CN108325998A - 一种废弃木质材料共混热裂解能源化分级利用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种废弃木质材料共混热裂解能源化分级利用方法。所述方法融合了X射线检测、超临界萃取、共混热裂解转化和产物分级收集等技术，可将废弃木质材料进行分级回收处理利用，获得废旧连接件、灰分、有机提取物、热解炭、生物质轻油、生物质重油和生物燃气等多种可重复利用的资源化产品。本发明所述方法对废弃木质材料适应性强，通过原料共混的方法保证处理工艺、产品成分和品质的稳定性和均匀性；整体处理过程温和高效、工艺简洁、无废物排放，不仅生产处理成本低廉，而且实现了变废为宝，将废弃木质材料变成了高附加值的绿色能源化工原料，实现了废弃资源的高值化循环利用。

Description

一种废弃木质材料共混热裂解能源化分级利用方法
技术领域
本发明涉及一种废弃木质材料共混热裂解能源化分级利用方法，属于废弃资源循环利用领域。
背景技术
近年来，随着城市化进程的快速推进和社会经济的快速发展，城市和郊区农村中来源于建筑、家居行业以及园林绿化建设的废弃木质材料总量持续上升。废弃木质材料资源是指人们生产和生活过程中产生的废弃的木质材料，来源于建筑、包装、家具、家居装修等行业，主要包括废弃木质包装材料、废弃木质建材、废弃木制家具和家居材料等。
目前，为数不多的废弃木质材料利用方式主要是经过重新整理后尝试用于生产再生人造板、木塑复合材料、再生家具、颗粒燃料等。然而，因其资源分布分散、种类多样，尚难进行充分且有效的利用，特别是能源化利用的发展相对缓慢。大部分废弃木质材料仍以焚烧或填埋的方式进行处理，不仅浪费土地资源，而且加剧环境污染，给社会发展造成严重负担，同时也是对资源的浪费。一方面是废弃木质材料难以充分回收利用所造成的资源浪费和生态环境负担，另一方面是我国木材资源的紧缺。目前，我国的木材对外依存度已经超过50％，加之最近全面停止天然林商业性采伐，我国的木材储备和供应形势十分严峻，因此提高木材综合利用率、保护森林资源刻不容缓。对城市废弃木质材料进行能源化综合利用，将促进木材资源多级利用、提高木材利用率，从而间接节约木材消耗、保护森林资源。
能源化利用是指采用物理、生物、化学或热化学转化等多种技术手段将废弃生物质资源转化为气体燃料、液体燃料或者固体燃料等能源产品加以利用。城市废弃木质材料能源化利用的意义是可为城市废弃木质材料提供新的利用途径并节约城市固体废弃物处理成本，促进木材资源多级利用、提高森林资源利用效率，也为生物质能源产业提供多样化原料，同时还有助于推动相关循环产业发展和社会可持续发展。
然而，由于废弃木质材料成分十分复杂，除了木质纤维素本身以外，往往还含有灰分、抽提物等微量组分，金属和塑料等连接件，防腐剂、阻燃剂、胶黏剂、涂料等化工助剂，这些成分的存在使得废弃木质材料的能源化利用十分困难。因此，为了实现对如此复杂废弃木质材料的综合应用，需要开发一种可以实现对废弃木质材料实现能源化多级利用的方法。
发明内容
为克服上述已有技术的不足之处，本发明提出一种实现废弃木质材料共混热裂解能源化分级利用的技术方法，在有效消纳废弃木质材料等城市固体废弃物的同时，生产废旧连接件、能源化工原料、生物炭、生物质油和生物燃气等生态新产品，实现废弃木质资源的绿色化、能源化和高值化综合利用。
本发明所述的废弃木质材料包括废弃木质建材、废弃木质包装材料和废弃木制家具材料等。其中，废弃木质建材及包装材料指建筑物建设、装修、拆迁以及货物的包装、运输过程中废弃的实木材料(实木板、木梁、木线条)、普通木质人造板(纤维板、刨花板、胶合板、层积木)、饰面人造板(三聚氰胺板、木地板)等；废弃木制家具材料分为实木类家具(全实木、实木、实木贴面)、板材类家具(纤维板、刨花板、胶合板、层积木)、综合类木家具(实木、板材混合制造)等废弃材料。
