一种富含左旋葡聚糖的生物油制备系统及方法与流程

本发明属于生物质热解领域，更具体地，涉及一种富含左旋葡聚糖的生物油制备系统及方法。
背景技术：
：纤维素作为生物质中分布广泛、纯净单一的物质，非常适合从中制取化工产品，其热解后产物组分主要为左旋葡聚糖。左旋葡聚糖作为葡萄糖的一种衍生物，拥有独特的结构和化学性质，在工业上应用十分广泛，其价格较为昂贵，约为378元/g，因此具有很高的商业潜力。一直以来，左旋葡聚糖受到人们的密切关注，通过左旋葡聚糖可以合成多种十分有价值的化合物，用于各行各业。例如，作为新的糖源应用于生物基平台化合物制备和生物技术发酵领域，还可以合成植物生长调节剂和杀虫剂等。目前应用较为广泛的纤维素热解模型如图1所示，纤维素在400-550℃的惰性气体氛围下进行快速热解反应，生成富含左旋葡聚糖的生物油。然而由于左旋葡聚糖380℃以上不稳定，很容易继续分解为h2o、co2、呋喃、糖醛、乙酸等利用价值低下的低分子量产物，从而使左旋葡聚糖的制备效率低下，制得的生物油中左旋葡聚糖含量较低，失去了很大一部分利用价值。另一方面，热解所需的温度为400℃以上，维持热解持续进行所需能耗较大。技术实现要素：针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种富含左旋葡聚糖的生物油制备系统及方法，其通过高效利用太阳辐射产生的热能，使得纤维素在反应器高温区热解生成初级焦油，并快速进入低温区避免其二次反应，之后及时进行冷凝收集，从而获取富含左旋葡聚糖的生物油，具有结构紧凑、操作工艺简单、设备维护成本低、太阳能利用率高，所制备生物油中左旋葡聚糖纯度高、品质好等特点。为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种富含左旋葡聚糖的生物油制备系统，其利用聚光太阳能双温区效应进行制备，包括定日镜场、双曲面反射镜、螺旋给料器、太阳能流化床热解反应器、生物油分级冷凝收集装置以及尾气循环利用装置，其中：所述定日镜场用于接收太阳辐射并通过所述双曲面反射镜将所接收的太阳辐射汇聚至所述太阳能流化床热解反应器的高温区以获得热能提供反应所需热量；所述螺旋给料器与所述太阳能流化床热解反应器的上端口相连，用于将纤维素送入所述太阳能流化床热解反应器中；所述太阳能流化床热解反应器分为位于下方的由太阳辐射直接照射到的高温区以及位于高温区上方的低温区，其底部为具有一定倾角的锥体，并连接有与其同轴设置的毛细管，其上方的侧面还设置有用于排气的支口；从上端口进入太阳能流化床热解反应器中的纤维素，在重力的作用下落入反应器的高温区开始裂解为富含左旋葡聚糖的气相初级焦油，未反应的纤维素在反应器底部毛细管的流化气体的作用下反复经过高温区充分反应，纤维素裂解产生的气相初级焦油在其二次反应之前由下方流化气体运送至反应器的低温区处经支口进入生物油分级冷凝收集装置中进行冷凝收集；所述生物油分级冷凝收集装置与所述太阳能流化床热解反应器上方侧面的支口相连，其采用三级冷凝方式对从所述太阳能流化床热解反应器中排出的气相初级焦油进行冷凝处理以获得所需的富含左旋葡聚糖的生物油，冷凝后剩余的尾气由生物油分级冷凝收集装置的出气口排出；所述尾气循环利用装置包括将所述生物油分级冷凝收集装置出气口、氮气源和太阳能流化床热解反应器底部毛细管连接在一起的三通阀门，氮气源提供的氮气与从生物油分级冷凝收集装置出气口排出的尾气在三通阀门处混合为反应器提供流化气体。作为进一步优选的，所述生物油分级冷凝收集装置的三级冷凝方式具体为：第一级冷凝器以油作为冷凝介质，温度控制在270～280℃，优选275℃，用于冷凝气体中大部分的左旋葡聚糖，第二级冷凝器以油作为冷凝介质，温度控制在250～260℃，优选255℃，用于冷凝残余左旋葡聚糖，第三级冷凝器以干冰作为冷凝介质，温度控制在-25～-15℃，优选-20℃，用于冷凝剩余的液体产物。作为进一步优选的，所述太阳能流化床热解反应器高温区的单位面积辐射通量优选为180～220w/cm2，进一步优选为200w/cm2，纤维素送入太阳能流化床热解反应器中的速度为0.5～1.5g/min，进一步优选为1g/min。