CN101519597B - 紫茎泽兰综合利用的生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紫茎泽兰综合利用的生产工艺，属于紫茎泽兰利用技术，主要解决了现有技术中紫茎泽兰脱毒不完全的问题。该生产工艺包括以下步骤：1.将紫茎泽兰整株晒干，切成长度为3～5cm的草段，并通过粉碎得到原草粉；2.将原草粉烘干得到干草粉；3.干草粉在制棒机中成型为薪棒，将制棒机产生的废气抽回烘干炉中；4.将薪棒置入炭化炉，并点燃炭化炉炉门附近的薪棒，密封炉门，开始炭化过程；5.炭化过程产生的可燃性气体在炭化炉内燃烧，或抽回烘干炉中燃烧；同时将炭化过程中产生的木焦油及有机毒素送入冷却回收装置冷却净化；6.实施闷窑，得到机制木炭和紫茎泽兰木焦油。本发明将紫茎泽兰变废为宝，具有极高的利用价值。

Description

紫茎泽兰综合利用的生产工艺

技术领域

本发明涉及紫茎泽兰综合利用，具体地说，是涉及一种紫茎泽兰综合利用的生产工艺。

背景技术

紫茎泽兰，中国十大入侵物种之首，广泛分布于广西、海南、四川、西藏、贵州、云南、重庆、湖北、台湾等省，其原产地为美洲的墨西哥至哥斯达黎加一带。大约20世纪40年代，紫茎泽兰由中缅边境传入云南南部，近年来由于其极强生长力与与适应性大肆侵占我国的的生态资源与经济资源，截止08年年底，我国紫茎泽兰危害面积已达22200余万亩，造成的经济损失近百亿。紫茎泽兰的危害主要表现在以下几个方面：

1.破坏畜牧业生

紫茎泽兰对畜牧生产的危害，表现为侵占草地，造成牧草严重减产。天然草地被紫茎泽兰入侵3年就失去了放牧利用价值，常造成家畜误食中毒死亡。紫茎泽兰对马属性动物的毒性(种子和花粉可引起哮喘；种子被吸入气管和肺可引起组织坏死和死亡)和牛的拒食性已被肯定。目前，仅凉山州紫茎泽兰危害面积已达100万公顷以上，每年牧草减产5亿公斤以上，家畜死亡3000头以上，经济损失5000多万元。

2.破坏农业生产

紫茎泽兰生活力强，适应性广，化感作用强烈，易成为群落中的优势种，甚至发展为单一优势群落。紫茎泽兰叶、根的水提液对多种粮食作物及蔬菜种子的萌发及幼苗生长具有抑制作用。紫茎泽兰对土壤养分的吸收性强，会极大耗损土壤肥力，对土壤可耕性的破坏也较严重。

3.破坏本地植被群落结构、影响园林、旅游业景观

紫茎泽兰的生命力、竞争力及生态可塑性极强，能迅速压倒其它一年生植物。它的植株能释放多种化感物质，排挤其他植物生长，常常大片发生，形成单优种群，破坏生物多样性，破坏园林景观，影响林业生产。紫茎泽兰对林业的危害是侵占宜林荒山、影响造林、林木生长和采伐迹地的天然更新；侵入经济林地，影响茶、桑、果的生长，管理强度成倍增加，耗费大量的人力与经费，且严重威胁了经济作物的发展。

4.危害人类健康

紫茎泽兰植株内含有芳香和辛辣化学物质和一些尚不清楚的有毒物质，其花粉能引起人类过敏性疾病。如果误用其垫圈，会造成牲畜烂蹄，人的皮肤长期接触会发炎，因此又有人称其为“烂脚草”。

近年来，国家每年都花大量人力物力在治理紫茎泽兰上，但是由于被侵占面积过大、紫茎泽兰生命力极强而收效甚微，欲将其综合利用变废为宝，又由于没有突破“脱毒”这个技术瓶颈而不能实现。04年攀枝花欲利用紫茎泽兰生产纸张、05年德昌县政府欲投产将紫茎泽兰生产为中纤板，但是由于不能将原料脱毒，生产出来的产品有毒性而搁浅，目前市场上流行的、技术上比较可行的处理紫茎泽兰方案有如下两个：

