放电等离子体转化秸秆制备生物燃料的方法

1.放电等离子体转化秸秆制备生物燃料的方法，其特征在于：生物质秸秆在微流注放电等离子体条件下，利用惰性气体和水蒸汽的环境，携带四氢萘，转化为生物燃料，具体步骤如下：
（a）预热转化反应器温度为80℃，预热水蒸汽发生器；
（b）将木质纤维素类生物质秸秆原料粉碎，用筛子将筛好的秸秆粉加到螺旋进料器的漏斗中，接上二级送料气；
（c）放电反应前，先用惰性气体吹扫反应器，进气流量为5L/min，完全排除反应器中空气，再将放电气体，即惰性气体充入反应器；
（d）通入饱和水蒸汽，四氢萘用蠕动泵加入惰性气体和水蒸汽的混合气体中，一起加到等离子体转化反应器中；
（e）启动微流注放电控制系统电源开关，调整激励电压，开始放电反应；
（f）反应结束时，先关掉螺旋进料器、微流注放电控制系统电源开关，停止供气，然后关掉总开关；
反应后的产物用冷凝收集。
2.根据权利要求1所述的放电等离子体转化秸秆制备生物燃料的方法，其特征在于：系统装置包括微流注放电秸秆进料单元、转化反应器、反应器激励组件、媒质气体输送单元、产物收集单元；
进料单元包括螺旋进料器和二级送料装置；
转化反应器为双筒结构，外筒为绝缘材质的反应筒，放电结构为线-筒式，高压电极为螺纹金属棒或石墨棒，内筒为石英玻璃筒或α-Al2O3筒，作为阻挡介质层，外附一层金属作为接地电极；
反应器激励组件包括高频高压电源和调压器；
媒质气体输送单元包括二级送料气体、放电气体，分别进行气体输送；
产物收集单元包括冷凝设备、产物收集设备。

放电等离子体转化秸秆制备生物燃料的方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于生物燃料制备技术领域，具体为放电等离子体转化秸秆制备生物燃料的方法。\n背景技术\n[0002] 生物质是地球上丰富的可再生资源，是利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，是一切有生命的可以生长的有机物质，它不同于石油、煤炭、核能等传统燃料，是可再生能源物质，利用生物质转化制取生物燃料，可以缓解能源危机，有利于环境保护。生物燃料是指由生物质转化的固体、液体或气体燃料，可以替代由石油制取的汽油和柴油，是可再生能源开发利用的重要方向。20世纪70年代以来，受传统能源价格、环保和全球气候变化的影响，世界各国日益重视生物燃料的发展。\n[0003] 秸秆是生物质原料中十分重要的一种，可以制备很多重要的化学、化工原料，其中制备生物燃料就是一种重要的应用。目前为促进生物燃料行业的健康发展，我国研发的重点主要集中在以木薯、甜高粱等淀粉质或糖质非粮作物以及木质纤维素为原料的生物液体燃料技术。生物质的转化一般有两条途径：一种是化学分解，另一种是生物降解，其中化学转化法被分为直接燃烧和热化学转化。热化学转化分被分为气化、热解和液化。生物质原料转化为生物燃料实际上是热化学转化中的液化，是将有机原料转化为液体产物的热化学过程。液化过程中，生物质原料中的大分子先在适当的介质中分解为小分子组分，同时，这些高活性不稳定的小分子经重聚再生成生物燃料。\n[0004] 目前，人们利用木屑、稻壳、秸秆等原料在不同的温度、压力和催化剂存在条件下转化成为不同组分的生物燃料，如加拿大、美国以海藻作为原料，加工生产适合航空使用的燃料。在技术研究上，各国学者们取得了不同的研究成果，在高温、高压、水和催化剂存在条件下，将木材液化为燃料油。以油菜杆、脱灰油菜秸秆、花生秸秆、芝麻秸秆在500oC左右进行了快速热解得到生物油美国可再生资源实验室利用烧蚀涡流反应器研究了裂解技术，国内也有很多高校、科研院所研究热解液化技术，沈阳农大研究了旋转锥壳生物质热裂解项目，山东理工大学、浙江大学、山西大学、复旦大学等对生物质热解技术也进行了深入研究，美国美国奥克拉大学的科研人员正试图开发利用柳枝稷制造乙醇的方法，从柳枝稷的纤维素中提炼糖，然后把糖制成燃料。但是，研究中发现，目前的技术还存在一定的难题，转化技术中，面临的问题主要是成本费用过高，热解液化物产率低、成份难以控制，一直以来都是技术的瓶颈问题。从上面论述可以看出现有技术中的液化技术基本是在高温高压条件下进行的热化学过程，将生物质转化为高热值的液体产物。