气体，可接入燃气发电机上使用，或者直接 燃烧供热来干燥湿藻泥。收集得到的气体约占总物料的15%。5. 经过冷凝器6的气体，冷却后液体部分流入储油罐7。储油罐7中的液体是 生物质原油。收集得到的生物油为78%。6. 微波裂解所得的固体渣进入储渣罐5，固体渣用来制备有机肥，收集得到 的固体渣约占6%。固体渣的热量回收来干燥湿藻泥。7. 整个系统通过罗茨风机16保持相对封闭的负压状态，工作压力控制 在-0.012 -0.016 MPa，严禁空气进入系统内。实施例4 微波裂解系统对浮萍(取自于福州郊区鱼塘)处理过程
1.微波裂解浮萍将取自于福州郊区鱼塘晒干后，投入干燥系统15烘干，添加0.5%的 氯化镁混合均勻，由螺杆推进器1送入进料斗2。干浮萍从进料斗2，由螺杆推进的方式送入微波反应器4，进料速度为95 kg/h,连 续供料。物料在微波反应器内微波裂解的时间为6分钟。刚开始时，微波功率为20000W，当 反应温度达到要求时，微波功率为7100W，裂解反应器温度控制范围为440-510°C。2.微波发生器3的功率、螺杆推进器进料速率和微波裂解时间都由程序自动控 制，并在主控台前触摸屏上显示。3.干浮萍经微波裂解所产生的气体由管道送入冷凝器6，固体物质送入储渣罐5 ； 4.微波裂解所得到的气体分别经过三级冷凝器6，可冷凝部分的液体进入储油罐7，
不可冷凝的气体导入洗气罐11，除去(X)2 (约为1.5%)，再进入干燥罐12进行干燥处理，最 后收集在储气罐13内。收集得到的气体为可燃气体，可接入燃气发电机上使用，或者直接 燃烧供热用于干燥系统15。收集得到的气体约占总物料的26. 5%。5.经过冷凝器6的气体，冷却液化为生物油，滴入储油罐7。储油罐7中的液体是 生物油。收集得到的生物油约占57%。6.微波裂解所得的固体渣进入储渣罐5，固体渣用来制备有机肥，收集得到的固体渣约占15%。固体渣的热量回收来干燥物料。7.整个系统通过罗茨风机16保持相对封闭的负压状态，工作压力控制 在-0.012 -0.016 MPa，严禁空气进入系统内。实施例5 微波裂解系统对水浮莲(取自于水口水库)处理过程
1.微波裂解水浮莲将取自于闽清水口水库的水浮莲晒干后，投入干燥系统15烘干， 添加0. 3%的氯化锌混合均勻，由螺杆推进器1送入进料斗2。2.干浮萍从进料斗2，由螺杆推进的方式送入微波裂解反应器4，进料速度为 85 kg/h，连续供料。物料在微波反应器内微波裂解的时间为5分钟。刚开始时，微波功 率为20000W，当反应温度达到要求时，微波功率为6100W，裂解反应器温度控制范围为 450-515 O。微波发生器3的功率、螺杆推进器进料速率和微波裂解时间都由程序自动控制， 并在主控台前触摸屏上显示。3.干浮萍经微波裂解所产生的气体由管道送入冷凝器6，固体物质送入储渣罐5 ； 4.微波裂解所得到的气体分别经过三级冷凝器6，可冷凝部分的液体进入储油罐7，
不可冷凝的气体导入洗气罐11，除去(X)2 (约为1.5%)，再进入干燥罐12进行干燥处理，最 后收集在储气罐13内。收集得到的气体为可燃气体，可接入燃气发电机上使用，或者直接 燃烧供热用于干燥系统15。收集得到的气体约占总物料的25. 5%。5.经过冷凝器6的气体，冷却液化为生物油，滴入储油罐7。储油罐7中的液体是 生物油。收集得到的生物油约占58%。6.微波裂解所得的固体渣进入储渣罐5，固体渣用来制备有机肥，收集得到的固 体渣约占15%。固体渣的热量回收来干燥物料。7. 整个系统通过罗茨风机16保持相对封闭的负压状态，工作压力控制 在-0.012 -0.018 MPa，严禁空气进入系统内。实施例6
本发明的水生植物快速裂解制备生物油的方法，步骤如下
将含微藻污泥(利用污水来进行微藻处理)烘干，控制水分含量在15%以下，然后送入微 波反应器中进行微波裂解，将微波裂解的产物进一步分离，生成的固体直接排出收集，裂解 产生的高温气体通过冷凝迅速冷却，可冷凝部分流出收集液体，不可冷凝的气体经分离、干 燥收集为气体。所述微波裂解的条件为微波裂解的时间为8分钟，微波功率为1000W，裂 解温度为400-600°C。本发明利用微波高温催化裂解技术，将干燥后的水生植物裂解为21%的气体、55% 的液体和20%固体。
