CN103320475A

CN103320475A - 热解预处理木质纤维素原料的方法

Info

Publication number: CN103320475A
Application number: CN2012100707668A
Authority: CN
Inventors: 易维明; 王芳; 牛卫生; 张德俐
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明涉及一种木质纤维素原料预处理的新方法，该方法应用热解器对木质纤维素原料进行热解预处理。预处理温度为170-260℃；操作压力为常压；反应滞留时间为0.5-2s；处理物料的粒径为0.1-5mm。本发明可以有效地破坏原料表面的蜡质结构及其内部的木质纤维素结构，提高厌氧发酵中纤维素与半纤维素的转化率，缩短消化时间，提高甲烷产量。

Description

热解预处理木质纤维素原料的方法

技术领域

本发明涉及一种木质纤维素原料预处理方法，该方法具体涉及到利用热解技术对木质纤维素原料进行预处理，提高原料厌氧消化中纤维素与半纤维素的转化效率的方法。

背景技术

天然木质纤维素原料是绿色植物通过光合作用形成的一类可再生能源物质。它主要由纤维素、半纤维素和木质素交织在一起构成，具有复杂的结构。这种复杂的结构对于木质纤维素原料的降解有很大的限制作用，成为其厌氧发酵产沼气的一大瓶颈。因此，需要对木质纤维素原料进行预处理，打破其木质素的紧密结构与纤维素的结晶结构，提高酶解效率与纤维素和半纤维素的转化率。

目前已有的木质纤维素原料预处理工艺主要有物理预处理、化学预处理、生物预处理以及一些组合预处理，例如研磨法、稀酸水解法、碱处理法、微波辐射法、蒸汽爆破法、白腐菌降解法等。这些方法都在不同方面对木质纤维素结构有破坏作用，但每种预处理方式又有其各自的局限性，很多处理方式因为成本高，技术要求高，环境污染问题等不能广泛推广。

例如在CN20100557419.9中公开的一种蒸汽爆破与微生物发酵联合处理秸秆的方法，首先将粉碎过10-20目筛、含水率≤15wt%的秸秆进行爆破处理，然后将其自然晾干，再制备孢子种子液，最后进行微生物发酵，取18g爆破秸秆与2g麸皮、30mL矿物元素营养液混匀，用Ca(OH)₂调至pH为7.0，在121℃、0.15MPa压力下灭菌15min得固体发酵培养基a，按2～4%的接种量将孢子种子液接种于a中，28～32℃培养5～7d。虽然该方法得到的发酵秸秆中木质素、纤维素和半纤维素含量低，滤纸糖酶、CMC酶、淀粉酶和蛋白酶活力高，但操作复杂且对环境要求较高。又例如文献“稻秆NaOH预处理及厌氧发酵产沼气的试验研究”，孙晨，刘荣厚，《农机化研究》，2010年4月第4期，147-149页中公开了，将稻草切成粒径为0.5-2.5cm的碎片，烘干后用6%NaOH在恒温25℃、恒湿80%条件下进行预处理，预处理时间为30d，然后对处理后的稻草进行了发酵产沼气试验，实验结果表明处理后的稻草比未处理稻草的总产气量提高了55.23%，COD去除率提高了48.72%，但此种预处理方法处理周期长，对生物质本身大量消耗，所以很难大规模应用。

发明内容

本发明提供了一种新型的木质纤维素原料预处理的方法。采用热解器对木质纤维素原料进行高温预处理。本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种既能有效提高木质纤维素中纤维素与半纤维素转化率又能达到快速、连续预处理原料的目的，同时还能满足环保的要求，能够满足大规模生产的要求。

本发明的技术方案如下：

本发明热解预处理木质纤维素原料的方法是采用热解器快速高温加热木质纤维素原料，使原料发生部分热解，从而破坏其木质纤维素结构。

其中所述的热解器系统包括：料箱（1）、喂料装置（2）、热解反应器（3）、物料分离装置（4）及物料收集装置（5）。

具体操作方法为：采用加热器加热热解反应器温度到170-260℃，采用常压或微负压，然后通入热载气，将预先干燥好的粒径为0.1-5mm的木质纤维素原料加入到料箱，原料通过可调速的喂料器进入反应器，原料在反应器内的滞留时间为0.5-2 s。反应器内温度由热电偶测得，控温装置对其进行实时监控。原料经过快速加热后，进入分离器，处理好的原料经过分离器分离出来，收集到物料箱，收集后的物料装入密封袋，备用。

