CN104690068A - 一种利用生物质制备水热焦的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用生物质制备水热焦的方法，包括如下步骤：（1）在缺氧气氛中加热液化和腐殖化，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固体腐殖化材料；（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）将步骤（2）所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）所得到的腐殖化材料在缺氧气氛中加热腐殖化，将产物过滤、离心得到二次液化产物和水热焦。本发明生物质水热处理技术可以不用除了水以外的任何催化剂，工艺简单、环境友好，生物质转化率和资源利用率高，具有工业应用潜力。

Description

一种利用生物质制备水热焦的方法

技术领域    

本发明属于生物质资源化领域，特别涉及一种利用生物质制备水热焦的方法。

背景技术

我国每年城市生活垃圾产量已高达1.5亿吨，并正在以每年9%的速度递增，农作物秸秆产量每年约为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，其减量化、稳定化和资源化处理对经济的发展和生态环境的改善都具有重大意义。

以往，针对生物质常采用的处置方式主要有填埋、堆肥、焚烧等，不但利用率低下，同时也造成了大量的环境污染问题。

发明内容    

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用生物质制备水热焦的方法，该方法过程简单，能源利用率高，可以将生物质转化为具有改良土壤结构和酸性的水热焦。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用生物质制备水热焦的方法，包括如下步骤：（1）将生物质与水按质量比1:5~1:15的比例加入到反应釜中，在缺氧气氛中加热液化和腐殖化，所述反应温度为225~245℃，压力为2.5~2.9MPa，停留时间为5-15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固体腐殖化材料；

（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，所述可溶性糖产率可达15~25%；

（3）将步骤（2）所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）所得到的腐殖化材料在缺氧气氛中加热腐殖化，所述腐殖化温度为175~195℃，压力为0.9~1.4MPa，停留时间为12~24小时，将产物过滤、离心得到二次液化产物和水热焦，所述水热焦产率可达60~70%；

（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）中的可溶性糖浓缩液作为液体燃料应用，通过发酵制取燃料乙醇，具有清洁燃烧、减少污染物排放而造成空气污染的好处。

所述步骤（3）得到的水热焦作为土壤改良剂应用，所述水热焦含丰富的有机质、具有孔隙结构和含氧官能团，根据所种植物所需的营养元素也可以添加氮、磷、钾等元素制作成生态有机复合肥，或者直接在秋收后深翻地时直接施于田间，可以改良我国土壤因长期使用化肥而造成的板结，增强土壤团粒结构，并能吸附土壤中的重金属比如汞和铅等元素，减少这些重金属对农作物乃至人类健康的危害。

所述步骤（1）中生物质为厨余、草木、玉米秸秆、麦秆、甘蔗渣，所述生物质的粒径为2~20mm。

本发明生物质水热处理方法利用一定温度和压力的热水使生物质在缺氧的条件下快速切断有机物大分子的长链，发生脱水、脱氢和脱氧、缩聚和腐殖化及芳香化等复杂的化学反应，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，可以快速地将生物质转化为固体水热焦，用作土壤改良剂或制作成有机生态肥料，实现生物质的减量化、稳定化、无害化和资源化，促进自然界的碳循环；水是生物质水热处理技术必备的反应溶剂，直接参与生物质的热化学转化反应。生物质经水热处理后，本发明根据目标产物及用途，研究开发合理有效利用过程水的生物质水热处理技术；生物质水热转化生成水热焦的过程中，所得液体副产物中含有糖类、醛类、小分子有机酸和一些未转化的有机中间产物，其合理调控工艺参数，合理的处理与应用，对提高能源利用率、生物质转化率乃至水热技术的工业应用都有着重要影响。因此，根据生物质结构的演变，合理调控工艺参数，并有效利用液体副产物对生物质水热处理技术发展显得十分必要。

与现有技术相比，本发明的效果为：

（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沉积在生物质表面而产生的传质与扩散阻力，以及在水热焦生成过程中因糖类化合物分解而产生的污染物排放；