现有技术一：贵州昌泰科技开发有限公司于2006年8月8日申请的“将紫茎泽兰制成清洁炭的方法”的专利，其专利申请号为200610051175.0。

该技术的生产流程主要如下：

一.将紫茎泽兰晒干，切成长度为30cm以下的草段，烘干，得到干草段；

二.将此干草段进行粗粉碎，得到干草粗粉；

三.将干草粗粉与锯木粉、橡子壳粉按照70∶5～10∶20～25的比例混合，搅拌均匀；

四.混合物料用制棒机在高温高压下塑化成型，得到炭坯；

五.最后将炭坯在碳化炉里进行干馏和高温净化，制得清洁炭。

此生产流程存在的缺陷如下：

(1)仍然采用传统的机制木炭生产方法，其生产流程中制棒过程和炭化过程产生的CO等可燃性气体以及木焦油蒸汽污染性副产物等是直接排放于空气中对环境造成很大污染；

(2)紫茎泽兰是有毒植物，含有大量有机毒素，如果采用传统的生产流程，那么这些毒素在制棒和炭化过程中挥发和裂解后的产物将使污染更加严重，同时也对生产人员造成很大危害。

(3)紫荆泽兰为多年生亚灌木草本植物，其植物本身的碳元素含量已经很高，在混合其他物料的过程中，如果搅拌不均匀，那么物料木质素含量不同将对制棒过程中薪棒的成型和完整性产生影响，并在炭化过程中由于薪棒炭化不均匀而形成烟头炭或灰炭。

(4)现有的烘干技术只能烘干草粉，草段内层的水分是无法完全排除的。本技术中草段过大且不粉碎直接烘干，将使烘干流程复杂化，不仅浪费原料，而且烘干效果也不理想。如果草粉中的水分含量过高，在制棒过程中将影响薪棒的成型与完整性，同时由于水分太多使制棒机承接筒内压力积聚增加，不仅影响生产设备的使用周期，甚至产生不安全因素。

现有技术二：雷建新于2007年5月22日申请的“以紫茎泽兰为原料制取绿原酸、杀虫剂、杀菌剂和木炭的方法”，其专利申请号为200710049141.2。

该技术的生产流程主要如下：

一.将鲜紫茎泽兰粉碎成颗粒；

二.将紫茎泽兰颗粒放入容器中加入重量百分浓度为95％的乙醇完全浸泡1-3天；

三.将浸泡后的紫茎泽兰与浸泡液一同过滤，取过滤液放入容器；

四.将过滤出的紫茎泽兰颗粒放入脱水机中脱水，回收脱水液与步骤三中的过滤液在容器中混合，脱水干渣待用；

五.将混合液加热蒸馏浓缩，使浓缩液含水18-22％；

六.将浓缩液加入重量为浓缩液的10-30％、重量浓度为99.5％的乙酸乙酯，在30-60℃保温5-6小时后过滤；

七.将滤液蒸馏得绿原酸产品。

八.将步骤四中脱水干渣烘干，利用机制木炭生产流程生产机制木炭。

上述流程存在如下缺陷：

(1)生产流程繁杂，生产周期长，生产成本过高。

(2)没有完全解决紫茎泽兰脱毒问题，紫茎泽兰毒素仍大量残留与干渣中

(3)用有机萃取的方式来得到紫茎泽兰中的有机物，生产成本高，而且在脱水和最终烘干的过程中残留在紫茎泽兰碎渣中的有机萃取液排入大气中将会造成环境污染。

(4)在烘干过程中，残留在脱水干渣中的乙醇为易燃物，如果不能很好地控制烘干机温度的进气量，将有可能引燃干渣，甚至形成爆炸。

(5)仍然采用传统的机制木炭生产方法，在制棒过程和炭化过程中产生的co等可燃性气体以及木焦油蒸汽等污染性副产物是直接排入空气中，对环境造成很大污染。

(6)由于此流程只是将紫茎泽兰中的绿原酸提出，而大量的有机毒素还残留与干渣中，如果按照传统的生产流程，那么这些毒素在制棒和炭化过程中挥发和裂解后的产物将严重污染环境，同时也对生产人员有很大危害。

