CN104650935A

CN104650935A - 一种生物质有效的处理方法

Info

Publication number: CN104650935A
Application number: CN201510070275.7A
Authority: CN
Inventors: 郭淑青; 董向元; 石凤娟; 马富芹; 于海龙
Original assignee: Zhongyuan University of Technology
Current assignee: Zhongyuan University of Technology
Priority date: 2015-02-11
Filing date: 2015-02-11
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2035-02-11
Also published as: CN104650935B

Abstract

本发明公开了一种生物质有效的处理方法，包括如下步骤：（1）将生物质与水按质量比1:5~1:15的比例在缺氧气氛中加热液化和炭化，得到一次液化产物和一次炭化材料；（2）将步骤（1）所得到的一次液化产物进行膜分离，然后通过透析和/或电渗析和/或纳米过滤得到可溶性糖浓缩液和剩余分离液；（3）将所述步骤（2）得到的剩余分离液和补给步骤（1）中所用水质量的0~10%的水加入到反应釜中，然后与步骤（1）所得到的一次炭化材料在缺氧气氛中加热深度炭化，将产物真空过滤分离得到二次液化产物和炭化材料。先通过膜分离，然后通过透析和/或电渗析和/或纳米过滤有效分离可溶性糖，提高了原料转化率。

Description

一种生物质有效的处理方法

技术领域

本发明属于可降解有机物资源化利用技术领域，具体涉及一种生物质有效的处理方法。

背景技术

生物质资源环境友好、分布广泛、可再生。据估计，地球上每年生长的生物质能总量约1400～1800亿干吨，相当于目前世界总能耗的10倍。我们国家是农业大国，生物质资源丰富，每年农作物秸秆产量约为7.2亿多吨，林业剩余物资源也高达3亿多吨。如此数量巨大的生物质资源给快速、有效的处理和利用带来了很大的困难。以往多采取直接燃烧的方式，虽然方法简单快捷，但造成了资源的浪费和严重的环境污染。农业废弃物过去一般也采取直接还田、高温堆肥、发酵制沼气等处理方式，但利用效率低下，同时也带来了大量的环境污染问题。因此，实现生物质资源合理有效地开发和利用，对缓解能源短缺的压力和改善环境、促进生态平衡乃至实现人与自然的和谐发展都有着重要的意义。

生物质湿解是一种强制腐殖化和矿化技术，它利用一定温度和压力的热水或饱和水蒸气使生物质在缺氧的条件下快速切断有机物大分子的长链，并将生物质内存贮的有机碳转移到稳定化的类腐殖质中快速封存。湿解工艺的核心目的是快速处理生物质，生产高品质的腐殖煤或者生物炭。然而在约160~280℃的温度下采用相对短的停留时间一次性加热使原料在热水或蒸汽中降解，这就代表着会有相当大份额的糖类化合物会进一步分解，造成更多的气体排放，降低了能源利用率，且会有部分糖类沉积在生物质表面，影响生物质与水的接触，从而影响生物质的炭化程度。

申请号为CN101096032A的中国发明专利公开了一种固体废物连续湿解处理的方法与装置，其中在150~250℃利用水蒸气加热处理固体废物，并进行连续处理。虽然在工业化生产中连续处理相对于批处理操作有一定的优势，但该装置无法实现有效分离过程中产生的可溶性糖及回收利用含有有机酸的分离液，并且这种装置结构复杂、密封困难、造价高昂。

申请号为CN101869904A的中国发明专利公开了一种生活垃圾湿解综合处理工艺，该工艺可以实现生活垃圾在110~130℃，压力为0.5~1.0MPa，保持时间为60~100分钟的条件下进行降解。但此工艺降解的产物还需进行好痒堆肥8~12天，周期较长，容易产生二次污染。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种生物质有效的处理方法，能够快速、高效从生物质材料中生产炭化材料的新方法，该方法可以提高目标产物生物焦的产率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种生物质有效的处理方法，包括如下步骤：

（1）将生物质与水按质量比1:5~1:15的比例在缺氧气氛中加热液化和炭化，所述反应温度为205~235℃，停留时间为10~30分钟，反应结束后，通冷却水冷却，将所得固液混合产物通过真空过滤分离得到一次液化产物和一次炭化材料；

（2）将步骤（1）所得到的一次液化产物进行膜分离，所述膜分离截留相对分子质量为50~500，然后通过透析和/或电渗析和/或纳米过滤得到可溶性糖浓缩液和剩余分离液；

（3）将所述步骤（2）得到的剩余分离液和补给步骤（1）中所用水质量的0~10%的水加入到反应釜中，然后与步骤（1）所得到的一次炭化材料在缺氧气氛中加热深度炭化，所述反应温度为255~345℃，停留时间为180~240分钟，将产物真空过滤分离得到二次液化产物和炭化材料；