处理后的原料可以用来厌氧发酵产生沼气。

热解预处理木质纤维素原料的方法可以采用批量式，也可采用连续式。批量式是指将小量反应物料一次性投入到料箱中，随即得到处理后物料；连续式是指将反应物料连续不断的投入到料箱中，可直接完成大批量物料的预处理。

本发明的木质纤维素原料预处理方法能有效的破坏半纤维素与木质素的结构，提高纤维素与半纤维素在厌氧发酵中的转化率，同时在热解处理中，进行高温加热可以起到原料灭菌的作用，有助于厌氧发酵产气的启动。

本发明在对木质纤维素原料进行预处理时不使用任何化学物质，同时也不会产生任何废弃物，完全符合绿色环保的要求。

本发明与其他木质纤维素原料预处理方法相比，耗时短、效率高且可以完成连续性工作，可适用于大规模木质纤维素原料的预处理。

附图说明

图1为热解预处理木质纤维素原料的装置图

图中：1. 料箱， 2. 喂料器， 3. 热解反应器，4. 物料分离器， 5. 物料收集箱。

图2为热解预处理后的玉米秸秆与处理前玉米秸秆厌氧发酵日产气量对比图。

图3 为热解预处理后的玉米秸秆与未处理的玉米秸秆厌氧发酵30d累计产气量的对比图。

具体实施方式

实施例1

将热解器温度设置为200℃，在常压状态下通入热载气贫氧可燃气，将处理好的玉米秸秆（含水率8.7%，挥发分固体76.45%，纤维素34.31%，半纤维素26.82%，木质素16.18%，粒径0.1-1mm）加入到料箱，原料通过可调速的喂料器进入反应器，原料在反应器内的滞留时间为1s。反应器内温度由热电偶测得，控温装置对其进行实时监控。原料经过快速加热后，进入分离器，处理好的原料经过分离器分离出来，收集到物料箱。然后对处理好的玉米秸秆利用意大利WELP FIWE6 纤维素测定仪，参照范式洗涤纤维法，进行纤维素、半纤维素及木质素的测定。测定结果为经热解后的玉米秸秆中纤维素、半纤维素及木质素的含量分别为28.67%，23.23%，11.77%。其半纤维素与木质素的去除率分别为13.38%，27.21%。

实施例2

将热解器温度设置为200℃，在常压状态下通入热载气贫氧可燃气，将处理好的玉米秸秆（含水率8.7%，挥发分固体76.45%，纤维素34.31%，半纤维素26.82%，木质素16.18%，粒径0.1-1mm）加入到料箱，原料通过可调速的喂料器进入反应器，原料在反应器内的滞留时间为1s。反应器内温度由热电偶测得，控温装置对其进行实时监控。原料经过快速加热后，进入分离器，处理好的原料经过分离器分离出来，收集到物料箱。然后取118g经热解预处理后的玉米秸秆进行厌氧发酵试验。试验采用液态发酵，发酵料液浓度为8.5%，接种物浓度为30% ,有机负荷率为65g·L^-1,碳酸氢铵溶液调节发酵料液碳氮比为25：1，稀氢氧化钠溶液和稀硫酸溶液调节料液PH至7.0左右。采用中温35℃厌氧消化, 发酵周期为30d。同时取同等质量的未处理的玉米秸秆进行对比发酵试验。试验结果为热解处理后的玉米秸秆产气启动要早于未处理秸秆，且产气高峰时的最大值分别为1.594L/d，0.957 L/d；甲烷含量分别为52.6%，51.8%；30d累计产气量分别为23.948L，16.136L；与未处理秸秆相比，热化学预处理的累计产量提高了48.4%。

Claims

1.一种木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于将木质纤维素原料加入热解反应器中，对其进行快速高温加热，使其产生部分热解后通过分离器将原料收集，所得原料用于厌氧发酵产沼气。

2.根据权利要求1中所述的方法，其中热解反应器温度为170-260℃，物料滞留时间为0.5-2 s。

3.根据权利要求1中所述的方法，其中热解反应器需通入热载气，并且在常压状态工作。

4.根据权利要求1中所述的方法，其中木质纤维素原料热解预处理系统包括料箱（1）、喂料装置（2）、热解反应器（3）、物料分离装置（4）及物料收集装置（5）。

5.根据权利要求1中所述的方法，其处理木质纤维素原料颗粒大小为0.1-5mm。

6.根据权利要求1中所述的方法，热解预处理木质纤维素原料的方法的特征是处理方法既可以采用批量式，也可采用连续式：批量式是指将小量反应物料一次性投入到料箱中，随即得到处理后物料；连续式是指将反应物料连续不断的投入到料箱中，可直接完成大批量物料的预处理。