发明内容

本发明的目的在于提供一种紫茎泽兰综合利用的生产工艺，通过对生产工艺和部分生产系统的综合改进，实现资源回收及有效利用，并且实现完全脱毒，解决现有技术存在的脱毒难题，大大降低因利用紫茎泽兰而对环境造成污染，避免紫茎泽兰的毒素对生产人员造成的不安全隐患。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

紫茎泽兰综合利用的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将紫茎泽兰整株晒干，然后切成草段，并通过粉碎得到原草粉；(2)将原草粉在烘干炉中烘干得到干草粉；(3)干草粉在制棒机中成型为薪棒，同时将制棒机中产生的废气抽回烘干炉；(4)将薪棒置入炭化炉，并点燃炭化炉炉门附近的薪棒，然后将炭化炉炉门密封，开始薪棒的炭化过程；(5)炭化过程产生的可燃性气体在炭化炉内燃烧，或抽回烘干炉中参与燃烧；同时将炭化过程中产生的木焦油及有机毒素送入冷却回收装置冷却净化；(6)获取机制木炭和紫茎泽兰木焦油。

所述草段的长度为3～5cm，一般将草段切成4cm左右。

所述步骤中薪棒分层平铺于炭化炉内，且同层的薪棒相互平行，相邻两层之间的薪棒相互垂直。

所述步骤(5)的详细步骤如下：a.当外部加热和薪棒自身燃烧共同作用于炭化炉使其温度达到160～280℃时，薪棒内木质素的热解产物木醋酸与薪棒内的小分子有机物、小分子有机毒素一起形成蒸汽进入冷却回收装置，而木质素的分解产物CO则抽回至烘干炉；b.当炭化炉内温度为280～400℃时，薪棒内大分子有机物、大分子有机毒素进行裂解、挥发，并与木质素的热解产物一起形成高温蒸汽进入冷却回收装置，在此阶段产生的可燃性气体部分留在炭化炉内燃烧，部分经冷却回收装置被抽回烘干炉参与燃烧。

在步骤(6)获取机制木炭和紫茎泽兰木焦油之前还实施了闷窑过程。

所述闷窑过程是在风口排出的烟气为青色或透明烟气且炭化炉内最上层薪棒上出现一层灰时开始进行的。

所述闷窑过程持续时间为4～5天。

所述废气是通过抽风装置抽回烘干炉的，所述抽风装置由矮墙、第一风机和空心管道组成，所述矮墙通过空心管道与第一风机的进风口连接，且第一风机的出风口通过空心管道与烘干炉连接。

所述矮墙的高度至少比制棒机出棒口的高度大1cm，且矮墙正对制棒机出棒口的侧面上设有百叶窗状进风口。

所述冷却回收装置由进气管、空心管道、密室、第二风机和水龙头组成，进气管上部通过控制阀与炭化炉相连，下部进入密室底部；密室由上表面敞开的密室主体和盖板组成，盖板上开有通孔，空心管道一端通过通孔与盖板连接，另一端与第二风机进气口连接；第二风机出气口通过空心管道与烘干炉连接；水龙头设置于密室侧壁上。

本发明中薪棒成型原理：

紫荆泽兰茎杆中的主要成分为纤维素和木质素，其中木质素的含量为27％-32％(绝干原料)，由X射线衍射知道，木质素属非晶体，没有熔点，但有软化点，经试验当温度在70-100℃时，其粘合力开始增加，温度在200-380℃时可以熔融，其热压成型的合适温度为200-400℃。在制棒机器外力作用下，生物质颗粒开始重新排列位置关系，并发生机械变形和塑性流变。在垂直于最大应力方向上，粒子主要以相互啮合的形式结合，而在垂直于最小应力方向上，粒子主要以相互靠紧结合的形式结合。随外力的增大，生物质体积大幅度减少，容积密度显著增大，生物质内部胶合外部焦化，并具有一定的形状和强度的薪棒。