为实现本发明目的，本发明采用如下技术方案：
(1)X射线辅助拆解废弃木质材料金属、塑料等连接件
采用X射线检测技术可对废弃木质材料进行无损检测和金属连接件辅助定位，采用打孔、钻洞、抽拔等方法完成金属连接件的拆解工艺，使得废弃木质材料中连接件重量比率小于1％，拆解下来的金属、塑料的连接件分类回收。
(2)废弃木质材料颗粒粉碎
采用削片机、粉碎机等设备将经过拆解的混合废弃木质材料进行破碎处理，采用筛分机对破碎后的木质材料颗粒进行粒径筛分，大于10目(2mm)的颗粒重新返回粉碎机进行二次加工，直到所有颗粒粒径均<2mm。
(3)废弃木质材料颗粒绿色溶剂超临界预处理
采用甲醇、乙醇、丙酮和二氧化碳等溶剂对废弃木质材料颗粒在高压反应釜中进行超临界萃取预处理，一方面可以提取木质材料颗粒中的灰分、胶黏剂、油漆、涂料和抽提物等，另一方面预处理可以部分溶解半纤维素和木质素组分、一定程度上破坏纤维素结晶结构或切断生物质内部连接等，有助于降低后续热裂解转化温度和能量壁垒，实现热裂解炼制过程的温和转化，分别获得经过预处理的木质颗粒和超临界提取液。
(4)废弃木质材料提取物分级回收
将废弃木质材料中超临界提取液首先在3500-5000r的条件下进行离心处理，离心分离出来的物质主要为灰分，约为废弃木质材料原料0.2-20wt％，可用于土壤肥料；对离心液进一步减压蒸馏处理，将萃取用的绿色溶剂蒸出回收重复使用，余下组分为包括抽提物、胶黏剂、油漆、涂料等的废弃木质材料有机提取物，约为废弃木质材料原料3-30％，有机提取物经过进一步精细分离后可以用于生产再生漆、再生胶黏剂、再生涂料和木材绿色防护剂等。
(5)废弃木质颗粒共混快速热解转化
将经过预处理的废弃木质颗粒在隔绝氧气的环境中，中等反应温度(450～600℃)、高升温速率(1×103～1×105℃/s)和较短气体停留时间(小于2s)的条件下进行快速热裂解转化，获得高品质的热解气和热解炭。
(6)热裂解产物多级分离收集
将废弃木质材料热裂解转化得到的热解气和热解炭进行旋风分离、过滤等气固分离处理，获得约占废弃木质材料原料10-20wt％的热解炭粉，降温后收集；对脱除炭粉的热解气进行多级冷凝处理，首先进入到套管式冷凝器，在0-4℃冷凝介质(如，水、冰水、丙酮、乙二醇)的作用下水溶性及部分油溶性的生物油成分冷凝下来，收集约为废弃木质材料原料30-40wt％的生物质轻油；经过套管冷凝后的热解蒸汽进入到电捕收集器中，在15-60kv电场作用下油相成分进一步被富集下来，获得约为废弃木质材料原料15-20wt％的生物质重油；热解气中余下的不可冷凝组分为生物燃气，约为废弃木质材料原料10-15wt％。生物质轻油可用于制备植物生长调节剂、防腐剂、防霉抗菌剂、杀虫剂和保鲜剂等，而生物质重油可用于制备锅炉燃料、车用动力燃料、树脂、胶黏剂等能源和化工产品。
本发明的优点体现在以下几个方面：
1.本发明所提出的废弃木质材料共混热裂解能源化分级利用技术方法对原料适应性强，适用于废弃木质家具、建材、包装等多种材料，而且通过原料共混的方法保证了处理工艺、产品成分和品质的稳定性和均匀性。
2.本发明技术方法根据原料特性将废弃木质材料进行能源化分级利用，可以同时分别获得有机灰分、活性提取物、生物燃气、热解炭、生物质轻油和重油等多种产品，实现对废弃木质材料的多级资源化利用和产品多联产。
3.本发明方法所提出的废弃木质材料能源化利用过程温和高效、工艺简洁、无废物排放，分级回收利用不仅生产处理成本低廉，而且实现了变废为宝，而且可以根据将废弃木质材料组成特点灵活生产多种高附加值的绿色能源化工原料，实现了废弃资源的梯级资源化和综合循环利用。
附图说明
图1是本发明所述废弃木质材料共混热裂解能源化分级利用方法的工艺流程。
具体实施方式
以下为本发明方法的实施例：
实施例1
(1)X射线辅助拆解废弃木质包装箱