（2）以剩余分离液再次作为反应溶剂回收利用，因其中含有小分子有机酸如乙酸，会对生物质水热反应起到催化作用，提高了资源利用率，从而降低处理成本；

（3）两步中反应温度和压力等工艺参数的合理控制，可有效破坏原料纤维素和木质素的结构及水解生物质中半纤维素和部分纤维素中的糖类化合物，并有利于水热焦的生成；

（4）本发明生物质转化率和资源利用率高，可溶性糖产率可达15~25%，水热焦产率可达60~70%，具有工业应用潜力；

（5）本发明生物质水热处理技术可以不用除了水以外的任何催化剂，工艺简单、环境友好，是目前世界上生物质资源化利用重点关注的前沿技术。

具体实施方式  

下面通过实施例对本发明所提供的生物质腐殖化处理方法进行详细说明。

实施例1

本实施例利用生物质制备水热焦的方法，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的比例加入到高温高压反应釜中，在缺氧气氛中加热液化和腐殖化，控制反应温度为225℃，压力为2.5 MPa，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腐殖化材料；（2）将步骤（1）所得到的一次液化产物进行膜分离，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，通过高效液相色谱对可溶性糖浓缩液进行定量分析，以原料干基质量为基础，所得可溶性糖产率为20%，可溶性糖浓缩液作为液体燃料应用；（3）将步骤（1）得到的腐殖化材料与步骤（2）所得的剩余分离液按固液质量比1:5称取腐殖化材料1g和剩余分离液5g加入到反应釜中，控制反应温度195℃，压力为1.4 MPa，停留时间为12小时，反应结束后将所得固液产物过滤、离心分离得到二次液化产物和水热焦，然后将所得水热焦烘干至恒重，进行分析，得到水热焦产率为66%，水热焦作为土壤改良剂应用。

经检测分析可知，本实施例水热焦作为土壤改良剂时，该土壤培育的黄瓜的发芽率达98%。

实施例2

本实施例利用生物质制备水热焦的方法，包括如下步骤：（1）将自然风干粉碎后粒径为10mm的小麦秆20g和300g水按固液质量比为1:15的比例加入到高温高压反应釜中，在缺氧气氛中加热液化和腐殖化，控制反应温度为245℃，压力为2.5 MPa，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，通过真空过滤分离得到一次液化产物和腐殖化材料；（2）将步骤（1）所得到的一次液化产物进行膜分离，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，通过高效液相色谱对可溶性糖浓缩液进行定量分析，以原料干基质量为基础，所得可溶性糖产率为22%，可溶性糖浓缩液作为液体燃料应用；（3）将步骤（1）得到的腐殖化材料与步骤（2）所得的剩余分离液按固液质量比1:15称取腐殖化材料1g和剩余分离液15g加入到反应釜中，控制反应温度195℃，压力为1.2 MPa，停留时间为12小时，反应结束后将所得固液产物过滤、离心分离得到二次液化产物和水热焦，然后将所得水热焦烘干至恒重，进行分析，得到水热焦产率为66%，水热焦作为土壤改良剂应用。

经检测分析可知，本实施例水热焦作为土壤改良剂时，该土壤培育的黄瓜的发芽率达99%。

实施例3

本实施例利用生物质制备水热焦的方法，包括如下步骤：（1）将自然风干粉碎后粒径为20mm的玉米秸秆20g和200g水按固液质量比为1:10的比例加入到高温高压反应釜中，在缺氧气氛中加热液化和腐殖化，控制反应温度为230℃，压力为2.9 MPa，停留时间为8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，通过真空过滤分离得到一次液化产物和腐殖化材料；（2）将步骤（1）所得到的一次液化产物进行膜分离，将一次液化产物依次通过截留分子量为50~500的滤膜，利用纳米过滤分离出可溶性糖浓缩液及含有有机酸的剩余分离液，通过高效液相色谱对可溶性糖浓缩液进行定量分析，以原料干基质量为基础，所得可溶性糖产率为25%，可溶性糖浓缩液作为液体燃料应用；（3）将步骤（1）得到的腐殖化材料与步骤（2）所得的剩余分离液按固液质量比1:10称取腐殖化材料1g和剩余分离液10g加入到反应釜中，控制反应温度175℃，压力为0.9MPa，停留时间为24小时，反应结束后将所得固液产物过滤、离心分离得到二次液化产物和水热焦，然后将所得水热焦烘干至恒重，进行分析，得到水热焦产率为60%，水热焦作为土壤改良剂应用。