作为进一步优选的，所述生物油分级冷凝收集装置与所述尾气循环利用装置的三通阀门的第一入口端相连，所述三通阀门的第二入口端接氮气瓶，出口端与所述太阳能流化床热解反应器底部的毛细管相连。作为进一步优选的，所述太阳能流化床热解反应器为采用石英管制成的圆柱体，其底部锥体的倾角优选为20°，支口优选开设在靠近反应器上端口的四分之一处。按照本发明的另一方面，提供了一种富含左旋葡聚糖的生物油的制备方法，其采用所述的系统制备，包括如下步骤：s1纤维素通过螺旋给料器以恒定速度送入太阳能流化床热解反应器中；s2太阳辐射经过定日镜场的收集反射到双曲面反射镜，双曲面反射镜将太阳辐射反射汇聚到太阳能流化床热解反应器上的高温区；s3纤维素从太阳能流化床热解反应器的上端口进入太阳能流化床热解反应器中，在重力的作用下落入反应器的高温区开始裂解为富含左旋葡聚糖的初级焦油，未反应的纤维素在反应器底部毛细管中流化气体的作用下反复经过反应器的高温区充分反应，纤维素裂解产生的初级焦油在其二次反应之前由下方流化气体运送至反应器的低温区处，再经生物油分级冷凝收集装置冷凝收集；s4初级焦油气体在生物油分级冷凝收集装置中进行三级冷凝，以获得富含左旋葡聚糖的生物油以及尾气；s5尾气进入尾气循环利用装置中与氮气源提供的氮气混合后由太阳能流化床热解反应器的底部毛细管送入太阳能流化床热解反应器以实现流化气体的循环利用。作为进一步优选的，步骤s3中的三级冷凝具体为：以油作为第一级冷凝器的冷凝介质，温度控制在270～280℃，优选275℃，用于冷凝气体中大部分的左旋葡聚糖，以油作为第二级冷凝器的冷凝介质，温度控制在250～260℃，优选255℃，用于冷凝残余左旋葡聚糖，以干冰作为第三级冷凝器的冷凝介质，温度控制在-25～-15℃，优选-20℃，用于冷凝剩余的液体产物。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本发明的制备系统采用双温区太阳能流化床热解反应器，纤维素在高温区热解生成初级焦油，并快速进入低温区避免其二次反应，之后及时进行冷凝收集，从而获取富含左旋葡聚糖的生物油，制备过程简单、方便、产量高。2.本发明通过在反应器底部设置毛细管以喷出流化气体，一方面可以使没有反应的纤维素反复通过反应器高温区充分反应，另一方面作为载气运送初级焦油气体到生物油分级冷凝收集装置中。3.本发明采用三级冷凝方式进行冷凝，其中，第一级以油作为冷凝介质，温度控制在270～280℃，优选275℃，用于冷凝气体中大部分的左旋葡聚糖，第二级以油作为冷凝介质，温度控制在250～260℃，优选255℃，用于冷凝残余左旋葡聚糖，第三级以干冰作为冷凝介质，温度控制在-25～-15℃，优选-20℃，用于冷凝剩余液体产物，在上述冷凝工艺下可有效冷凝收集左旋葡聚糖。4.本发明还对反应器高温区处的单位面积辐射通量以及纤维素的供给速度进行了研究与设计，通过不断的探索与研究，获得了最佳的工艺即单位面积辐射通量为200w/cm2，纤维素供给速度为1g/min，使得左旋葡聚糖的产率高达31.2％5.本发明的反应器主体采用石英管，石英管对红外几乎透明，大量的太阳辐射透过石英管直接照射到物料上，且利用聚光太阳能升温速率快的特点，满足富含左旋葡聚糖的生物油制备所需的升温速率快的要求。6.本发明通过充分利用太阳能聚光集热以在合适的单位面积辐射通量200w/cm2下获取400-550℃的热能用以驱动纤维素进行热解反应，与现有技术相比具有降低成本，节约能源，零排放等优势。7.本发明的系统还设置了尾气循环利用装置，使得尾气经过循环又作为流化气体使用，节约了成本。