CN104611084B - 一种利用农林废弃物生产清洁能源材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用农林废弃物生产清洁能源材料的方法，包括从农林废弃物分解分离固体木质素的步骤和以分离出的固体木质素为原料生产清洁燃料的步骤，所述农林废弃物分解分离固体木质素的步骤通过农林废弃物撬装模块式成份分解分离设备来实现，其具体过程为：物料依次经过物料初级破碎、物料加热膨化撕裂、物料微波破碎和物料成份分解分离过程后实现对固体木质素的分解分离。本发明通过别通过对多元化农林废弃物粉粹、锤打、超声破碎、筒状螺旋高温高压挤压撕裂、筒状螺旋微波热解工艺，筒状螺旋生物酶解分离的工艺过程，在一个装置内通过多个螺旋挤压输送过程，最终获得分解后的固体木质素，固体木质素经配方制备清洁能源材料。

Description

一种利用农林废弃物生产清洁能源材料的方法

技术领域

本发明属于农林废弃物利用技术领域，特别涉及一种利用农林废弃物生产清洁能源材料的方法。

背景技术

随着大气防治战略的实施，尤其是在北方的冬季，取暖燃烧什么的问题至关重要。据研究统计，我国冬季北方地区(淮河、秦岭以北)的总悬浮颗粒物水平为184微克每立方米，比南方地区高约55％。造成大气污染的诸多因素，其中能源结构不合理是重要一项，国内燃煤污染的问题很突出，2013年，全国煤炭消费总量达36.1亿吨，占能源消费总量的65.7％。特别是在北方冬季采暖期，燃煤量大面广、管理粗放，城郊和农村散煤燃烧后直接排放，导致空气质量季节性下降尤为明显。以大气污染情况较为严重的京津冀地区为例，北京目前年均燃煤量为2100万吨，天津将近7000万吨，而河北省则有近3亿吨。而正在推广的无烟煤不仅使用成本较高，并且同样存在石化能源总量有限的缺憾。

因此，大力发展清洁能源，积极推广风能、太阳能、核能等新能源和可再生能源的应用迫在眉睫。农业生产产生的大量农业废弃物，一直就有作为燃料处理的传统，而直燃不仅热效率低，在大气污染极受关注的当今也被严加禁止。而秸秆压块，虽然是国家倡导的农村能源清洁利用方式，然而由于高昂的加工成本使得每吨价格比燃煤高出300元左右，并且秸秆中的纤维素、半纤维素物质由于没有去除在燃烧过程中产生大量焦油，污染环境的同时堵塞烟道，都使生物质燃料很难在农村地区推广应用。秸秆等作物剩余物所含有的各种成份中只有木质素是具备高热值的可燃物，而其他成份一起燃烧不仅降低热值，还丧失了其在其他领域的高值利用机会。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种能够提高热值且降低空气污染的利用农林废弃物生产清洁能源材料的方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种利用农林废弃物生产清洁能源材料的方法，包括从农林废弃物分解分离固体木质素的步骤和以分离出的固体木质素为原料生产清洁燃料的步骤，所述农林废弃物分解分离固体木质素的步骤通过农林废弃物撬装模块式成份分解分离设备来实现，其具体过程为：

1)物料初级破碎过程，经过简单切割的物料径向进入粉碎室通过粉碎机构粉碎，该粉碎过程由刀片组与竖直筒体内壁上的突脊共同完成，然后物料下沉到达粉碎室底部的斜面进入锤打室，完成物料的进一步破碎，物料不断通过锤打、挤压，破碎变小，然后涌向出口处挡板、筛网，直至小于筛孔尺寸便排出锤打室，进入超声波室，超声震荡使物料微细结构松动，同时还通过螺杆传送使物料送达出料口，然后旋入物料加热膨化撕裂装置内；

