CN106753479A - 沼气发酵与快速热解耦合多联产处理木质纤维素的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物质能源资源化利用领域，具体涉及一种沼气发酵与快速热解耦合多联产处理木质纤维素的方法。本发明包括以下步骤：1)将含有木质纤维素的废弃物进行低温快速热解预处理，得到热解气A与发酵原料；2)将上述发酵原料进行外热源干发酵，得到沼气与沼渣；3)将沼渣进行低温解聚，降低沼渣中的含水量和含氧量；4)对沼渣进一步高温快速催化热解，得到热解气B、生物炭与生物油。本发明可以使生物质能资源得到充分利用，将生物转化与热化学转化方式相结合，既能规避单一转化方式带来的一些问题，同时使木质纤维素生物质原料全组分利用。

Description

沼气发酵与快速热解耦合多联产处理木质纤维素的方法
技术领域
本发明属于生物质能源资源化利用领域，具体涉及一种沼气发酵与快速热解耦合多联产处理木质纤维素的方法。
背景技术
作为农业大国，我国具有丰富的农林业废弃资源。据统计，我国每年产生农作物秸秆7亿吨左右，综合利用率为70％左右，其他30％左右的秸秆大部分被废弃，少部分被焚烧，造成烟雾污染，带来了一系列社会、经济和生态问题；另一方面，由于大量秸秆得不到合理利用，被抛弃在田边沟渠造成面源污染，致使环境卫生条件差。据统计，50％以上农村居民生活用能采用秸秆、薪柴低效燃烧的方式，不仅利用效率低，而且造成严重的室内外环境污染，危害人体健康。因此，大力开展农村能源建设，加强生物质能源的开发利用，不仅可以改善农村卫生状况和农民生活条件，而且可以增加农村可再生能源比重，减少资源浪费，有利于促进农村循环经济的发展。
目前，秸秆类原料能源化转化技术有物理转化技术、生物转化技术和热化学转化技术。单一转化方式都存在一定的缺陷，如生物转化方式虽然反应条件温和，但转化时间长，而热化学转化虽然反应迅速，但产物成分复杂，不易于分离且有可能造成二次环境污染等。同时，单一转化方式，能量回收效率低，存在资源浪费现象。
发明内容
本发明的目的是为了解决生物质能源资源化利用问题，提供了一种沼气发酵与快速热解耦合多联产处理木质纤维素的方法。
为实现上述目的，本发明所采用的方案为：一种沼气发酵与快速热解耦合多联产处理木质纤维素的方法，包括木质纤维素原料综合高温干发酵系统与沼渣分级热解系统，所述木质纤维素原料综合高温干发酵系统包括低温快速热解预处理与外源加热干发酵，所述沼渣分级热解系统包括低温解聚和高温快速热解。具体步骤为：
1)将含有木质纤维素的废弃物进行低温快速热解预处理，得到热解气A与发酵原料；
2)将上述发酵原料进行外热源干发酵，得到沼气与沼渣；
3)将沼渣进行低温解聚，降低沼渣中的含水量和含氧量；
4)对沼渣进一步高温快速催化热解，得到热解气B、生物炭与生物油。
优选的，所述低温快速热解预处理的反应器为流化床快速热解反应器，热解温度为180℃～220℃，滞留时间为1s～2s，使用惰性气体作为热载气。
优选的，所述发酵原料进行外热源干发酵时固体含量为20％～30％，温度为50℃～55℃。
优选的，所述低温解聚所用设备为管式加热炉，解聚温度为200℃～250℃，滞留时间为15min-30min，使用惰性气体作为热载气。
优选的，所述高温快速催化热解的反应温度为500℃～800℃，滞留时间为0.5s～5s，反应器为生物质裂解液化系统，反应器中加入球形颗粒状分子筛HZSM-5负载金属元素复合催化剂作为定向催化剂。
其中，所述定向催化剂使用量为沼渣干重的5～30％，金属元素包括铝、铁、镍与钼，负载量为分子筛HZSM-5催化剂质量的2～15％，所述定向催化剂通过生物质裂解液化系统定向催化剂的循环利用。
优选的，所述热解气A作为外热源为干发酵过程提供加热能量。
优选的，所述热解气B作为外热源为外源加热干发酵与低温解聚过程提供加热能量，或与外源加热干发酵所产沼气混合成合成燃气。热解气B主要含有CH4、CO、CO2等，同时含有较高热量，因此即可作为外热源又可作为燃气成分。
优选的，所述生物炭作为外热源干发酵过程中的发酵促进剂，添加于沼气发酵料液中，添加量为沼气发酵接种物干重的5％～20％，或制成炭基肥。添加生物炭后可以益于沼气发酵微生物生长，降低氨抑制可能性，同时可以吸附沼气中H2S和CO2，提高沼气产量。
优选的，所述生物油通过定向萃取或分段精馏方法得到高纯度酚类化合物。
优选的，所述的木质纤维素废弃物在进行低温快速热解预处理之前粉碎，粒径小于5mm。
优选的，低温快速热解预处理所产生热解气A作为外热源干发酵过程中的主加热源，沼渣高温快速催化热解所产热解气B作为辅助加热源。
优选的，所述生物质裂解液化系统为专利CN02135649.1中公开的一种热解反应器，定向催化剂与生物质裂解液化系统热载体在热载体收集箱内进行混合，通过系统中提升筒内链条带动的料斗将催化剂与热载体混合物携带至反应器内，反应完成后由热载体收集箱将催化剂与热载体收回，再次通过提升装置实现定向催化剂的循环利用。
本发明有益效果在于：
本发明中低温快速热解预处理可以有效破坏木质纤维素结构，降低纤维素的结晶度和聚合度，使其在沼气发酵中易于降解，提高沼气发酵速率和产气量，同时具有处理时间短、无污染和可连续等特点。
本发明中木质纤维素原料经过沼气发酵后，残渣中纤维素半纤维含量较少，木质素含量较高，由于木质素是由苯丙烷结构单元通过醚键和碳碳键连接而成的一个种复杂的酚类聚合物，所以沼渣热解所产生物油中酚类物质含量较高，所得生物油经气质联用分析，酚类化合物总量占总组分的30％～80％，其中，苯酚含量占总组分20％～60％，2-甲基苯酚和4-甲基苯酚分别占总组分5～15％。经过定向萃取和分段精馏等分离方法可得到高纯度酚类化合物。
本方法将一种新的沼气发酵技术与分级热解技术有机的结合在一起，在高效产生沼气的同时，可以实现沼渣的综合利用。这一方法实现了木质纤维素组分的全部利用，极大地提高了木质纤维素生物质的能量利用率，丰富了其附加产值，并降低了能源利用过程中的污染，避免了废物残渣等造成的“二次污染”。
附图说明
图1是本发明工艺流程示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。
如图1所示，一种沼气发酵与快速热解耦合多联产处理木质纤维素的方法，将玉米秸秆粉碎至5mm以下，利用鼓泡流化床将粉碎好的玉米秸秆进行低温快速热解预处理，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，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，将处理好的物料收集到物料箱。然后取118g经低温快速热解预处理后的玉米秸秆于2L厌氧反应器内进行发酵。发酵温度控制53℃，其热量来源于低温快速热解预处理和沼渣高温快速热解所产可燃气；发酵固体浓度为25％；沼气发酵接种物为固体含量为30g发酵沼渣和5g沼渣高温快速热解所产生物炭的混合物。厌氧发酵35天结束，取出发酵沼渣。所产总甲烷量可提高20％，H2S含量可减少40％。将取出后的发酵沼渣置于管式炉内进行低温解聚，其温度为230℃，滞留时间为25min。最后将低温解聚后的发酵沼渣加入到快速热解反应器中，定向催化剂使用量为沼渣干重的10％，负载金属元素为Fe，负载量为分子筛HZSM-5催化剂质量的5％，反应温度为650℃，滞留时间为1s，将冷凝后生物油经气质联用仪分析，其中酚类物质含量为总组分的46.3～60.6％。所产生物炭20％用于玉米秸秆沼气发酵，80％用于炭基肥。所产热解气除用于外源加热干发酵系统和低温解聚过程中的外热源，剩余热解气与外源加热干发酵所产沼气混合成合成燃气。

