一种富含左旋葡聚糖的生物油制备系统及方法技术方案

本发明专利技术属于生物质热解领域，并具体公开了一种富含左旋葡聚糖的生物油制备系统及方法，该系统包括定日镜场、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，通过上述系统可利用聚光太阳能双温区效应制备富含左旋葡聚糖的生物油。通过本发明专利技术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，本发明专利技术具有结构紧凑、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。

【技术实现步骤摘要】
一种富含左旋葡聚糖的生物油制备系统及方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术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，按照本专利技术的一个方面，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。按照本专利技术的另一方面，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，通过本专利技术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.本专利技术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.本专利技术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.本专利技术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.本专利技术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.本专利技术的反应器主体采用石英管，石英管对红外本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种富含左旋葡聚糖的生物油制备系统，其特征在于，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：所述定日镜场(1)用于接收太阳辐射并通过所述双曲面反射镜(2)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(4)的高温区(b)以获得热能提供反应所需热量；所述螺旋给料器(3)与所述太阳能流化床热解反应器(4)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(4)中；所述太阳能流化床热解反应器(4)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(4)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(5)中进行冷凝收集；所述生物油分级冷凝收集装置(5)与所述太阳能流化床热解反应器(4)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(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；所述尾气循环利用装置(6)包括将所述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，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。...

【技术特征摘要】
1.一种富含左旋葡聚糖的生物油制备系统，其特征在于，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：所述定日镜场(1)用于接收太阳辐射并通过所述双曲面反射镜(2)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(4)的高温区(b)以获得热能提供反应所需热量；所述螺旋给料器(3)与所述太阳能流化床热解反应器(4)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(4)中；所述太阳能流化床热解反应器(4)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(4)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(5)中进行冷凝收集；所述生物油分级冷凝收集装置(5)与所述太阳能流化床热解反应器(4)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(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；所述尾气循环利用装置(6)包括将所述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，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。2.如权利要求1所述的富含左旋葡聚糖的生物油制备系统，其特征在于，所述生物油分级冷凝收集装置(5)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。3.如权利要求1所述的富含左旋葡聚糖的生物油制备系统，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾阔，梁泽路，陈汉平，杨海平，刘晴川，杨心怡，丁智，何肖，宋杨，
申请(专利权)人：华中科技大学，深圳华中科技大学研究院，
类型：发明
国别省市：湖北,42