2)物料加热膨化撕裂过程，经过初级破碎的物料通过变距螺杆挤压、摩擦作用和高温伴热带加热，系统内温度不断上升，压力不断升高，物料体积不断压缩，在随螺杆旋出泄料口的瞬间，由于压力骤减，物料瞬间膨胀，其微细结构撕裂，在加压过程中，当压力超过预设值，安全防爆阀打开，蒸汽喷出，保障运行安全。

3)物料微波破碎过程，经过加热挤压撕裂的物料，旋入微波管道，微波加快分子运动对物料微结构进一步破坏，物料纤维的微分子结构被破坏，然后物料旋入物料分离装置；

4)物料成份分解分离过程，经过微波破碎的物料在水的作用下，使物料中已分解的半纤维素溶于水而与木质素和纤维素分离，根据需要添加纤维素酶则纤维素在生物酶的作用下分解为利于乳酸发酵的短链糖类而溶出，实现与木质素的分离，木质素在螺杆的推动下从末端的出料口进入固体收集装置，纤维素和溶于水的半纤维素从出液口流入液体收集装置。

所述分离出的固体木质素已经过脱硫脱氮脱硝与优质无烟煤粉混合以一定比例的高热量粘合剂粘合成型，或者根据热值需要将固体木质素直接压缩成块，形成高热值、无污染、低成本的可再生固体燃料。

所述农林废弃物撬装模块式成份分解分离设备包括控制面板和通过管道连接在一起的物料初级破碎装置、物料加热膨化撕裂装置、物料微波破碎装置和物料分离装置，

所述物料初级破碎装置包括“L”形筒，其竖直筒体侧壁上设置有径向进料斗，竖直筒体内部设置有粉碎机构，所述粉碎机构下方设置有倾斜料板，所述倾斜料板的末端水平筒体内设置有锤打器，所述锤打器处的水平筒壁上设置有与筒壁垂直的挡板，所述挡板的下端与筒壁之间设置有物料流出口，该流出口处通过筛网与内壁上设置有超声发生器的超声波室连通，所述超声波室内设置有与减速机连接的送料螺杆A；

所述物料加热膨化撕裂装置包括由从外到内依次设置的保温层、高温伴热带和防爆层组成的“一”字形筒，该筒内设置内设有安全防爆阀和送料螺杆B；

所述物料微波破碎装置包括“一”字形微波破碎筒，该筒筒壁外壁设置有一层微波防漏层，该筒内壁上设置有多个磁控管，该筒内还设置有送料螺杆C；

所述物料分离装置包括“一”字形筒，该筒筒壁上设置有加水口和催化剂添加口，该筒内设置有挤压螺杆，该筒筒壁上还设置有出液口和出料口。

所述粉碎机构包括减速机、转轴、3-5个刀片组和竖直筒体内壁上设置的突脊，所述刀片组沿转轴轴向设置，每个刀片组由连接到转轴上的楔形刀片和刀片末端单点固定的偏轮锤片组成，所述多个刀片组中每个刀片组的长度相等，且比突脊内面形成的内径长1mm。

所述刀片组设置为三个，其中刀片的长度从上到下依次变短，偏轮锤片的长度从上到下依次变长。

所述锤打器包括一个动力轴，所述动力轴与破碎机转轴异面垂直，所述动力轴上设置有一个偏心锤，所述偏心锤外表面设置有“凹”字形结构的凸齿，所述水平筒体内壁和挡板上设置有与偏心锤外表面凸齿形状一致且彼此不咬合的的“凹”字形凸齿。

所述挤压螺杆的螺距数值不相等，各螺距按等差级数规律渐变排列。

所述物料分解分离装置的“一”字形筒底部在挤压螺杆后段紧密螺距处沿螺杆长度方向每50cm设有一段导水槽，所述导水槽的中部从前向后设置有一个逐渐变宽变深的水槽，所述水槽的末端设置一个出液口。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明通过别通过对多元化农林废弃物粉粹、锤打、超声破碎、筒状螺旋高温高压挤压撕裂、筒状螺旋微波热解工艺，筒状螺旋生物酶解分离的工艺过程，在一个装置内通过多个螺旋挤压输送过程，一次性地实现农林有机质组分的分解分离，最终获得已分解溶解的半纤维素、纤维素和固体木质素作为多种产品的加工前体，固体木质素可经配方制备清洁能源材料。