权利要求
1.一种水生植物快速裂解制备生物油的方法，其特征在于将水生植物烘干，控制水 分含量在15%以下，然后送入微波反应器中进行微波裂解，将微波裂解的产物进一步分离， 分离为气体、液体和固体。
2.根据权利要求1所述的水生植物快速裂解制备生物油的方法，其特征在于所述水 生植物包括微藻。
3.根据权利要求1所述的水生植物快速裂解制备生物油的方法，其特征在于所述微 波裂解的条件为微波功率范围500-60000W，裂解温度为135-700°C，微波裂解的时间为 2-15分钟。
4.根据权利要求1所述的水生植物快速裂解制备生物油的方法，其特征在于微波功 率的最佳范围为1000-10000W，裂解温度为400-600°C。
5.根据权利要求1所述的水生植物快速裂解制备生物油的方法，其特征在于将微波 裂解的产物进一步分离，生成的固体直接排出收集，裂解产生的高温气体通过冷凝迅速冷 却，可冷凝部分流出收集液体即生物油，不可冷凝部分经分离、干燥收集为气体即可燃气 体。
6.根据权利要求1所述的水生植物快速裂解制备生物油的方法，其特征在于分离出 的固体经筛分，细粉用于制备有机肥，粗粉进入微波反应器进行二次裂解。
7.根据权利要求1所述的水生植物快速裂解制备生物油的方法，其特征在于所述方 法采用的专用设备的构造为(1)螺杆推进器(2)进料斗(3)微波发生器(4)微波反应器 (5)储渣罐(6)冷凝器(7)储油罐(8)水泵(9)冷却器(10)冷却水罐(11)洗气罐(12)干 燥器(13)储气罐(14)燃气发电机(15)干燥系统(16)罗茨风机；利用上述专用设备制备生 物油的方法如下1)烘干先将水生植物投入干燥系统15烘干，控制水分含量在15%以下，由螺杆推进 器1将水生植物送入进料斗2，再由螺杆推进的方式送入微波反应器4或将干燥后的水生植 物利用真空吸料的方式送入微波反应器4 ；2)微波微波功率范围500-60000W，微波反应器温度范围为135-700°C，物料在微波反 应器内微波裂解的时间为2-15分钟；3)固体分离在微波反应器4下方出口连接储渣罐5收集固体；4)气、液分离水生植物在微波反应器4热裂解产生的高温气体，经过三段冷凝器6得 到迅速冷却，可冷凝部分流入储油罐7收集生物油；不可冷凝的气体经洗气罐11，再经干燥 器12干燥后流入储气罐13收集可燃气体，然后经燃气发电机14进行发电，发电供整个系 统使用，或者直接燃烧供热用于干燥系统15 ；5)冷凝器所需的冷却水由水泵8从冷却水罐10中送入冷凝器6，所回流的冷凝水经冷 却器9流回冷却水罐10 ；6)整个专用设备的系统通过罗茨风机16保持负压状态，工作压力控制 在-0. 005 -0. 04 MPa，严禁空气进入系统内；7)产生的热量进行回收循环使用，用于干燥系统15。
8.根据权利要求7所述的水生植物快速裂解制备生物油的方法，其特征在于步骤3) 收集的固体经筛分后，细粉用于制备有机肥，粗粉重复步骤1)、2)进行二次裂解。
全文摘要
本发明提供了一种水生植物快速裂解制备生物油的方法。该方法将水生植物烘干，控制水分含量在15%以下，然后送入微波反应器中进行微波裂解，将微波裂解的产物进一步分离，分离为气体、液体和固体。本发明利用微波高温催化裂解技术，将干燥后的水生植物裂解为10-25%的气体、55-85%的液体和5-20%固体。其中气体基本上为小分子物质(氢气、一氧化碳、甲烷)和少量短碳链碳氢化合物，具有很好的可燃性，可用来燃烧发电供系统本身使用；液体为生物油，既是很好的燃料，又可提炼成高价值的化学制品；固体中含有N、P、K等元素，可作为无机肥料返回田地，完全实现生物质及其废弃物资源的资源化、无害化。
文档编号C10B53/02GK102108302SQ201110032668
公开日2011年6月29日 申请日期2011年1月30日 优先权日2011年1月30日
发明者李农, 林明儿 申请人:李农, 林明儿, 福州索源智能装备技术开发有限公司