干馏(炭化)原理如下：

将薪棒进行自热式干馏时，向炭化炉内通入一定量的空气，使部分干馏原料(即薪棒)燃烧放热，当炭化炉温度逐渐升高达到一定条件的时候薪棒发生如下变化：

①脱水分解：干馏操作初期，温度相对较低，薪棒中有机物首先脱水，随着温度升高，逐渐分解产生低分子挥发物(多为CO等可燃性气体、低分子有机物)。

②热解：随着干馏温度的继续升高，有机物中的大分子发生键的断裂，得到液体有机物(木焦油)。这些干馏产物随干馏物质而异缩合和碳化。当温度进一步提高时，随着水和有机物蒸汽的析出，剩余物质受热缩合成胶体；同时，析出的挥发物逐渐减少，胶体逐渐固化和碳化。随着温度继续升高、加热时间延长，所生成的固体产物中的碳含量逐渐增多，氢、氧、氮、硫等其他元素含量逐渐减少，最终形成木炭。

脱毒原理如下：

紫茎泽兰毒素中含有的化学成分主要为半萜、单萜、三萜(萜类有机物指有(C5H8)n通式以及其含氧和不同饱和程度的衍生物，可以看成是由异戊二烯或异戊烷以各种方式连结而成的一类天然化合物)、酚类(酚类化合物是指芳香烃中苯环上的氢原子被轻基取代所生成的化合物)、芳香类(含有苯环的化合物)、生物碱(含氮的有机类化合物，有似碱的性质，大多数生物碱均有复杂的环状结构，氮素多包括在环内，具有光学活性。)等有机化合物。上述有机化合物的沸点都在400°以下，随着炭化过程的进行，炭化炉内温度的升高，在缺氧环境中上述有机化合物将逐渐挥发或者裂解，并形成高温蒸汽与木焦油等产物排除窑外。

木焦油及毒素回收原理如下：

在炭化过程中木焦油与毒素裂解和挥发后的产物在高温条件下形成蒸汽从炭化炉内排除，将这些产物导入冷却回收装置中，在水的冷却作用下将这些高温蒸汽冷却并转化为液态与冷凝水分层置留于冷却回收装置中，最后通过集中回收得到紫茎泽兰木焦油。

本发明采用紫茎泽兰自身燃烧与外界加热一起为炭化炉提供热量，使紫茎泽兰内含的有机化合物在高温缺氧环境下裂解和挥发，并形成蒸汽排出炭化炉，最后利用冷却回收装置进行冷却，将不可燃性物质液化存留于冷却回收装置内，而可燃性气体则由风机抽回烘干炉参与燃烧，最终使紫茎泽兰内的有机毒素转化为非毒性物质，实现紫茎泽兰完全脱毒。而紫茎泽兰木焦油不再含有毒素，既不会污染环境也不会毒害生产人员的健康，可作为工业原料来提取香精、杀虫剂等，能够很轻松地充分利用，实现紫茎泽兰的经济利益。另一方面，紫茎泽兰在制棒过程和炭化过程产生的可燃性气体均回收参与燃性，大大减少了燃烧原料，节约了生产成本，使紫茎泽兰的经济利益进一步得到提高。

附图说明

图1为本发明的生产系统框图。

图2为本发明中抽风装置的结构示意图。

图3为本发明中冷却回收装置的结构示意图。

图4为本发明中密室盖板的结构示意图。

附图中标号对应名称：1-矮墙，2-百叶窗状进风口，3-进气管，4-密室，5-水龙头，6-圆形小孔，7-通孔。

具体实施方式

下面通过举例来对本发明作进一步说明。

实施例

紫茎泽兰的综合利用生产工艺详细流程如下：

首先将紫茎泽兰整株晒干，然后将干株切成长度为4cm的草段，并通过粉碎机粉碎得到原草粉；然后将原草粉送入烘干炉中烘干，得到干草粉；再将干草粉送入制棒机，在制棒机内温度达到200～400℃时，干草粉热压成型为薪棒，而在此过程中产生的CO等气体通过抽风墙抽回烘干炉参与燃烧，从而节约烘干炉的燃烧原料，节约成本。