附图说明

图1是农林废弃物撬装模块式成份分解分离设备示意图；

图2是“一”字形分离筒底部导水槽分布结构示意图。

图1和图2中，1.“L”形筒，2.突脊，3.刀片组,4.进料斗，5.锤打器，6.“凹”字形凸齿，7.偏心锤，8.挡板，9.保温层，10.高温伴热带，11.防爆层，12.筛网，13.送料螺杆A，14.超声振荡器，15.送料螺杆B，16.送料螺杆C，17.微波防漏层，18.磁控管，19.导水槽，20.催化剂添加口，21.加水口，22.出液口，23.液体收集器，24.出料口，25.固体收集器，26.水箱，27.控制面板，28.倾斜料板，29.“一”字形分离筒,30.挤压螺杆。

具体实施方式:

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

一种利用农林废弃物生产清洁能源材料的方法，包括从农林废弃物分解分离固体木质素的步骤和以分离出的固体木质素为原料生产清洁燃料的步骤，农林废弃物分解分离固体木质素的步骤通过农林废弃物撬装模块式成份分解分离设备来实现，其具体过程为：

1)物料初级破碎过程，经过简单切割的物料径向进物料初级破碎装置，通过粉碎机构粉碎，该粉碎过程由刀片组与竖直筒体内壁上的突脊共同完成，然后物料下沉到达粉碎室底部的斜面进入锤打室，完成物料的进一步破碎，物料不断通过锤打、挤压，破碎变小，然后涌向出口处挡板、筛网，直至小于筛孔尺寸便排出锤打室，进入超声波室，超声震荡使物料微细结构松动，同时还通过螺杆传送使物料送达出料口，然后旋入物料加热膨化撕裂装置内；上述物料初级破碎装置包括“L”形筒1，在竖直筒的侧壁上端设置有径向进料斗4，物料在人力或进料机构的压力作用下进入粉碎机构，以保证长物料也能顺利进料，其竖直筒体内部设置有粉碎机构，该粉碎机构包括设置于竖直筒体入口处的伺服电机，伺服电机与设置于竖直筒体内的转轴连接，转轴与地面垂直，沿转轴轴向设置有3-5个刀片组3，每个刀片组3由连接到转轴上的楔形刀片和刀片末端单点固定的偏轮锤片组成，第一个刀片组3中的刀片为切割主体，偏轮锤片敲击物料，由于其以对刚进入的长物料的切割作用为主，敲击为辅，因此第一个刀片组3的楔形刀片为较长，偏轮锤片较短；而第二个刀片组切割与敲击并重，因此二个刀片组的楔形刀片略短于上组的楔形刀片，偏轮锤片略长；第三个刀片组的楔形刀片主要以敲打为主，偏轮锤片则在三组中最长，楔形刀片则最短，整体上楔形刀片呈梯形，而偏轮锤片成倒梯形，但三个刀片组伸展时总长度相等，且比突脊2内面形成的内径长1mm。突脊2与竖直筒壁以螺钉连接，螺钉凹陷于突脊2的内面，突脊外面与筒壁契合，内面为一平面。

