CN106220593A - 一种木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，包括以下步骤：将木质纤维素原料进行破碎后与一定量的水和酸混合均匀，在高温酸性环境中进行半纤维素组分和其它组分的分离，并利用水将半纤维素萃取出来，固液分离得到的半纤维素溶液经澄清、浓缩、净化后在糠醛连续反应器中进行脱水环化生成糠醛，并通过蒸馏、精馏最终得到符合国家标准的糠醛产品。本发明将“生物炼制”和糠醛“两步法工艺”相结合，多缩戊糖用于糠醛的生产，其它组分则根据其特性发挥最大功能分别转化为其它生物基产品。本发明集成了多种先进技术，保证了生产工艺的连续、稳定运行，实现了生产工艺的清洁生产和节能减排，有利于降低生产成本，提高项目的综合效益。
Description
技术领域
本发明涉及糠醛生产技术领域，具体涉及一种木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法。
背景技术
糠醛又名呋喃甲醛，是有机化工原料，多半用于生产糠醇，而糠醇中有80%～90%用于生产呋喃树脂。呋喃树脂主要用作铸造用胶粘剂、浇铸用胶泥、芯型和铸模。在玻璃纤维增强塑料、硅填充塑料及防腐灰浆中也配入一定量的呋喃树脂。少部分糠醇用于生产摩擦轮用耐高温酚醛树脂胶粘剂，例如汽车用的刹车片等，糠醇还可用作生产香料、香味剂、医药、农药的中间体。糠醛的另一下游产品四氢糠醇主要用作专用溶剂和化学中间体，如农药溶剂、工业及家用清洁剂、脱漆剂等，其丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯可用作不饱和聚酯的反应单体，其最新用途是在电子工业中用其配制清洁剂。
糠醛是由可再生木质纤维素资源生产的，因此是一种非石化产品。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素三大组分组成，其中草本植物和阔叶木的半纤维素主要是由多缩戊糖构成，而糠醛的生产是利用木质纤维素原料中的多缩戊糖。因此，凡是富含多缩戊糖的木质纤维素原料都适用于生产糠醛，如玉米芯、棉籽壳、蔗渣、秸秆等。我国是糠醛的产销大国，年产量近100万吨，我国产能约为世界糠醛生产能力的80%，而且已逐渐成为糠醛及其加工产品的最大出口国。
糠醛是由多缩戊糖在酸作用下水解生成戊糖，再由戊糖脱水环化而成，其中第一步水解速度快，且戊糖收率高，而第二步脱水环化反应速度较慢，同时还有副产物产生。糠醛生产方法分为“一步法工艺”和“两步法工艺”。“一步法工艺”是多缩戊糖水解和戊糖脱水环化生产糠醛两步反应在同一反应器中完成；而“两步法工艺”是多缩戊糖先在低温下水解生产戊糖，之后戊糖再在较高温度下脱水环化生成糠醛，两步反应分别在两个反应器中完成。我国糠醛是以玉米芯为原料采用“一步法工艺”生产的，以玉米芯为例，采用“一步法工艺”，吨糠醛消耗玉米芯10 t，硫酸0.32 t，蒸汽30 t；排放废水21 t，其中COD Cr 10 g/L。因此，糠醛的生产被我国列入《环境保护综合名录（2015年版）》中的“高污染、高环境风险产品名录”，但“两步法工艺”除外。“两步法工艺”要求分离木质纤维素原料中的纤维素和半纤维素，并要求吨产品：排放废水12 t，COD Cr 7 g/L，糠醛0.2 g/L；排放废渣8 t。但目前糠醛“两步法工艺”仅为实验室理论研究，因技术、工艺、设备不成熟，一直没有进行规模化生产，主要表现在如下：多缩戊糖提取效率低、纤维素损失率大、纤维强度降低、多缩戊糖溶液浓度低、多缩戊糖溶液浓缩泡沫产生严重、戊糖脱水环化效率低、糠醛收率低等。随着糠醛工业的发展，以及原料综合利用要求的提高，发展二步法糠醛生产工艺，分离原料中的纤维素和半纤维素并分别加以利用，是糠醛工业发展的必然趋势。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中生产糠醛采用的“一步法工艺”和“两步法工艺”中存在的问题，提供的一种木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，该生产方法为连续自动化生产，产量大，成本低，使用该方法能实现糠醛生产工艺的的绿色化、低碳化以及生产过程的节能减排。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，包括以下步骤：