成型的薪棒从制棒机的出棒口出来后，被送入炭化炉中开始炭化过程。放置薪棒时，将薪棒分层平铺铺满炭化炉，平铺时，同层的薪棒平行放置，而相邻两层的薪棒垂直放置，从而最大化地减少薪棒重叠面积，增加薪棒的受热面积，以利于薪棒的燃烧；薪棒置入炭化炉后，首先打开控制阀，关闭风口，再点燃炭化炉炉门附近的薪棒，然后将炭化炉炉门用砖和黄泥密封，大约8小时左右开始排湿，烟囱开始冒出水汽(如果是从冷炉开始，则需要时间更长)。排湿30～40小时后，烟囱不在冒出水汽，则水汽排完，开始炭化，此时在炭化炉炉门下方两侧各开设一个进气孔，使外界空气能够进入炭化炉内参与薪棒的燃烧，薪棒在炭化炉内逐渐燃烧，产生高温，同时外部加热，使炭化炉温度快速升高。当炭化炉温度升高至160℃时，薪棒所含水分依靠外加热量和自身燃烧产生的热量进行蒸发，薪棒的化学组成几乎不变；当炭化炉温度升高至160～280℃时，薪棒开始发生热分解反应，其化学组成开始发生变化，其中不稳定组成-木质素开始分解为木醋酸、CO、CO₂等物质，同时，薪棒中的小分子有机物和小分子有机毒素(酚类、芳香类等)开始挥发并与木醋酸一起形成蒸汽排出炭化炉外，进入冷却回收装置冷凝回收，而CO等可燃性气体则在风机的作用下被抽回烘干炉参与燃烧。当炭化炉内温度达到280～400℃时，木质素急剧进行热分解，生成大量的醋酸、甲醇和木焦油等液体产物；同时薪棒中的大分子有机物和大分子有机毒素开始裂解、挥发(此阶段紫茎泽兰的毒素将脱去大部分)，并与木质素热解的产物一起形成高温蒸汽排除炭化炉外，进入冷却回收装置；此阶段还产生大量甲烷、乙烯等可燃性气体，这些可燃性气体一部分在炭化炉内燃烧，和热分解一起产生大量的热量，使炭化炉温度升高到600℃左右(此时紫茎泽兰的毒素基本全部裂解、挥发)，薪棒在高温下干馏成炭，另一部分可燃性气体与高温蒸汽一道导入冷却回收装置，并由风机抽回烘干炉中参与燃烧。当炭化过程进行30～40小时后，开始定期关闭控制阀、打开风口，观察炭化炉内排出烟气的颜色，当风口中排除的烟气为青色或透明的烟气时，关闭风口和控制阀，加大炭化炉炉门下方两侧进气孔的进气量，提高炭化速度。当炭化炉内温度达到750℃左右，薪棒全部变成红色(此时紫茎泽兰含有的毒素全部分解或氧化燃烧，脱毒过程完成)；且炭化炉内最上层薪棒上出现一层灰时，进行闷窑。当闷窑进行4～5天后，闷窑结束，即得到成品-机制木炭，同时从冷却回收装置中得到紫茎泽兰木焦油。

所述抽风墙由矮墙1、第一风机和空心管道组成，所述矮墙成空心长方体状，通过空心管道与第一风机的进风口连接，而第一风机的出风口通过空心管道与烘干炉连接。为将制棒机排出的气体全部抽回，矮墙1的高度应大于制棒机出棒口的高度，本实施例中将矮墙高度设置为比制棒机出棒口高度大10CM。另外，在矮墙1正对制棒机出棒口的侧面上设有百叶窗状进风口2。

所述冷却回收装置由进气管3、空心管道、密室4、第二风机和水龙头5组成，进气管3由上下两部分组成，上部为不锈钢圆直空心管，下部成空心长方体状，也由不锈钢制成，在进气管3下部的各个侧面上，设有圆形小孔6，使气体进入冷水时能够形成小气泡，提高冷却效果。密室4为一个方形水泥池，其盖板可以选择完全与主体脱离，也可以选择一边与主体连接，盖板上开有用于连接空心管道的通孔7。同时，密室4的形状及制作材料都可以变化，能够满足蓄水实现冷却功能即可，当然，冷却剂也可以不使用冷水，而选择其他冷却剂。使用时，先将进气管3的下部平放于密室4底部，然后盖上密室盖板，将盖板与密室主体之间的缝隙用水泥密封，然后将第二风机进风口与密室4的盖板之间用空心管道连接，第二风机出风口通过空心管道与烘干炉连接，而进气管3上部通过控制阀与炭化炉相连；为使用方便，水龙头5设置于与进气管3相对的密室4侧壁上。