（4）将步骤（3）所得二次液化产物再次用作步骤（1）的反应溶剂，同时补给步骤（1）中所用水质量的0~10%的水，再次与生物质在缺氧气氛中加热，重复所述步骤（1）至（3），循环进行。

所述步骤（2）中的可溶性糖包括木寡糖、葡聚糖、半乳糖和甘露聚糖，该可溶性糖中含有木寡糖4~6%、葡聚糖6~12%、半乳糖3~5%、甘露聚糖0~2%。

所述步骤（2）中剩余分离液中含有3~8%生物质重量的有机酸。

所述步骤（3）中的炭化材料用于电极材料、污染物吸附、热解和/或气化的原料，所述炭化材料用作锂离子电池电极材料的添加剂时，可逆容量高于传统石墨电极的可逆容量；用作污染物吸附时，可以常温下吸附CO₂，减少环境污染；用作热解和/或气化的原料时，可以用来制取清洁燃料气甲烷，环境友好。

所述步骤（1）-（3）的处理过程中生物质中≤10%重量的碳以CO₂形式排放。

所述步骤（1）中生物质为麦秆、玉米秆、稻秆、棉秆、高粱秆、树木枝叶、草坪草、杂草、甘蔗渣、城市生活垃圾中的一种或几种，所述生物质的粒径为2~5mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）先通过膜分离，然后通过透析和/或电渗析和/或纳米过滤有效分离可溶性糖，提高了原料转化率，同时减少了因糖类化合物的沉积对后续炭化反应的不利影响，减少在后续反应中因糖类化合物分解而产生的污染物排放；（2）利用含有机酸的剩余分离液再次作为反应溶剂，不但减少了生物质炭化过程中水的消耗，还因有机酸的催化作用，显著提高了炭化材料的产率；（3）根据所述生物质组分和目标产物，合理分阶段调控反应参数，同时得到可溶性糖和炭化材料；（4）整个处理期间生物质≤10%重量的碳以CO₂形式排放，减少了温室气体的产生，是一种环境友好的加工工艺。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明所提供的生物质有效的处理方法进行详细说明。

实施例1

本实施例生物质有效的处理方法，包括如下步骤：（1）将自然风干粉碎后粒径为2mm的小麦秆20g和100g水按固液质量比为1:5的比例加入到反应釜中，在缺氧气氛中加热液化和炭化，控制反应温度为205℃，停留时间为10分钟，反应结束后，向反应釜内通入冷却水使其快速冷却至室温，得到固液混合产物，所述固液混合产物通过真空过滤分离得到一次液化产物和一次炭化材料；（2）将步骤（1）所得到的一次液化产物进行膜分离，即将一次液化产物依次通过截留分子量为50~500的滤膜，利用透析结合电渗析分离出可溶性糖浓缩液及含有有机酸的剩余分离液，通过高效液相色谱和离子色谱对可溶性糖浓缩液和剩余分离液进行定量分析，以原料干基质量为基础，得到可溶性糖浓缩液产率为18%，该可溶性糖中含有木寡糖4%、葡聚糖10%、半乳糖3%、甘露聚糖0.5%，剩余分离液中有机酸浓度为5.6%；（3）将步骤（1）得到的一次炭化材料与步骤（2）所得的剩余分离液按固液质量比1:5称取一次炭化材料1g和剩余分离液5g加入到反应釜中，在缺氧气氛中加热深度炭化，控制反应温度为255℃，停留时间为180分钟，将固液产物过滤、真空分离，得到二次液化产物和炭化材料，对炭化材料烘干至恒重，进行分析，最终所得炭化材料产率为59%。

经检测分析，所得最终炭化材料含碳量可达69%。

实施例2

本实施例生物质有效的处理方法，包括如下步骤：（1）将自然风干粉碎后粒径为2mm的玉米秆20g和300g水按固液质量比为1:15的比例加入到反应釜中，在缺氧气氛中加热液化和炭化，控制反应温度为235℃，停留时间为30分钟，反应结束后，向反应釜内通入冷却水使其快速冷却至室温，得到固液混合产物，所述固液混合产物通过真空过滤分离得到一次液化产物和一次炭化材料；（2）将步骤（1）所得到的一次液化产物进行膜分离，即对一次液化产物依次通过截留分子量为50~500的滤膜，利用透析结合电渗析分离出可溶性糖浓缩液及含有有机酸的剩余分离液，通过高效液相色谱和离子色谱对可溶性糖浓缩液和剩余分离液进行定量分析，以原料干基质量为基础，得到可溶性糖产率为20%，该可溶性糖中含有木寡糖5%、葡聚糖6%、半乳糖5%、甘露聚糖1%，剩余分离液中有机酸浓度为6.3%；（3）将步骤（1）得到的一次炭化材料与步骤（2）所得的剩余分离液按固液质量比1:5称取一次炭化材料1g和剩余分离液15g加入到反应釜中，在缺氧气氛中加热深度炭化，控制反应温度为345℃，停留时间为240分钟，将固液产物过滤、真空分离，得到二次液化产物和炭化材料，对炭化材料烘干至恒重，进行分析，最终所得炭化材料产率为53%。