采用X射线检测技术可对废弃包装箱进行无损检测和金属连接件辅助定位，采用打孔、抽拔等方法完成金属连接件的拆卸和包装箱的拆解，使得废弃木质包装箱材料中连接件重量比率小于0.8％，拆解下来的金属、塑料的连接件分类回收。
(2)废弃木质包装箱颗粒粉碎
采用削片机、粉碎机等设备将经过拆解的混合废弃木质材料进行破碎处理，采用筛分机对破碎后的木质材料颗粒进行粒径筛分，大于10目(2mm)的颗粒重新返回粉碎机进行二次加工，直到所有颗粒粒径均小于1.6mm。
(3)废弃木质包装箱颗粒绿色溶剂超临界预处理
采用超临界甲醇对废弃木质包装箱材料颗粒在高压反应釜中进行超临界萃取预处理，在提取木质材料颗粒中的灰分、胶黏剂、油漆、涂料和抽提物等同时，对废弃木质颗粒进行预处理，分别获得经过预处理的木质颗粒和超临界提取液。
(4)废弃木质包装箱颗粒提取物分级回收
将废弃木质包装箱颗粒超临界提取液首先在3800r的条件下进行离心处理，离心分离出来的物质主要为灰分，约为废弃木质材料原料2wt％，可用于土壤肥料；对离心液进一步减压蒸馏处理，将萃取用的绿色溶剂蒸出回收重复使用，余下组分为包括抽提物、胶黏剂、油漆、涂料等的废弃木质材料有机提取物，约为废弃木质材料原料6％，有机提取物经过进一步精细分离后可以用于生产再生胶黏剂、再生涂料和绿色木材防护剂等。
(5)废弃木质包装箱颗粒共混快速热解转化
将经过预处理的废弃木质颗粒在隔绝氧气的环境中，反应温度550℃、升温速率5×103℃/s和气体停留时间1.5s的条件下进行快速热裂解转化，获得废弃木质包装箱热解气和热解炭。
(6)废弃木质包装箱颗粒热裂解产物多级分离收集
将废弃木质包装箱颗粒热裂解转化得到的热解气和热解炭进行气固分离，获得约占原料18wt％的热解炭粉，降温后收集；对热解气进行多级冷凝处理，首先进入到套管式冷凝器，在0-4℃冷凝水的作用下水溶性及部分油溶性的生物油成分冷凝下来，收集约为废弃木质材料原料32wt％的生物质轻油；经过套管冷凝后的热解蒸汽进入到电捕收集器中，在50kv电场作用下油相成分进一步被富集下来，获得为原料18wt％的生物质重油；热解气中余下的不可冷凝组分为生物燃气，产率约为原料12wt％。生物质轻油可用于制备木材防腐剂、防霉抗菌剂和杀虫剂等，而生物质重油直接用作锅炉燃料。
实施例2
(1)X射线辅助拆解废弃木质家具
采用X射线检测技术可对废弃家具进行无损检测和金属连接件辅助定位，采用打孔、钻洞、抽拔等方法完成废弃木质家具的拆解和连接件的拆除，使得废弃木质家具材料中连接件重量比率小于0.9％，拆解下来的金属、塑料的连接件分类回收。
(2)废弃木质家具颗粒粉碎
采用削片机、粉碎机等设备将经过拆解的混合废弃木质材料进行破碎处理，采用筛分机对破碎后的木质材料颗粒进行粒径筛分，大于10目(2mm)的颗粒重新返回粉碎机进行二次加工，直到所有颗粒粒径均小于1.8mm。
(3)废弃木质家具颗粒绿色溶剂超临界预处理
采用超临界二氧化碳对废弃木质家具材料颗粒在高压反应釜中进行超临界萃取预处理，预处理可以溶解并破坏废弃木质颗粒部分组分和内部抗降解屏障结构，从而降低后续热裂解转化温度和能量壁垒，同时提取废弃木质家具材料颗粒中的灰分、胶黏剂、油漆、涂料和抽提物等，别获得经过预处理的木质颗粒和超临界提取液。
(4)废弃木质家具颗粒提取物分级回收
将废弃木质家具颗粒超临界提取液首先在4200r的条件下进行离心处理，离心分离出来的物质主要为灰分，约为废弃原料3wt％，可用于土壤肥料；对离心液进一步减压蒸馏处理，将萃取用的绿色溶剂蒸出回收重复使用，余下组分为包括抽提物、胶黏剂、油漆、涂料等的废弃木质材料有机提取物，约为废弃木质材料原料22％，有机提取物经过进一步精细分离后可以用于生产再生漆、再生胶黏剂、再生涂料和绿色木材防护剂等。
(5)废弃木质家具颗粒共混快速热解转化