附图说明图1是目前应用较为广泛的纤维素热解模型图；图2是依照本发明所构建的富含左旋葡聚糖的生物油制备系统的结构示意图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图2所示，本发明实施例提供的一种富含左旋葡聚糖的生物油制备系统，其利用聚光太阳能反应器双温区效应制备富含左旋葡聚糖的生物油，该系统包括定日镜场1、双曲面反射镜2、螺旋给料器3、太阳能流化床热解反应器4、生物油分级冷凝收集装置5以及尾气循环利用装置6，其中，定日镜场1用于接收太阳辐射并通过双曲面反射镜2将所接收的太阳辐射汇聚至焦点即太阳能流化床热解反应器4的高温区b以获得热能提供反应所需的热量；螺旋给料器3与太阳能流化床热解反应器4的上端口相连，用于将反应原料纤维素送入太阳能流化床热解反应器4中；太阳能流化床热解反应器4分为两个部分，由太阳辐射直接照射到的位于下方的区域称为高温区b，除高温区外的位于高温区上方的其余部分为低温区a，太阳能流化床热解反应器4的底部为具有一定倾角的锥体，并连接有毛细管，毛细管与太阳能流化床热解反应器4同轴设置，太阳能流化床热解反应器4上方的侧面还设置有用于排气的支口，制备时从上端口进入太阳能流化床热解反应器4中的纤维素，在重力的作用下落入反应器的高温区b开始裂解为富含左旋葡聚糖的气相初级焦油，未反应的纤维素在反应器底部毛细管中流化气体的作用下反复经过高温区b充分反应裂解，纤维素裂解产生的气相初级焦油在其二次反应之前由下方流化气体运送至反应器的低温区a处，经支口排出至生物油分级冷凝收集装置5中进行冷凝收集；生物油分级冷凝收集装置5与太阳能流化床热解反应器4上方侧面的支口相连，其对从太阳能流化床热解反应器4中排出的气相初级焦油进行冷凝处理以获得所需的富含左旋葡聚糖的生物油，冷凝后剩余的尾气由生物油分级冷凝收集装置5的出气口排出；尾气循环利用装置6包括将生物油分级冷凝收集装置5出气口、氮气源和太阳能流化床热解反应器4底部毛细管连接在一起的三通阀门，由氮气源提供的氮气与从生物油分级冷凝收集装置5出气口排出的尾气在三通阀门处混合为反应器提供流化气体。具体的，太阳能流化床热解反应器4为采用石英管制成的圆柱体，反应器底部锥体的倾角优选为20°，支口优选开设在靠近反应器上端口四分之一处。进一步的，生物油分级冷凝收集装置5采用三级冷凝方式对从太阳能流化床热解反应器4中排出的气相初级焦油进行冷凝处理，其中第一级冷凝器c以油作为冷凝介质，温度控制在270～280℃，优选275℃，用于冷凝气相初级焦油中大部分的左旋葡聚糖，第二级冷凝器d以油作为冷凝介质，温度控制在250～260℃，优选255℃，用于冷凝气相初级焦油中残余的左旋葡聚糖，第三级冷凝器e以干冰作为冷凝介质，温度控制在-25～-15℃，优选-20℃，用于冷凝气相初级焦油中剩余的液体产物。通过上述冷凝工艺，尤其是优选的冷凝工艺：第一级冷凝器在275℃下以油作为冷凝介质进行冷凝，第二级冷凝器在255℃下以油作为冷凝介质进行冷凝，第三级冷凝器在-20℃下以干冰作为冷凝介质进行冷凝，使得左旋葡聚糖尽可能分离出来，最终三级冷凝收集的左旋葡聚糖和液体产物的混合物即为所制备的富含左旋葡聚糖的生物油。更进一步的，三通阀门包括第一入口端、第二入口端和出口端，三通阀门的第一入口端与生物油分级冷凝收集装置5的出气口相连，第二入口端接氮气瓶k，出口端与太阳能流化床热解反应器4底部的毛细管相连。其中，三通阀门的第一入口端与生物油分级冷凝收集装置5的出气口的连接管路上设有第一流量计g、阀门j和管口i，三通阀门的第二入口端与氮气瓶k的连接管路上设有第二流量计h，三通阀门的出口端与毛细管的连接管路上设有第三流量计f。更为具体的，发明人通过研究发现单位面积辐射通量以及纤维素供给速度是本发明中两个非常重要的参数，两者综合作用影响左旋葡聚糖的产率，发明人通过不断的研究与试验获得了较佳参数，使得高温区的单位面积辐射通量为180-220w/cm2，原料供给速度为0.5～1.5g/min，并获得最优参数单位面积辐射通量为200w/cm2，原料供给速度为1g/min，使得左旋葡聚糖的产率高达31.2％(即左旋葡聚糖与纤维素原料的质量比)。