Claims (10)

1.一种沼气发酵与快速热解耦合多联产处理木质纤维素的方法，其特征是，包括以下步骤：
1)将含有木质纤维素的废弃物进行低温快速热解预处理，得到热解气A与发酵原料；
2)将上述发酵原料进行外热源干发酵，得到沼气与沼渣；
3)将沼渣进行低温解聚，降低沼渣中的含水量和含氧量；
4)对沼渣进一步高温快速催化热解，得到热解气B、生物炭与生物油。
2.如权利要求1所述的沼气发酵与快速热解耦合多联产处理木质纤维素的方法，其特征是，所述低温快速热解预处理的反应器为流化床快速热解反应器，热解温度为180℃～220℃，滞留时间为1s～2s，使用惰性气体作为热载气。
3.如权利要求1所述的沼气发酵与快速热解耦合多联产处理木质纤维素的方法，其特征是，所述发酵原料进行外热源干发酵时固体含量为20％～30％，温度为50℃～55℃。
4.如权利要求1所述的沼气发酵与快速热解耦合多联产处理木质纤维素的方法，其特征是，所述低温解聚所用设备为管式加热炉，解聚温度为200℃～250℃，滞留时间为15min-30min，使用惰性气体作为热载气。
5.如权利要求1所述的沼气发酵与快速热解耦合多联产处理木质纤维素的方法，其特征是，所述高温快速催化热解的反应温度为500℃～800℃，滞留时间为0.5s～5s，反应器为生物质裂解液化系统，反应器中加入球形颗粒状分子筛HZSM-5负载金属元素复合催化剂作为定向催化剂。
6.权利要求5所述的沼气发酵与快速热解耦合多联产处理木质纤维素的方法，其特征是，所述定向催化剂使用量为沼渣干重的5～30％，金属元素包括铝、铁、镍与钼，负载量为分子筛HZSM-5催化剂质量的2～15％，所述定向催化剂通过生物质裂解液化系统定向催化剂的循环利用。
7.如权利要求1所述的沼气发酵与快速热解耦合多联产处理木质纤维素的方法，其特征是，所述热解气A作为外热源为干发酵过程提供加热能量。
8.如权利要求1所述的沼气发酵与快速热解耦合多联产处理木质纤维素的方法，其特征是，所述热解气B作为外热源为外源加热干发酵与低温解聚过程提供加热能量，或与外源加热干发酵所产沼气混合成合成燃气。
9.如权利要求1所述的沼气发酵与快速热解耦合多联产处理木质纤维素的方法，其特征是，所述生物炭作为外热源干发酵过程中的发酵促进剂，添加于沼气发酵料液中，添加量为沼气发酵接种物干重的5％～20％，或制成炭基肥。
10.如权利要求1所述的沼气发酵与快速热解耦合多联产处理木质纤维素的方法，其特征是，所述生物油通过定向萃取或分段精馏方法得到高纯度酚类化合物。
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