粉碎机构在粉碎过程中，由转轴上的刀片组3与竖直筒壁上的突脊2共同完成剪切粉碎，特殊的刀片设计在刀片组高速旋转时，偏轮锤片与突脊2碰撞，既可辅助刀片打碎外缘物料又可避免刀片与粉碎室壁间物料积滞，进入的物料下降到刀片作用平面，楔形刀转到切削位置开始切削,当切断的纤维由于离心力飞离楔形刀片作用范围之外，会与偏轮锤片碰撞，随着切削过程的进行物料多以短纤维形式存在,切割作用削弱，物料此时也因重力作用从上组刀片组向中下刀片组下沉，敲打作用开始逐渐显著，最后经过此切割与敲打共同粉碎过程，物料通过重力作用下沉到达粉碎室底部，底部为一倾斜料板28，倾斜料板28倾斜向位于底部、与进料口相对侧面的出料口，经粉碎敲击后的物料由推挤作沿倾斜料板28滑出出料口，

倾斜料板28的末端水平筒体内设置有锤打器5，锤打器5处的水平筒壁上设置有与筒壁垂直的挡板8，挡板8的下端与筒壁之间设置有物料流出口，该流出口处通过筛网12与内壁上设置有超声发生器14的超声波室连通，超声波室内设置有与减速机连接的送料螺杆A13，锤打器5的动力轴与破碎机转轴异面垂直，动力轴上设置有一个偏心锤7，偏心锤7外表面设置有“凹”字形凸齿6，水平筒体内壁和挡板上设置有与偏心锤外表面凸齿形状一致且彼此不咬合的的“凹”字形凸齿6。锤打过程靠冲击能来完成物料的进一步破碎，在电机的带动下偏心锤7逆时针旋转，均匀进入的物料不断受到锤头锤打以及凹凸齿的摩擦咀嚼，物料不断破碎变小，依靠离心作用，涌向出口处挡板28和筛网12，直至小于筛孔尺寸便被排出锤打室，进入超声波室，超声发生器14产生超声震荡使物料微细结构松动，同时还通过送料螺杆A传送，送料螺杆A的方向与粉碎机构转轴同面垂直，与送料螺杆A连接的减速机位于传送轴终端，使物料送达此水平筒体末端的出料口，物料旋入物料加热膨化撕裂装置内。

2)物料加热膨化撕裂过程，经过初级破碎的物料通过变距螺杆挤压、摩擦作用和高温伴热带加热，系统内温度不断上升，压力不断升高，物料体积不断压缩，在随螺杆旋出泄料口的瞬间，由于压力骤减，物料瞬间膨胀，其组织结构发生变化、微细结构撕裂，在加压过程中，当压力超过预设值，安全防爆阀打开，蒸汽喷出，保障运行安全。上述物料加热膨化撕裂过程在物料加热膨化撕裂装置内完成，该物料加热膨化撕裂装置包括“一”字形膨化破碎筒，该筒筒壁从外到内依次设置保温层9、高温伴热带10和防爆层11，保温层9为陶瓷纤维保温棉，该筒内设置有送料螺杆B15，送料螺杆B15为组合式变距涡轮螺杆，送料螺杆B15与减速机连接，物料进入该筒后通过高温伴热带10给物料加热，筒壁上设有安全防爆阀，当减速机出现卡住等故障时，物料会被长时间加热，反应器内压力增大到一定程度，安全防爆阀会打开，蒸汽喷出。一”字形膨化破碎筒的相应位置安装有温度传感器、压力变送器等装置，能够精确控制物料处理温度，压力检测等，经处理后的物料通过自动泄料口排出，旋入物料微波破碎装置内。

3)物料微波破碎过程，经过加热挤压撕裂的物料，旋入微波管道，微波加快分子运动对物料微结构进一步破坏，物料纤维的微分子结构被破坏，然后物料旋入物料分离装置。物料微波破碎装置包括“一”字形微波破碎筒，该筒的材质为赛钢，该筒筒壁外壁设置有一层微波防漏层17，该筒内壁上设置有多个磁控管18，该筒内还设置有减速电机连接的送料螺杆C16。磁控管18产生的微波加快了物料的分子运动，对物料微结构进一步破坏，物料中的包括木质素、纤维徐、半纤维素在内的主要组分已易于分离，物料在送料螺杆C16的作用下旋入物料分离装置内。