（1）原料预处理
根据木质纤维素原料特性选择不同类型的破碎机，将木质纤维素原料进行破碎，所述的破碎机的类型包括锤片式破碎机、颚式破碎机、辊式破碎机和齿盘式破碎机；
（2）混料
在破碎后的木质纤维素原料中加入质量为木质纤维素原料干重35%-50%的水，并根据木质纤维素原料中乙酰基的含量加入酸，加入的酸的质量为木质纤维素原料干重的0.5%-10%，所述的酸为质量分数为75-98%的乙酸、盐酸或硫酸，然后通过混料机混合均匀；
（3）半纤维素组分分离
将与水和酸混合后的木质纤维素原料通过皮带输送机输送至半纤维素组分分离设备中，使半纤维素溶出或降解溶出，其中半纤维素组分分离设备包括汽爆设备、稀酸水解设备和水热预处理设备；
（4）半纤维素提取
将反应后的木质纤维素通过螺旋输送机输送至半纤维素提取机，加入适量的水进行提取，加入水后固液比w/v达到1:2-1:10，提取时间为5min-60min；
（5）固液分离
通过螺杆泵将半纤维素提取机中的固液混合物输送至纤维脱水机中进行固液分离，固液分离后得到半纤维素溶液和纤维产品，
（6）半纤维素溶液的澄清、浓缩
通过离心泵将提取的半纤维素溶液输送至半纤维素澄清、浓缩一体化设备中进行澄清并浓缩；
（7）半纤维素溶液的净化
浓缩后的半纤维素溶液通过离心泵输送至半纤维素净化塔中，去除半纤维素溶液中的杂质，其中半纤维素净化塔中所用的净化介质种类包括活性白土、硅藻土、活性炭、大孔树脂和离子交换树脂；
（8）半纤维素溶液连续催化生产毛醛
在净化后的半纤维素溶液添加酸，使半纤维素溶液中酸的质量浓度达到1%-10%，混合均匀后通过离心泵不断输送至糠醛连续反应器中，在反应温度为110℃-230℃下，停留20min-150min使半纤维素溶液中的多缩戊糖被催化转化为糠醛并随蒸汽一起进入冷凝器中，在冷凝器中被冷凝成为毛醛；
（9）毛醛蒸馏和精馏
冷凝得到的毛醛通过离心泵连续输送至蒸馏塔和精馏塔进行精制得到满足国家标准的糠醛产品。
上述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法中，所述的木质纤维素原料是指所有的木质纤维素资源，包括农作物秸秆、玉米芯、棉籽壳、甘蔗渣、高粱杆、棉杆、桑木、白杨、榉木以及桦树。
上述木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法中，步骤（3）半纤维素组分分离的具体操作步骤可以是：将与水和酸混合后的木质纤维素原料通过皮带输送机输送至至汽爆设备中，密封后通入蒸汽使压力达到1.0-1.6Mpa，压力稳定后维持5-15 min，瞬间打开出料阀门使原料爆碎，使半纤维素溶出。
上述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，步骤（5）中所述的纤维脱水机的种类包括螺旋挤浆机、带式压滤机、卧式螺旋离心机和陶瓷过滤机；固液分离后得到的纤维产品，根据纤维特性，其用途包括制备颗粒燃料，生产纸浆后造纸，用于生产纤维板、木塑材料、纸塑模具和发酵生产沼气、生物乙醇。
上述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，步骤（6）中所述的半纤维素澄清、浓缩一体化设备是采用不同膜组件的集成设备，包括微滤膜、膜混凝反应器、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜；所述的将半纤维素溶液输送至半纤维素澄清、浓缩一体化设备中进行澄清并浓缩，浓缩后半纤维素溶液中多缩戊糖的质量浓度达到5%-20%。
上述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，步骤（8）中所述的酸为乙酸、盐酸或硫酸；所述的糠醛连续反应器的种类包括管式反应器和塔式反应器。