将经过预处理的废弃木质颗粒在隔绝氧气的环境中，反应温度530℃、升温速率1×104℃/s和气体停留时间1.8s的条件下进行快速热裂解转化，获得废弃木质家具热解气和热解炭。
(6)废弃木质家具颗粒热裂解产物多级分离收集
将废弃木质家具颗粒热裂解转化得到的热解气和热解炭进行气固分离，获得约占废弃木质材料原料15wt％的热解炭粉，降温后收集；对热解气进行多级冷凝处理，首先进入到套管式冷凝器，在0-4℃冰水的作用下水溶性及部分油溶性的生物油成分冷凝下来，收集约为废弃原料35wt％的生物质轻油；经过套管冷凝后的热解蒸汽进入到电捕收集器中，在50kv电场作用下油相成分进一步被富集下来，获得为废弃原料16wt％的生物质重油；热解气中余下的不可冷凝组分为生物燃气，产率为废弃原料15wt％。生物质轻油可用于制备木材防腐剂、防霉抗菌剂和杀虫剂等，而生物质重油直接用作锅炉燃料。
实施例3
(1)X射线辅助拆解废弃木质建材
采用X射线检测技术对废弃木质建材(水泥模板用木质胶合板)进行无损检测和金属连接件辅助定位，采用打孔、钻洞、抽拔等方法完成废弃木质建材的拆解和连接件的拆除，使得废弃木质家具材料中连接件重量比率小于0.5％，拆解下来的金属的连接件分类回收。
(2)废弃木质建材颗粒粉碎
采用削片机、粉碎机等设备将经过拆解的混合废弃木质材料进行破碎处理，采用筛分机对破碎后的木质材料颗粒进行粒径筛分，大于10目(2mm)的颗粒重新返回粉碎机进行二次加工，直到所有颗粒粒径均小于1.9mm。
(3)废弃木质建材颗粒绿色溶剂超临界预处理
采用超临界甲醇、乙醇混合液(质量比3:7)对废弃木质建材颗粒在高压反应釜中进行超临界萃取预处理，同时提取废弃木质家具材料颗粒中的灰分、胶黏剂、油漆、涂料和抽提物等，别获得经过预处理的木质颗粒和超临界提取液。
(4)废弃木质建材颗粒提取物分级回收
将废弃木质建材颗粒超临界提取液首先在4600r的条件下进行离心处理，离心分离出来的物质主要为灰分，约为废弃原料5wt％，可用于土壤肥料；对离心液进一步减压蒸馏处理，将萃取用的绿色溶剂蒸出回收重复使用，余下组分为包括抽提物、胶黏剂、油漆、涂料等的废弃木质材料有机提取物，约为废弃木质材料原料20％，有机提取物经过进一步精细分离后可以用于生产再生漆、再生胶黏剂、再生涂料和绿色木材防护剂等。
(5)废弃木质建材颗粒共混快速热解转化
将经过预处理的废弃木质颗粒在隔绝氧气的环境中，反应温度500℃、升温速率6×104℃/s和气体停留时间1.6s的条件下进行快速热裂解转化，获得废弃木质建材热解气和热解炭。
(6)废弃木质建材颗粒热裂解产物多级分离收集
将废弃木质建材颗粒热裂解转化得到的热解气和热解炭进行气固分离，获得约占废弃木质材料原料16wt％的热解炭粉，降温后收集；对热解气进行多级冷凝处理，首先进入到套管式冷凝器，在0-4℃冰水的作用下水溶性及部分油溶性的生物油成分冷凝下来，收集约为废弃原料36wt％的生物质轻油；经过套管冷凝后的热解蒸汽进入到电捕收集器中，在50kv电场作用下油相成分进一步被富集下来，获得为废弃原料14wt％的生物质重油；热解气中余下的不可冷凝组分为生物燃气，产率为废弃原料13-15wt％。生物质轻油可用于制备木材防腐剂、防霉抗菌剂和杀虫剂等，而生物质重油则作为锅炉燃料或绿色树脂、胶黏剂等生产原料。
对比例1
(1)X射线辅助拆解废弃木质家具
采用X射线检测技术对废弃木质家具进行无损检测，采用打孔、破碎等方法完成废弃木质家具的拆解和连接件的简单拆除，使得废弃木质家具材料中连接件重量比率小于5％，拆解下来的金属的连接件分类回收。
(2)废弃木质家具颗粒粉碎
采用削片机、粉碎机等设备将经过拆解的混合废弃木质材料进行破碎处理，采用筛分机对破碎后的木质材料颗粒进行粒径筛分，大于5目(3.9mm)的颗粒重新返回粉碎机进行二次加工，直到所有颗粒粒径均小于3.9mm。
(3)废弃木质家具颗粒绿色溶剂萃取预处理