为了得到更多的生物油，在反应体系中加入金属碳酸盐等催化剂，或充入氢气、一氧化碳。由于高压的存在，对设备密封性要求比较高，高温对相关设备或配件的耐热性也提出很高的要求，闪速热解对升温速率要求很高以及热解过程中隔绝空气等都影响技术的进一步推广。\n[0005] 为此，研究一种对压力、温度等要求不高的生物质转化制备生物燃料的方法具有重要的意义。\n发明内容\n[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提供一种放电等离子体转化秸秆制备生物燃料的方法。\n[0007] 本发明选用的原料是木质纤维素类生物质秸秆原料，如玉米秸秆、棉花秸秆、水稻秸秆等，在放电等离子体存在条件下，转化为生物燃料。\n[0008] 本发明放电等离子体转化秸秆制备生物燃料工艺可以概括为：\n[0009] 原料粉碎→放电等离子体转化→产物。\n[0010] 放电等离子体转化秸秆是在一定条件下放电产生的活性粒子的作用下，直接实现秸秆类木质纤维素的转化过程。因此，对于转化实验工艺，根据放电等离子体过程及秸秆类生物质的特点进行综合考虑。高气压下的微流注放电等离子体是在外电场作用下电子从电场中获取能量，通过电子与周围原子、分子的碰撞，电子把自身的能量转移给它们，使它们激发、电离和解离，产生电子雪崩，当气体间隙上的外电场电压超过气体的击穿电压时，气体被击穿。\n[0011] 对于木质纤维素来讲，在25 240oC时可以解析物理吸附水，某些葡萄糖基开始脱~\no o\n水，高于240C秸秆会产生低分子量挥发性化合物，因此反应温度范围为25 240C作为反应~\n器设计的依据。另外，秸秆易于燃烧、氧化，产生低分子量的挥发性化合物，生成的轻质生物油等产物在等离子体条件下还可能分解，产生挥发物，从而使产率降低。在反应过程中秸秆粉是固定相，而放电气体是流动相，反应产物吸附在反应物料表面，只能利用流动相将产物移除，提高传质速率，使秸秆粉充分与放电气体接触，才能有效提高产率，为此，在放电反应器内，需要放电气体与反应物料充分接触，提供惰性气体环境，保证一定的水蒸汽流量，设计进气系统，快速移除反应产物。\n[0012] 在微流注放电秸秆转化过程中，除了初步设计适当的反应条件外，还必须使秸秆粉尽可能多的进入等离子体反应区间内。因此，反应器及实验工艺满足以下条件：\n[0013] （1）由于高气压下离子轰击作用减弱，对于秸秆存在的等离子体反应区，要有外加热源进行反应过程中辅助加热，以达到高气压下较强的离子轰击所需要的温度，鉴于纤维素类生物质的特点，反应器内温度不能高于300oC。\n[0014] （2）反应器的容积效率要尽可能大，秸秆等纤维素类生物质体积大，密度小，原料粒径约为0.2 1mm。\n~\n[0015] （3）单独的供气系统，提供惰性气体环境，避免对秸秆原料氧化、燃烧等。\n[0016] （4）系统放电电压范围为1000V 10000V、最高放电功率为1000W。\n~\n[0017] 微流注放电等离子体转化秸秆制备生物燃料装置包括：微流注放电秸秆进料单元、转化反应器、反应器激励组件、媒质气体输送单元、产物收集单元等。\n[0018] 实验工艺对于反应装置的具体要求为，第一，要求具有加热装置，并且能够准确测量温度，并使温度在一定范围内调节；第二，由于反应物料为固体在水蒸汽气氛中反应，放电电极结构为线-筒型；第三，由于反应需要惰性气体环境，因此需要反应器密封性能好，能准确测量进气流量，耐受一定的压力；第四，秸秆在微流注放电条件下，需要高电压放电，因此，反应器具有良好的电绝缘性，同时便于观察放电现象；第五，电极间距可调，具有可伸缩调节的接地电极筒柱；第六，具有产物收集系统。\n[0019] 制备工艺如下：\n[0020] （1） 预热反应器到指定温度，预热水蒸汽发生器。\n[0021] （2）将木质纤维素类生物质秸秆原料粉碎，用筛子将筛好的秸秆粉加到螺旋进料器的漏斗中，接上二级送料气；\n[0022] （3）放电反应前，先用惰性气体吹扫反应器，完全排除反应器中空气，再将放电气体，即惰性气体充入反应器；\n[0023] （4）通入饱和水蒸汽，四氢萘用蠕动泵加入惰性气体和水蒸汽的混合气体中，一起加到等离子体转化反应器中；\n[0024] （5）启动微流注放电控制系统电源开关，调整激励电压，开始放电反应；\n[0025] （6）反应结束时，先关掉螺旋进料器、微流注放电控制系统电源开关，停止供气，然后关掉总开关；\n[0026] （7）反应后的产物用冷凝收集。