上述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，所述的生物炼制是实现木质纤维素原料的生物量全利用。
木质纤维素结构复杂、组成成分多样，木质纤维素作为工业原料时，若将其作为一个整体利用生产单一产品，则各成分之间在生产过程中相互干扰，不能物尽其用，造成设备庞大、能耗高、原材料消耗量大、资源浪费、污染物排放量大。本发明是以糠醛为主导产品，在对木质纤维素原料预处理的基础上实现不同组分的分离，而且各组分要尽量保持其原有特性而不是被破坏。其中多缩戊糖用于糠醛的生产，其它组分则根据原料特性及组分特性发挥其最大功能分别转化为其它生物基产品。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用温和的分离技术实现半纤维素与木质素和纤维素的分离，组分分离过程中未破坏纤维素和木质素的结构特性和化学性能，有利于纤维素和木质素发挥其本征特性进行功能化转化。
2、本发明的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，所用的原料来源广、成本低，采用“两步法工艺”，提高了原料转化率，降低了化学试剂的消耗，实现了清洁生产和节能减排，生产效率高，产量大。
3、本发明的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法将多缩戊糖转化糠醛的技术为连续反应技术，保障了生产的稳定性、连续性，有利于缩短生产周期、降低能耗。
4、本发明的整个生产工艺集成了多种先进技术，包括汽爆技术、半纤维素提取技术、纤维脱水技术、半纤维素溶液澄清和浓缩一体化技术、半纤维素溶液净化技术，保证了生产工艺的连续、稳定运行，实现了生产工艺的清洁生产和节能减排，有利于降低生产成本，提高项目的综合效益。
附图说明
图1 为本发明木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明。所述的实施例是为了更好的解释本发明，而不是对发明权利要求保护范围的限制，所有基于本发明基本思想的修改和变动，都属于本发明请求保护的范围。
实施例1
一种木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，包括以下步骤：
（1）原料预处理
称取100 kg玉米芯（以绝干计），玉米芯中多缩戊糖含量为38%，其中玉米芯风干质量含水率为10%，利用颚式破碎机将玉米芯破碎成5-10 mm的颗粒；
（2）混料
玉米芯中乙酰基含量为1.2%（乙酰基重量占玉米芯重量的百分数），玉米芯在汽爆过程中乙酰基转化为乙酸，因此相当于原料中含有1.2%的酸，加入50 kg60℃的水和1.8 kg质量分数为98%的浓硫酸与玉米芯在混料机中混合均匀，其中60℃的水来自汽爆过程中冷凝回收的废蒸汽；
（3）半纤维素组分分离
将与水和酸混合后的玉米芯通过皮带输送机输送至汽爆设备中，密封后通入蒸汽使压力达到1.5 Mpa，压力稳定后维持15 min，瞬间打开出料阀门使原料爆碎，使半纤维素溶出；
（4）半纤维素提取
将反应后的玉米芯通过螺旋输送机输送至半纤维素提取机，加入124 kg的水进行提取，提取时间为15 min；
（5）固液分离
通过螺杆泵将半纤维素提取机中的固液混合物输送至卧式螺旋离心机中进行固液分离，固液分离后得到半纤维素溶液和纤维产品；
（6）半纤维素溶液的澄清、浓缩
通过离心泵将提取的半纤维素溶液输送至半纤维素澄清、浓缩一体化设备中进行澄清并浓缩，使半纤维素溶液中多缩戊糖的质量浓度达到9.0%，其中共得到半纤维素溶液400L；所述的半纤维素澄清、浓缩一体化设备是采用不同膜组件的集成设备，包括微滤膜、膜混凝反应器、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜；
（7）半纤维素溶液的净化
浓缩后的半纤维素溶液通过离心泵输送至半纤维素净化塔中，净化塔中填充活性白土以去除半纤维素溶液中的杂质；
（8）半纤维素溶液连续催化生产毛醛
在净化后的400 L半纤维素溶液加入0.9 kg浓硫酸，混合均匀后通过离心泵不断输送至糠醛连续反应器中，在反应温度为170℃下，停留60min使半纤维素溶液中的多缩戊糖被催化转化为糠醛并随蒸汽一起进入冷凝器中，在冷凝器中被冷凝成为毛醛；