通过上述抽风墙和冷却回收装置的设置，能够有效地将制棒过程和炭化过程产生的可燃性气体回收利用，既避免了气体排入空气污染环境，又节约了燃烧原料，降低了生产成本，提高了紫茎泽兰的经济价值，使本发明具有极高的利用价值，非常适合大规模推广。

Claims (9)

1.紫茎泽兰综合利用的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将紫茎泽兰整株晒干，然后切成草段，并通过粉碎得到原草粉；

(2)将原草粉在烘干炉中烘干得到干草粉；

(3)干草粉在制棒机中成型为薪棒，同时将制棒机中产生的废气抽回烘干炉；

(4)将薪棒置入炭化炉，并点燃炭化炉炉门附近的薪棒，然后将炭化炉炉门密封，开始薪棒的炭化过程；

(5)炭化过程产生的可燃性气体在炭化炉内燃烧，或抽回烘干炉中参与燃烧；同时将炭化过程中产生的木焦油及有机毒素送入冷却回收装置冷却净化，详细步骤如下：

a.当外部加热和薪棒自身燃烧共同作用于炭化炉使其温度达到160～280℃时，薪棒内木质素的热解产物木醋酸与薪棒内的小分子有机物、小分子有机毒素一起形成蒸汽进入冷却回收装置，而木质素的分解产物CO则抽回至烘干炉；

b.当炭化炉内温度为280～400℃时，薪棒内大分子有机物、大分子有机毒素进行裂解、挥发，并与木质素的热解产物一起形成高温蒸汽进入冷却回收装置，在此阶段产生的可燃性气体部分留在炭化炉内燃烧，部分经冷却回收装置被抽回烘干炉参与燃烧；

(6)获取机制木炭和紫茎泽兰木焦油。

2.根据权利要求1所述的紫茎泽兰综合利用的生产工艺，其特征在于，所述步骤(1)中草段的长度为3～5cm。

3.根据权利要求1所述的紫茎泽兰综合利用的生产工艺，其特征在于，所述步骤(4)中薪棒分层平铺于炭化炉内，且同层的薪棒相互平行，相邻两层之间的薪棒相互垂直。

4.根据权利要求1所述的紫茎泽兰综合利用的生产工艺，其特征在于，所述步骤(6)在获取机制木炭和紫茎泽兰木焦油之前还实施了闷窑过程。

5.根据权利要求4所述的紫茎泽兰综合利用的生产工艺，其特征在于，所述闷窑过程是在风口排出的烟气为青色或透明烟气且炭化炉内最上层薪棒上出现一层灰时开始进行的。

6.根据权利要求4或5所述的紫茎泽兰综合利用的生产工艺，其特征在于，所述步骤(6)中闷窑过程持续时间为4～5天。

7.根据权利要求1所述的紫茎泽兰综合利用的生产工艺，其特征在于，所述步骤(3)中废气是通过抽风装置抽回烘干炉的，所述抽风装置由矮墙(1)、第一风机和空心管道组成，所述矮墙(1)通过空心管道与第一风机的进风口连接，且第一风机的出风口通过空心管道与烘干炉连接。

8.根据权利要求7所述的紫茎泽兰综合利用的生产工艺，其特征在于，所述矮墙(1)的高度至少比制棒机出棒口的高度大1cm，且矮墙(1)正对制棒机出棒口的侧面上设有百叶窗状进风口(2)。

9.根据权利要求1所述的紫茎泽兰综合利用的生产工艺，其特征在于，所述冷却回收装置由进气管(3)、空心管道、密室(4)、第二风机和水龙头(5)组成，进气管(3)上部通过控制阀与炭化炉相连，下部进入密室(4)底部；密室(4)由上表面敞开的密室主体和盖板组成，盖板上开有通孔(7)，空心管道一端通过通孔(7)与盖板连接，另一端与第二风机进气口连接；第二风机出气口通过空心管道与烘干炉连接；水龙头(5)设置于密室侧壁上。

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