经检测分析可知，本实施例水热焦作为土壤改良剂时，该土壤培育的黄瓜的发芽率达98%。

实施例4

本实施例利用生物质制备水热焦的方法，包括如下步骤：（1）将自然风干粉碎后粒径为15mm的甘蔗渣30g和300g水按固液质量比为1:10的比例加入到高温高压反应釜中，在缺氧气氛中加热液化和腐殖化，控制反应温度为235℃，压力为2.7 MPa，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，通过真空过滤分离得到一次液化产物和腐殖化材料；（2）将步骤（1）所得到的一次液化产物进行膜分离，将一次液化产物依次通过截留分子量为50~500的滤膜，利用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，通过高效液相色谱对可溶性糖浓缩液进行定量分析，以原料干基质量为基础，所得可溶性糖产率为20%，可溶性糖浓缩液作为液体燃料应用；（3）将步骤（1）得到的腐殖化材料与步骤（2）所得的剩余分离液按固液质量比1:8称取腐殖化材料1g和剩余分离液8g加入到反应釜中，控制反应温度195℃，压力为0.9 MPa，停留时间为12小时，反应结束后将所得固液产物过滤、离心分离得到二次液化产物和水热焦，然后将所得水热焦烘干至恒重，进行分析，得到水热焦产率为62%，水热焦作为土壤改良剂应用。

经检测分析可知，本实施例水热焦作为土壤改良剂时，该土壤培育的黄瓜的发芽率达99.5%。

实施例5

本实施例利用生物质制备水热焦的方法，包括如下步骤：（1）将自然风干粉碎后粒径为10mm的草木10g和120g水按固液质量比为1:12的比例加入到高温高压反应釜中，在缺氧气氛中加热液化和腐殖化，控制反应温度为240℃，压力为2.9 MPa，停留时间为6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，通过真空过滤分离得到一次液化产物和腐殖化材料；（2）将步骤（1）所得到的一次液化产物进行膜分离，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，通过高效液相色谱对可溶性糖浓缩液进行定量分析，以原料干基质量为基础，所得可溶性糖产率为18%，可溶性糖浓缩液作为液体燃料应用；（3）将步骤（1）得到的腐殖化材料与步骤（2）所得的剩余分离液按固液质量比1:15称取腐殖化材料1g和剩余分离液15g，同时补给12g水一并加入到反应釜中，控制反应温度195℃，压力为1.0MPa，停留时间为18小时，反应结束后将所得固液产物过滤、离心分离得到二次液化产物和水热焦，然后将所得水热焦烘干至恒重，进行分析，得到水热焦产率为70%，水热焦作为土壤改良剂应用。

经检测分析可知，本实施例水热焦作为土壤改良剂时，该土壤培育的黄瓜的发芽率达99.3%。

Claims (4)

1.一种利用生物质制备水热焦的方法，其特征在于包括如下步骤：（1）将生物质与水按质量比1:5~1:15的比例加入到反应釜中，在缺氧气氛中加热液化和腐殖化，所述反应温度为225~245℃，压力为2.5~2.9MPa，停留时间为5-15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固体腐殖化材料；

（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）将步骤（2）所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）所得到的腐殖化材料在缺氧气氛中加热腐殖化，所述腐殖化温度为175~195℃，压力为0.9~1.4MPa，停留时间为12~24小时，将产物过滤、离心得到二次液化产物和水热焦。

2.根据权利要求1所述的利用生物质制备水热焦的方法，其特征在于：所述步骤（2）中的可溶性糖浓缩液作为液体燃料应用。

3.根据权利要求1所述的利用生物质制备水热焦的方法，其特征在于：所述步骤（3）得到的水热焦作为土壤改良剂应用。

4.根据权利要求1所述的利用生物质制备水热焦的方法，其特征在于：所述步骤（1）中生物质为厨余、草木、玉米秸秆、麦秆、甘蔗渣，所述生物质的粒径为2~20mm。