（9）毛醛蒸馏和精馏
冷凝得到的毛醛通过离心泵连续输送至蒸馏塔和精馏塔进行精制得到满足国家标准的糠醛产品，最终100 kg玉米芯可生产16.41 kg糠醛，即6.1吨玉米芯生产1吨糠醛。
上述木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法中，步骤（5）固液分离后得到的纤维产品，根据纤维特性，玉米芯纤维细胞呈不规则的球形，不能作为纤维原料使用，因提取半纤维素后的玉米芯含酸量少，热值高，可以用作颗粒燃料的原料压制颗粒燃料，用于系统的锅炉燃烧。
上述木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，步骤（8）中所述的糠醛连续反应器的种类包括管式反应器和塔式反应器。
上述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，所述的生物炼制是实现木质纤维素原料的生物量全利用。
实施例2
一种木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，包括以下步骤：
（1）原料预处理
称取100 kg农作物秸秆-玉米秸秆（以绝干计），玉米秸秆多缩戊糖含量为22%，其中玉米秸秆风干含水6%，利用锤片式破碎机将玉米秸秆破碎成丝状；
（2）混料
玉米秸秆乙酰基含量为2.0%（乙酰基重量占玉米秸秆重量的百分数），玉米秸秆在汽爆过程中乙酰基转化为乙酸，因此相当于原料中含有2.0%的酸，加入50 kg 60℃的水和0.7kg质量分数为98%的浓硫酸与玉米秸秆在混料机中混合均匀，其中60℃的水来自汽爆过程中冷凝回收的废蒸汽；
（3）半纤维素组分分离
将与水和酸混合后的玉米秸秆通过皮带输送机输送至汽爆设备中，密封后通入蒸汽使压力达到1.3 Mpa，压力稳定后维持8 min，瞬间打开出料阀门使原料爆碎，使半纤维素溶出；
（4）半纤维素提取
汽爆后的玉米秸秆通过螺旋输送机将其输送至半纤维素提取机，加入180 kg的水进行提取，提取时间为30 min；
（5）固液分离
通过螺杆泵将半纤维素提取机中的固液混合物输送至带式压滤机中进行固液分离，固液分离后得到半纤维素溶液和纤维产品；
（6）半纤维素溶液的澄清、浓缩
通过离心泵将提取的半纤维素溶液输送至半纤维素澄清、浓缩一体化设备中进行澄清并浓缩，使半纤维素溶液中多缩戊糖的质量浓度达到10%，其中共得到半纤维素溶液210L，所述的半纤维素澄清、浓缩一体化设备是采用不同膜组件的集成设备，包括微滤膜、膜混凝反应器、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜；
（7）半纤维素溶液的净化
浓缩后的半纤维素溶液通过离心泵输送至半纤维素净化塔中，净化塔中填充大孔阴离子交换树脂以去除半纤维素溶液中的杂质；
（8）半纤维素溶液连续催化生产毛醛
在净化后的半纤维素溶液加入1.2 kg浓硫酸，混合均匀后通过离心泵不断输送至糠醛连续反应器中，在反应温度为180℃下，停留45 min使半纤维素溶液中的多缩戊糖被催化转化为糠醛并随蒸汽一起进入冷凝器中，在冷凝器中被冷凝成为毛醛；
（9）毛醛蒸馏和精馏
冷凝得到的毛醛通过离心泵连续输送至蒸馏塔和精馏塔进行精制得到满足国家标准的糠醛产品；最终100 kg玉米芯可生产10.5 kg糠醛，即9.52吨玉米芯生产1吨糠醛。
上述木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法中，步骤（5）固液分离后得到的纤维产品，根据纤维特性，玉米秸秆纤维来源于叶片、髓和皮，其中玉米秸秆皮的纤维细长，长度在1.8 mm左右，宽度在20 μm左右，可以作为良好的纤维原料用于制浆造纸、纤维板、木塑材料、纸塑材料的生产；玉米秸秆叶片和髓的纤维粗短或呈球形，可作为食用菌基料、微生物农药和微生物肥料的培养基原料，亦可发酵沼气、生物乙醇。
上述木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，步骤（8）中所述的糠醛连续反应器的种类包括管式反应器和塔式反应器。