采用上述系统制备富含左旋葡聚糖的生物油，具体包括如下步骤：s1纤维素通过螺旋给料器3以恒定速度送入太阳能流化床热解反应器4中；s2太阳辐射经过定日镜场的收集反射到双曲面反射镜，双曲面反射镜将太阳辐射反射汇聚到太阳能流化床热解反应器上的高温区；s3纤维素从太阳能流化床热解反应器4的上端口进入太阳能流化床热解反应器4中在重力的作用下落入太阳能流化床热解反应器4的高温区b，开始发生热解反应，热解温度为400℃以上，纤维素发生热解反应生成初级焦油，由于反应器温度较高，初级焦油为气相，在反应器底部毛细管中流化气体的作用下快速流经太阳能流化床热解反应器4的低温区b经支口进入生物油分级冷凝收集装置5进行收集，避免其二次反应，副产气体(包括用作流化的氮气和反应生成的一氧化碳以及甲烷等低分子量有机气体)进入尾气循环利用系统6与氮气混合作为反应器的流化气体；s4初级焦油气体在生物油分级冷凝收集装置5中进行三级冷凝，以获得富含左旋葡聚糖的生物油以及尾气，具体的，以油作为第一级冷凝器的冷凝介质，温度控制在270～280℃，优选275℃，用于冷凝气体中大部分的左旋葡聚糖，以油作为第二级冷凝器的冷凝介质，温度控制在250～260℃，优选255℃，用于冷凝残余左旋葡聚糖，以干冰作为第三级冷凝器的冷凝介质，温度控制在-25～-15℃，优选-20℃，用于冷凝剩余的液体产物；s5尾气进入尾气循环利用装置6中与氮气源提供的氮气混合后由太阳能流化床热解反应器4的底部毛细管送入太阳能流化床热解反应器4中以实现流化气体的循环利用。具体的，在加入物料之前，先进行惰性气体吹扫以排除整个系统中的空气，使整个系统处于严格的惰性环境中，打开氮气瓶k的阀门，调节第二流量计h，关闭尾气循环利用装置中的阀门j，在气密性检测管口i处检测流量是否与第二流量计h一致，保证良好的气密性(若气密性良好的话，关闭j，氮气经过h-6-f-4-5-i，在i处检测应与h一致)；打开阀门j关闭气密性检测管口i，设定第三流量计f为固定值，此处的气体流量经过严格的计算确定，以保证纤维素很好的得到流化，例如根据所采用纤维素的密度、粒径、反应器内部压强、反应器的尺寸计算，又考虑到经济因素，得出最佳流化气体流量为50ml/min。在反应开始进行后，可以从第一流量计g读取反应副产气体的流量，此时使氮气瓶的气体流量等于第三流量计f与第一流量计g之差，以使第三流量计f保持稳定。以下为本发明的具体实施例：实施例1所选原料为粒径为25微米的纤维素，定日镜场由24面30×38cm的平面玻璃镜组成，双曲面反射镜的直径为1.5m，采用螺旋给料器的容量约为50g，送料速度为1g/min，太阳能流化床热解反应器采用amersilto8石英管制成的内径为22mm的圆柱体，壁厚为1.5mm，毛细管的直径为1mm，支口在其上方24cm处。在单位面积入射辐射通量范围180-220w/cm2发生反应，分别进行多组实验，热解产生的初级焦油气体经过生物油分级冷凝收集装置冷凝收集，左旋葡聚糖产率如表1所示，剩余副产气体与氮气混合为反应器提供流化气体。表1左旋葡聚糖产率结果单位面积入射辐射通量左旋葡聚糖产率180w/cm227.6％190w/cm229.3％200w/cm231.2％210w/cm232.1％220w/cm232.5％根据以上数据，考虑到经济性因素，在200w/cm2时最为经济合理，左旋葡聚糖产率为31.2％实施例2在单位面积入射辐射通量为200w/cm2的条件下，用多组不同的给料速度进行实验：0.2g/min、0.5g/min、1g/min、1.5g/min、2g/min，其余条件同实施例1，左旋葡聚糖产率如表2所示。表2左旋葡聚糖产率结果给料速度左旋葡聚糖产率。0.2g/min29.8％0.5g/min30.6％1g/min31.2％1.5g/min29.2％2g/min27.8％根据以上数据，在单位面积入射辐射通量为200w/cm2的条件下给料速度为1g/min时，左旋葡聚糖产率达到31.2％。综上，本发明通过利用聚光太阳能的双温区效应，使得纤维素的热解产物初级焦油一生成就被立刻从反应器高温区转移到反应器低温区，避免初级焦油的二次反应降低生物油中左旋葡聚糖含量。通过研究入射辐射通量，以获得最优的参数，进而使得左旋葡聚糖的产率达到31.2％，同时，反应的热量供应来源于太阳能，在一定程度上减少了能源消耗。本系统具有结构紧凑、操作工艺简单、设备维护成本低、太阳能利用率高，所制备生物油中左旋葡聚糖纯度高、品质好等特点。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12