经检测分析，所得最终炭化材料含碳量可达73%。

实施例3

本实施例生物质有效的处理方法，包括如下步骤：（1）将自然风干粉碎后粒径为5mm的梧桐树叶20g和100g水按固液质量比为1:5的比例加入到反应釜中，在缺氧气氛中加热液化和炭化，控制反应温度为220℃，停留时间为15分钟，反应结束后，向反应釜内通入冷却水使其快速冷却至室温，得到固液混合产物，所述固液混合产物通过真空过滤分离得到一次液化产物和一次炭化材料；（2）将步骤（1）所得到的一次液化产物进行膜分离，对一次液化产物依次通过截留分子量为50~500的滤膜，利用透析结合电渗析分离出可溶性糖浓缩液及含有有机酸的剩余分离液，通过高效液相色谱和离子色谱对可溶性糖浓缩液和剩余分离液进行定量分析，以原料干基质量为基础，得到可溶性糖产率为21%，该可溶性糖中含有木寡糖6%、葡聚糖10%、半乳糖4.5%，剩余分离液中有机酸浓度为5.4%；（3）将步骤（1）得到的一次炭化材料与步骤（2）所得的剩余分离液按固液质量比1:10称取一次炭化材料1g和剩余分离液10g加入到反应釜中，在缺氧气氛中加热深度炭化，控制反应温度255℃，停留时间为180分钟，将产物过滤、真空分离，对炭化材料烘干至恒重，进行分析，最终炭化材料产率为70%。

经检测分析，所得最终炭化材料含碳量可达72%。

实施例4

本实施例生物质有效的处理方法，包括如下步骤：（1）将自然风干粉碎后粒径为4mm的梧桐树叶20g和240g水按固液质量比为1:12的比例加入到反应釜中，在缺氧气氛中加热液化和炭化，控制反应温度为230℃，停留时间为25分钟，反应结束后，向反应釜内通入冷却水使其快速冷却至室温，得到固液混合产物，所述固液混合产物通过真空过滤分离得到一次液化产物和一次炭化材料；（2）将步骤（1）所得到的一次液化产物进行膜分离，对一次液化产物依次通过截留分子量为50~500的滤膜，利用透析结合电渗析分离出可溶性糖浓缩液及含有有机酸的剩余分离液，通过高效液相色谱和离子色谱对可溶性糖浓缩液和剩余分离液进行定量分析，以原料干基质量为基础，得到可溶性糖产率为24%，该可溶性糖中含有木寡糖6%、葡聚糖12%、半乳糖3.5%、甘露聚糖2%，剩余分离液中有机酸浓度为5.9%；（3）将步骤（1）得到的一次炭化材料与步骤（2）所得的剩余分离液按固液质量比1:8称取一次炭化材料1g和剩余分离液8g，同时补给24g水加入到反应釜中，在缺氧气氛中加热深度炭化，控制反应温度305℃，停留时间为220分钟，将产物过滤、真空分离，对炭化材料烘干至恒重，进行分析，最终炭化材料产率为64%。

经检测分析，所得最终炭化材料含碳量可达78%。

Claims

1.一种生物质有效的处理方法，其特征在于包括如下步骤：

（3）将所述步骤（2）得到的剩余分离液和补给步骤（1）中所用水质量的0~10%的水加入到反应釜中，然后与步骤（1）所得到的一次炭化材料在缺氧气氛中加热深度炭化，所述反应温度为255~345℃，停留时间为180~240分钟，将产物真空过滤分离得到二次液化产物和炭化材料。

2.根据权利要求1所述的生物质有效的处理方法，其特征在于：所述步骤（2）中的可溶性糖浓缩液中包括木寡糖、葡聚糖、半乳糖和甘露聚糖。

3.根据权利要求1所述的生物质有效的处理方法，其特征在于：所述步骤（2）中剩余分离液中含有3~8%生物质重量的有机酸。

4.根据权利要求1所述的生物质有效的处理方法，其特征在于：所述步骤（3）中的炭化材料用于电极材料、污染物吸附、热解和/或气化的原料。

5.根据权利要求1-4任一项所述的生物质有效的处理方法，其特征在于：所述步骤（1）-（3）的处理过程中生物质中≤10%重量的碳以CO₂形式排放。

6.根据权利要求5所述的生物质有效的处理方法，其特征在于：所述步骤（1）中生物质为麦秆、玉米秆、稻秆、棉秆、高粱秆、树木枝叶、草坪草、杂草、甘蔗渣、城市生活垃圾中的一种或几种，所述生物质的粒径为2~5mm。