上述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，所述的生物炼制是实现木质纤维素原料的生物量全利用。
实施例3
一种木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，包括以下步骤：
（1）原料预处理
称取100 kg甘蔗渣（以绝干计），甘蔗渣多缩戊糖含量为27%，其中甘蔗渣风干质量含水率为12%，因甘蔗渣是甘蔗制糖工业的副产品，在制糖过程中已被破碎，无需再进一步破碎；
（2）混料
甘蔗渣乙酰基含量为1.7%（乙酰基重量占玉米秸秆重量的百分数），甘蔗渣在汽爆过程中乙酰基转化为乙酸，因此相当于原料中含有1.7%的酸，加入52 kg 60℃的水和0.9 kg质量分数为98%的浓硫酸与甘蔗渣在混料机中混合均匀，其中60℃的水来自汽爆过程中冷凝回收的废蒸汽；
（3）半纤维素组分分离
将与水和酸混合后的甘蔗渣通过皮带输送机输送至汽爆设备中，密封后通入蒸汽使压力达到1.4 Mpa，压力稳定后维持7 min，瞬间打开出料阀门使原料爆碎，使半纤维素溶出；
（4）半纤维素提取
将反应后的木质纤维素通过螺旋输送机输送至半纤维素提取机，加入220 kg的水进行提取，提取时间为20 min；
（5）固液分离
通过螺杆泵将半纤维素提取机中的固液混合物输送至陶瓷过滤机中进行固液分离，固液分离后得到半纤维素溶液和纤维产品；
（6）半纤维素溶液的澄清、浓缩
通过离心泵将提取的半纤维素溶液输送至半纤维素澄清、浓缩一体化设备中进行澄清并浓缩，使半纤维素溶液中多缩戊糖的质量浓度达到11%，其中共得到半纤维素溶液230 L,所述的半纤维素澄清、浓缩一体化设备是采用不同膜组件的集成设备，包括微滤膜、膜混凝反应器、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜；
（7）半纤维素溶液的净化
浓缩后的半纤维素溶液通过离心泵输送至半纤维素净化塔中，净化塔中填充颗粒活性炭以去除半纤维素溶液中的杂质；
（8）半纤维素溶液连续催化生产毛醛
在净化后的半纤维素溶液加入1.3 kg浓硫酸，混合均匀后通过离心泵不断输送至糠醛连续反应器中，在反应温度为150℃下，停留120min使半纤维素溶液中的多缩戊糖被催化转化为糠醛并随蒸汽一起进入冷凝器中，在冷凝器中被冷凝成为毛醛；
（9）毛醛蒸馏和精馏
冷凝得到的毛醛通过离心泵连续输送至蒸馏塔和精馏塔进行精制得到满足国家标准的糠醛产品；最终100 kg甘蔗渣可生产12.66 kg糠醛，即7.90吨甘蔗渣生产1吨糠醛，每吨糠醛用酸量为173.78 kg。
上述木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法中，步骤（5）固液分离后得到的纤维产品，根据纤维特性，甘蔗渣纤维来源于甘蔗皮和甘蔗髓，其中甘蔗皮的纤维细长，长度在1.9mm左右，宽度在24 μm左右，可以作为良好的纤维原料用于制浆造纸、纤维板、木塑材料、纸塑材料的生产；甘蔗髓的纤维粗短或呈球形，可作为食用菌基料、微生物农药和微生物肥料的培养基原料，亦可发酵沼气、生物乙醇。
上述木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，步骤（8）中所述的糠醛连续反应器的种类包括管式反应器和塔式反应器。
上述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，所述的生物炼制是实现木质纤维素原料的生物量全利用。
实施例4
一种木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，包括以下步骤：
（1）原料预处理
取一定量的木质纤维素原料-棉籽壳，利用辊式破碎机将棉籽壳进行破碎；
（2）混料
在破碎后的棉籽壳中加入质量为木质纤维素原料干重35%的水，根据棉籽壳中乙酰基的含量，加入酸，加入的酸的质量占木质纤维素原料干重的0.5%，所述的酸为质量分数为75%的盐酸，然后通过混料机使棉籽壳与水和酸混合均匀；