4)物料成份分解分离过程，经过微波破碎的物料在水的作用下，使物料中已分解的半纤维素溶于水而与木质素和纤维素分离，根据需要添加纤维素酶则纤维素在生物酶的作用下分解为利于乳酸发酵的短链糖类而溶出，实现与木质素的分离，木质素在螺杆的推动下从末端的出料口进入固体收集装置，纤维素和溶于水的半纤维素从出液口流入液体收集装置。物料分离装置包括“一”字形分离筒29，该筒筒壁上设置有加水口21和催化剂添加口20，该筒内设置有挤压螺杆30，减速机和挤压螺杆30连接，挤压螺杆30为组合式涡轮螺杆，螺距数值不相等，各螺距按等差级数规律渐变排列,螺杆30的前段螺距宽松，主要用于加水、生物酶过程对物料进行充分混合，后段螺距紧密，主要对物料进行挤压，实现木质纤维素与纤维素和半纤维素的固液分离，该筒筒壁底部在挤压螺杆后段紧密螺距处沿螺杆长度方向每50cm设有一段导水槽，导水槽的中部从前向后设置有一个逐渐变宽变深的水槽，水槽的末端设置一个出液口22，液体通过出液口22流入液体收集器23，干物质木质纤维素缠绕螺杆继续输送至出料口24，出料口24设置于挤压螺杆30后段紧密螺距末端，已排出木质纤维素于固体收集器内或者旋入下一环节。

因此，物料经过物料分离装置处理后可将半纤维素及其他易溶物溶于水中实现与木质素的分离，根据物料种类不同，物料分离装置可设置为一组或多组。另外，在上述四个处理环节中相应部位安装相应参数检测装置，根据处理要求检测相应参数，实时分析处理状态，进行比较优化。

本发明通过一种可以实现将农业废弃物成分完全分解的小型化、低成本、高效率预处理装置，对于多元化农林废弃物高效综合利用将起到飞跃性的突破，有利于农业废弃物在全球范围内的资源化全利用，替代石化产品，减少对石油不可再生资源的利用，实现国家领导在APC会议期间对全世界做出的减少对石化能源的承诺做出贡献。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术。

Claims (8)

1.一种利用农林废弃物生产清洁能源材料的方法，包括从农林废弃物分解分离固体木质素的步骤和以分离出的固体木质素为原料生产清洁燃料的步骤，其特征在于，所述农林废弃物分解分离固体木质素的步骤通过农林废弃物撬装模块式成份分解分离设备来实现，其具体过程为：

1)物料初级破碎过程，经过简单切割的物料径向进入粉碎室通过粉碎机构粉碎，该粉碎过程由刀片组与竖直筒体内壁上的突脊共同完成，然后物料下沉到达粉碎室底部的斜面进入锤打室，完成物料的进一步破碎，物料不断通过锤打、挤压，破碎变小，然后涌向出口处挡板、筛网，直至小于筛孔尺寸便排出锤打室，进入超声波室，超声震荡使物料微细结构松动，同时还通过螺杆传送使物料送达出料口，然后旋入物料加热膨化撕裂装置内；

2)物料加热膨化撕裂过程，经过初级破碎的物料通过变距螺杆挤压、摩擦作用和高温伴热带加热，系统内温度不断上升，压力不断升高，物料体积不断压缩，在随螺杆旋出泄料口的瞬间，由于压力骤减，物料瞬间膨胀，其微细结构撕裂，在加压过程中，当压力超过预设值，安全防爆阀打开，蒸汽喷出，保障运行安全；