\n[0027] 四氢萘随着水蒸汽加入到反应器后，随即挥发，秸秆粉以流化状态悬浮在四氢萘的水蒸汽和惰性气体氛围中，惰性气体主要有两个作用：一是扫除反应器中可氧化气体，防止四氢萘遇强氧化剂燃烧；二是作为放电气体，产生高能活性粒子。水蒸汽和四氢萘的作用+\n是：提供丰富的氢质子环境，在放电阻挡介质上产生H鞘层，水蒸汽将四氢萘以气态形式带入反应器中，加快反应速度。\n[0028] 微流注放电转化反应器为双筒结构，外筒为绝缘材质的反应筒，放电结构为线-筒式，高压电极为螺纹金属棒、石墨棒，内筒为石英玻璃筒，作为阻挡介质层，外附一层金属作为接地电极。\n[0029] 放电等离子体转化秸秆制备的生物燃料成分复杂，从元素成分上看主要以碳、氢、氧为主，是水、焦油和含氧有机化合物组成的混合物，包括有机酸、酯类化合物、醛以及缩醛、半缩醛，醇类化合物、烃类化合物、芳香烃、酚类化合物等。反应所得到的液态产物经过分馏，分出水、轻质油和重质油，轻质油收集沸点低于100oC的产物，重质油收集沸点高于\n200 oC的产物，得到的产物可燃，分离后是可充分利用的工业原料。\n[0030] 本发明可以充分利用生物质秸秆原料，避免热解方法中高温、高压，难以实现很高的升温速率的要求，反应过程中不使用酸、碱等强腐蚀性化学物质及其有害辐射源，反应过程无污染，对人体无伤害，对设备无腐蚀，整个工艺过程及其产物对环境友好。放电过程中在秸秆粉层、介质层表面产生H+鞘层，其在等离子体条件下转化木质纤维素中的作用，可以应用于更广泛的酸催化类化学反应中，以减少酸污染。\n[0031] 本发明在微流注放电等离子体条件下，利用惰性气体和水蒸汽的环境，携带四氢萘，可以充分发挥四氢萘在水蒸汽中挥发性，在放电环境中可以有效提高秸秆的转化率和生物燃料的品质。本发明的方法不同于传统的木质纤维素制备生物燃料的方法，同时将等离子体化学反应由传统的气态反应模式扩充到了固态反应模式，为废弃的木质纤维素资源化利用提供了一个新视角。\n附图说明\n[0032] 附图1为制备工艺流程图；附图2为转化反应器结构示意图；图3转化时间与玉米秸秆转化率、生物燃料的产率关系图。\n[0033] 图示：1秸秆、2粉碎、3球磨、4温度控制、5四氢萘、6蠕动泵、7混气仪、8等离子体转化反应器、9介质、电极和秸秆反应残渣冲洗液、10惰性气体、11水蒸汽发生器、12调压器、13高频高压电源、14产物、15冷凝、16高压电极、17外筒、18内筒、19接地电极。\n具体实施方式\n[0034] 微流注放电转化反应器是双筒结构，外筒为有机玻璃，放电结构为线-筒式，高压电极为不锈钢螺纹棒，螺纹直径5mm，长500mm，内筒为石英玻璃筒，作为阻挡介质层，外附一层铝箔作为接地电极。具体操作步骤如下：\n[0035] （1） 先将等离子体转化反应器预热到80oC，预热水蒸汽发生器；\n[0036] （2） 将玉米秸秆粉碎，磨成0.2mm粒径，用筛子将筛好的秸秆粉加到螺旋进料器的漏斗中，接上二级送料气氮气；\n[0037] （3） 放电反应前，先用氮气吹扫反应器5min，排除反应器中空气，将放电气体氮气的进气流量调为5L/min；\n[0038] （4） 通入饱和水蒸汽，四氢萘用蠕动泵加入氮气和水蒸汽的混合气体中，一起加到等离子体转化反应器中；\n[0039] （5） 启动微流注放电控制系统电源开关，调整激励电压5000V，放电反应1h；\n[0040] （6） 反应结束时，先关掉螺旋进料器、微流注放电控制系统电源开关，停止供气，然后关掉总开关；\n[0041] （7） 反应后的产物用冷凝收集。\n[0042] 收集到的产物为棕黑色粘稠液体，热值为26MJ/KJ，含氧量38.6%，具有较好的流动性，可以燃烧，可以作为民用、工业用燃料，热效率达到48%。\n[0043] 图3是在240oC和室温条件下，转化时间与秸秆转化率、生物燃料的产率关系图。\n[0044] 本实施例也可以选用稻秆、棉秆等木质纤维素类生物质原料，高压电极可以选用石墨棒。