（3）半纤维素组分分离
将与水和酸混合后的棉籽壳通过皮带输送机输送至半纤维素组分分离设备中，使半纤维素溶出或降解溶出，其中半纤维素组分分离设备包括汽爆设备、稀酸水解设备和水热预处理设备；
（4）半纤维素提取
将反应后的木质纤维素通过螺旋输送机输送至半纤维素提取机，加入适量的水进行提取，加入水后固液比达到1:2（w/v），提取时间为60min；
（5）固液分离
通过螺杆泵将半纤维素提取机中的固液混合物输送至螺旋挤浆机中进行固液分离，固液分离后得到半纤维素溶液和纤维产品；
（6）半纤维素溶液的澄清、浓缩
通过离心泵将提取的半纤维素溶液输送至半纤维素澄清、浓缩一体化设备中进行澄清并浓缩，使半纤维素溶液中多缩戊糖的质量浓度达到5%，所述的半纤维素澄清、浓缩一体化设备是采用不同膜组件的集成设备，包括微滤膜、膜混凝反应器、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜；
（7）半纤维素溶液的净化
浓缩后的半纤维素溶液通过离心泵输送至半纤维素净化塔中，净化塔中填充硅藻土以去除半纤维素溶液中的杂质；
（8）半纤维素溶液连续催化生产毛醛
在净化后的半纤维素溶液加入适量的硫酸使半纤维素溶液中硫酸的质量浓度达到1%，混合均匀后通过离心泵不断输送至糠醛连续反应器中，在反应温度为110℃下，停留150min使半纤维素溶液中的多缩戊糖被催化转化为糠醛并随蒸汽一起进入冷凝器中，在冷凝器中被冷凝成为毛醛；
（9）毛醛蒸馏和精馏
冷凝得到的毛醛通过离心泵连续输送至蒸馏塔和精馏塔进行精制得到满足国家标准的糠醛产品。
上述木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法中，步骤（5）固液分离后得到的纤维产品，根据纤维特性，其用途可用来制备颗粒燃料。
上述木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，步骤（8）中所述的糠醛连续反应器的种类包括管式反应器和塔式反应器。
上述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，所述的生物炼制是实现木质纤维素原料的生物量全利用。
实施例5
一种木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，包括以下步骤：
（1）原料预处理
取一定量的杨木锯末，杨木锯末无需再进一步破碎；
（2）混料
在杨木锯末中加入质量为木质纤维素原料干重40%的水，根据杨木锯末中乙酰基的含量，加入酸，加入的酸的质量占杨木锯末干重的4.5%，所述的酸为质量分数为75-98%的乙酸，然后通过混料机使杨木锯末与水和酸混合均匀；
（3）半纤维素组分分离
将与水和酸混合后的杨木锯末通过皮带输送机输送至半纤维素组分分离设备中，使半纤维素溶出或降解溶出，其中半纤维素组分分离设备包括汽爆设备、稀酸水解设备和水热预处理设备；
（4）半纤维素提取
将反应后的木质纤维素通过螺旋输送机输送至半纤维素提取机，加入适量的水进行提取，加入水后固液比（w/v）达到1:5，提取时间为30min；
（5）固液分离
通过螺杆泵将半纤维素提取机中的固液混合物输送至带式压滤机中进行固液分离，固液分离后得到半纤维素溶液和纤维产品；
（6）半纤维素溶液的澄清、浓缩
通过离心泵将提取的半纤维素溶液输送至半纤维素澄清、浓缩一体化设备中进行澄清并浓缩，使半纤维素溶液中多缩戊糖的质量浓度达到13%，所述的半纤维素澄清、浓缩一体化设备是采用不同膜组件的集成设备，包括微滤膜、膜混凝反应器、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜；
（7）半纤维素溶液的净化
浓缩后的半纤维素溶液通过离心泵输送至半纤维素净化塔中，净化塔中填充活性白土以去除半纤维素溶液中的杂质；
（8）半纤维素溶液连续催化生产毛醛
在净化后的半纤维素溶液添加适量的盐酸使半纤维素溶液中盐酸的质量浓度达到5.1%，混合均匀后通过离心泵不断输送至糠醛连续反应器中，在反应温度为230℃下，停留20min使半纤维素溶液中的多缩戊糖被催化转化为糠醛并随蒸汽一起进入冷凝器中，在冷凝器中被冷凝成为毛醛；