3)物料微波破碎过程，经过加热挤压撕裂的物料，旋入微波管道，微波加快分子运动对物料微结构进一步破坏，物料纤维的微分子结构被破坏，然后物料旋入物料分离装置；

4)物料成份分解分离过程，经过微波破碎的物料在水的作用下，使物料中已分解的半纤维素溶于水而与木质素和纤维素分离，根据需要添加纤维素酶则纤维素在生物酶的作用下分解为利于乳酸发酵的短链糖类而溶出，实现与木质素的分离，木质素在螺杆的推动下从末端的出料口进入固体收集装置，纤维素和溶于水的半纤维素从出液口流入液体收集装置。

2.根据权利要求1所述的一种利用农林废弃物生产清洁能源材料的方法，其特征在于，所述分离出的固体木质素已经过脱硫脱氮脱硝与优质无烟煤粉混合以一定比例的高热量粘合剂粘合成型，或者根据热值需要将固体木质素直接压缩成块，形成高热值、无污染、低成本的可再生固体燃料。

3.根据权利要求1所述的一种利用农林废弃物生产清洁能源材料的方法，其特征在于，所述农林废弃物撬装模块式成份分解分离设备包括控制面板和通过管道连接在一起的物料初级破碎装置、物料加热膨化撕裂装置、物料微波破碎装置和物料分解分离装置，

所述物料初级破碎装置包括“L”形筒，其竖直筒体侧壁上设置有径向进料斗，竖直筒体内部设置有粉碎机构，所述粉碎机构下方设置有倾斜料板，所述倾斜料板的末端水平筒体内设置有锤打器，所述锤打器处的水平筒壁上设置有与筒壁垂直的挡板，所述挡板的下端与筒壁之间设置有物料流出口，该流出口处通过筛网与内壁上设置有超声发生器的超声波室连通，所述超声波室内设置有与减速机连接的送料螺杆A；

所述物料加热膨化撕裂装置包括由从外到内依次设置的保温层、高温伴热带和防爆层组成的“一”字形筒，该筒内设置内设有安全防爆阀和送料螺杆B；

所述物料微波破碎装置包括“一”字形微波破碎筒，该筒筒壁外壁设置有一层微波防漏层，该筒内壁上设置有多个磁控管，该筒内还设置有送料螺杆C；

所述物料分解分离装置包括“一”字形筒，该筒筒壁上设置有加水口和催化剂添加口，该筒内设置有挤压螺杆，该筒筒壁上还设置有出液口和出料口。

4.根据权利要求3所述的一种利用农林废弃物生产清洁能源材料的方法，其特征在于，所述粉碎机构包括减速机、转轴、3-5个刀片组和竖直筒体内壁上设置的突脊，所述刀片组沿转轴轴向设置，每个刀片组由连接到转轴上的楔形刀片和刀片末端单点固定的偏轮锤片组成，所述多个刀片组中每个刀片组的长度相等，且比突脊内面形成的内径长1mm。

5.根据权利要求3所述的一种利用农林废弃物生产清洁能源材料的方法，其特征在于，所述刀片组设置为三个，其中刀片的长度从上到下依次变短，偏轮锤片的长度从上到下依次变长。

6.根据权利要求3所述的一种利用农林废弃物生产清洁能源材料的方法，其特征在于，所述锤打器包括一个动力轴，所述动力轴与破碎机转轴异面垂直，所述动力轴上设置有一个偏心锤，所述偏心锤外表面设置有“凹”字形结构的凸齿，所述水平筒体内壁和挡板上设置有与偏心锤外表面凸齿形状一致且彼此不咬合的的“凹”字形凸齿。

7.根据权利要求3所述的一种利用农林废弃物生产清洁能源材料的方法，其特征在于，所述挤压螺杆的螺距数值不相等，各螺距按等差级数规律渐变排列。

8.根据权利要求3所述的一种利用农林废弃物生产清洁能源材料的方法，其特征在于，所述物料分离装置的“一”字形筒底部在挤压螺杆后段紧密螺距处沿螺杆长度方向每50cm设有一段导水槽，所述导水槽的中部从前向后设置有一个逐渐变宽变深的水槽，所述水槽的末端设置一个出液口。