（9）毛醛蒸馏和精馏
冷凝得到的毛醛通过离心泵连续输送至蒸馏塔和精馏塔进行精制得到满足国家标准的糠醛产品。
上述木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法中，步骤（5）固液分离后得到的纤维产品，根据纤维特性，其用途包括制备颗粒燃料和发酵生产沼气、生物乙醇。
上述木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，步骤（8）中所述的糠醛连续反应器的种类包括管式反应器和塔式反应器。
上述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，所述的生物炼制是实现木质纤维素原料的生物量全利用。
实施例6
一种木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，包括以下步骤：
（1）原料预处理
称取一定量的高粱杆，利用锤片式破碎机将高粱杆破碎成丝状；
（2）混料
在破碎后的高粱杆中加入质量为高粱杆干重50%的水，并根据高粱杆中乙酰基的含量，加入酸，加入的酸的质量占高粱杆干重的10%，所述的酸的种类为质量分数为98%的硫酸，然后通过混料机使高粱杆与水和酸混合均匀；
（3）半纤维素组分分离
将与水和酸混合后的高粱杆通过皮带输送机输送至半纤维素组分分离设备中，使半纤维素溶出或降解溶出，其中半纤维素组分分离设备包括汽爆设备、稀酸水解设备和水热预处理设备；
（4）半纤维素提取
将反应后的木质纤维素通过螺旋输送机输送至半纤维素提取机，加入适量的水进行提取，加入水后固液比达到1:10（w/v），提取时间为5min；
（5）固液分离
通过螺杆泵将半纤维素提取机中的固液混合物输送至卧式螺旋离心机中进行固液分离，固液分离后得到半纤维素溶液和纤维产品；
（6）半纤维素溶液的澄清、浓缩
通过离心泵将提取的半纤维素溶液输送至半纤维素澄清、浓缩一体化设备中进行澄清并浓缩，使半纤维素溶液中多缩戊糖的质量浓度达到20%，所述的半纤维素澄清、浓缩一体化设备是采用不同膜组件的集成设备，包括微滤膜、膜混凝反应器、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜；
（7）半纤维素溶液的净化
浓缩后的半纤维素溶液通过离心泵输送至半纤维素净化塔中，净化塔中填充活性炭以去除半纤维素溶液中的杂质；
（8）半纤维素溶液连续催化生产毛醛
在净化后的半纤维素溶液加入适量的酸使半纤维素溶液中酸的质量浓度达到10%，所用的酸的种类包括乙酸、盐酸和硫酸，混合均匀后通过离心泵不断输送至糠醛连续反应器中，在反应温度为180℃下，停留90min使半纤维素溶液中的多缩戊糖被催化转化为糠醛并随蒸汽一起进入冷凝器中，在冷凝器中被冷凝成为毛醛；
（9）毛醛蒸馏和精馏
冷凝得到的毛醛通过离心泵连续输送至蒸馏塔和精馏塔进行精制得到满足国家标准的糠醛产品。
上述木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法中，步骤（5）固液分离后得到的纤维产品，根据纤维特性，其用途包括制备颗粒燃料，生产纸浆后造纸，用于生产纤维板和发酵生产沼气、生物乙醇。
上述木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，步骤（8）中所述的糠醛连续反应器的种类包括管式反应器和塔式反应器。
上述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，所述的生物炼制是实现木质纤维素原料的生物量全利用。
Claims (10)
1.一种木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）原料预处理
根据木质纤维素原料特性选择不同类型的破碎机，将木质纤维素原料进行破碎；
（2）混料
在破碎后的木质纤维素原料中加入质量为木质纤维素原料干重35%-50%的水和质量为木质纤维素原料干重0.5%-10%的酸，然后通过混料机混合均匀；
（3）半纤维素组分分离
将与水和酸混合后的木质纤维素原料通过皮带输送机输送至半纤维素组分分离设备中，使半纤维素溶出或降解溶出，其中半纤维素组分分离设备包括汽爆设备、稀酸水解设备和水热预处理设备；
（4）半纤维素提取
将反应后的木质纤维素通过螺旋输送机输送至半纤维素提取机，加入适量的水进行提取，加入水后固液比w/v达到1:2-1:10，提取时间为5min-60min；
（5）固液分离
通过螺杆泵将半纤维素提取机中的固液混合物输送至纤维脱水机中进行固液分离，固液分离后得到半纤维素溶液和纤维产品；
（6）半纤维素溶液的澄清、浓缩
通过离心泵将提取的半纤维素溶液输送至半纤维素澄清、浓缩一体化设备中进行澄清并浓缩；
（7）半纤维素溶液的净化
浓缩后的半纤维素溶液通过离心泵输送至半纤维素净化塔中，去除半纤维素溶液中的杂质，其中半纤维素净化塔中所用的净化介质种类包括活性白土、硅藻土、活性炭、大孔树脂和离子交换树脂；
（8）半纤维素溶液连续催化生产毛醛
在净化后的半纤维素溶液添加酸，使半纤维素溶液中酸的质量浓度达到1%-10%，混合均匀后通过离心泵不断输送至糠醛连续反应器中，在反应温度为110℃-230℃下，停留20min-150min使半纤维素溶液中的多缩戊糖被催化转化为糠醛并随蒸汽一起进入冷凝器中，在冷凝器中被冷凝成为毛醛；
（9）毛醛蒸馏和精馏
冷凝得到的毛醛通过离心泵连续输送至蒸馏塔和精馏塔进行精制得到满足国家标准的糠醛产品。
2.根据权利要求1所述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，其特征在于，所述的木质纤维素原料是指所有的木质纤维素资源，包括农作物秸秆、玉米芯、棉籽壳、甘蔗渣、高粱杆、棉杆、桑木、白杨、榉木以及桦树。
3.根据权利要求1所述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，其特征在于，步骤（1）中所述的破碎机的类型包括锤片式破碎机、颚式破碎机、辊式破碎机和齿盘式破碎机。
4.根据权利要求1所述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，其特征在于，步骤（2）中所述的酸为质量分数为75-98%的乙酸、盐酸或硫酸。
5.根据权利要求1所述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，其特征在于，步骤（5）中所述的纤维脱水机的种类包括螺旋挤浆机、带式压滤机、卧式螺旋离心机和陶瓷过滤机。
6.根据权利要求1所述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，其特征在于，步骤（5）固液分离后得到的纤维产品，根据纤维特性，其用途包括制备颗粒燃料，生产纸浆后造纸，用于生产纤维板、木塑材料、纸塑模具和发酵生产沼气、生物乙醇。
7.根据权利要求1所述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，其特征在于，步骤（6）中所述的半纤维素澄清、浓缩一体化设备是采用不同膜组件的集成设备，包括微滤膜、膜混凝反应器、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜。
8.根据权利要求1所述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，其特征在于，步骤（6）中所述的将半纤维素溶液输送至半纤维素澄清、浓缩一体化设备中进行澄清并浓缩，浓缩后半纤维素溶液中多缩戊糖的质量浓度达到5%-20%。
9.根据权利要求1所述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，其特征在于，步骤（8）中所述的酸为乙酸、盐酸或硫酸；所述的糠醛连续反应器的种类包括管式反应器和塔式反应器。
10.根据权利要求1所述的木质纤维素生物炼制生产糠醛的方法，其特征在于，所述的生物炼制是实现木质纤维素原料的生物量全利用。
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