采用甲醇对废弃木质家具颗粒在高压反应釜中进行萃取预处理，同时提取废弃木质家具材料颗粒中的灰分、胶黏剂、油漆、涂料和抽提物等，别获得经过预处理的木质颗粒和超临界提取液。
(4)废弃木质家具颗粒提取物分级回收
将废弃木质家具颗粒超临界提取液首先在2500r的条件下进行离心处理，离心分离出来的物质主要为灰分，约为废弃原料15wt％；对离心液进一步减压蒸馏处理，将萃取用的绿色溶剂蒸出回收重复使用，余下组分为包括抽提物、胶黏剂、油漆、涂料等的废弃木质材料有机提取物，约为废弃木质材料原料2％。由于废旧连接件拆除不彻底、颗粒粒径偏大且萃取处理非超临界条件效率偏低，所以萃取效率较低，有机提取物产率底、固体灰分比例偏高。
(5)废弃木质家具颗粒共混快速热解转化
将经过预处理的废弃木质家具颗粒在隔绝氧气的环境中，反应温度350℃、升温速率100℃/s和气体停留时间小于10s的条件下进行快速热裂解转化，热解过程反应进程慢、转化程度低，获得废弃木质家具热解气和热解炭。
(6)废弃木质家具颗粒热裂解产物多级分离收集
将废弃木质家具颗粒热裂解转化得到的热解气和热解炭进行气固分离，由于热解过程不完全进行，所以固体产物比例较高，获得约占原料32wt％的热解炭粉，降温后收集；对热解气进行多级冷凝处理，首先进入到套管式冷凝器，在0-4℃水的作用下水溶性及部分油溶性的生物油成分冷凝下来，收集约为废弃原料15wt％的生物质轻油；经过套管冷凝后的热解蒸汽进入到电捕收集器中，在5kv电场作用下油相成分进一步被富集下来，获得为废弃原料12wt％的生物质重油；热解气中余下的不可冷凝组分为生物燃气，产率为废弃原料12wt％。由于颗粒粒径、预处理条件不适、热解条件不够剧烈且产物收集条件不够理想等原因，因此在共混热裂解转化环节，导致固体热解炭粉产率大且孔隙结构不够发达，同时高附加值的生物质油产率偏低，而且其活性组分含量和热值等降低，所得能源化产物利用价值下降。
实施例1-3为本发明的优选实施情况，在根据不同类别原料的特性采用优化的原料拆解、溶剂预处理、共混热裂解以及产物分级收集等工艺参数时可以获得多种品质良好的能源化工产品。而如果选用不适应的工艺参数(如对比例1)，不但会增加废弃木质材料处理过程的工艺难度，而且会降低废弃木质材料热裂解能源化产品的品质和附加值。
综上所述，以上实施例1-3仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种废弃木质材料共混热裂解能源化分级利用方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)X射线辅助拆解废弃木质材料金属、塑料等连接件，将连接件分类回收；
(2)将拆解连接件后的废弃木质材料进行颗粒粉碎；
(3)使用绿色溶剂对步骤(2)获得的废弃木质材料颗粒进行超临界预处理，获得经过预处理的废弃木质颗粒和超临界提取液；
(4)将步骤(3)获得的超临界提取液分级回收，获得灰分和有机提取物；
(5)将经过预处理的废弃木质颗粒共混快速热解转化，获得热解气和热解炭的气固混合物；
(6)将热解气和热解炭进行气固分离，收集热解炭，获得脱除炭粉的热解气；
(7)将脱除炭粉的热解气进行多级分离收集，获得生物质轻油、生物质重油和生物燃气。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(1)中采用X射线检测技术对废弃木质材料进行无损检测和金属连接件辅助定位，采用打孔、钻洞、抽拔等方法完成金属连接件的拆解，使得废弃木质材料中连接件重量比率小于1％。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(2)采用削片机、粉碎机等设备将经过拆解的混合废弃木质材料进行破碎处理，采用筛分机对破碎后的木质材料颗粒进行粒径筛分，大于10目(2mm)的颗粒重新返回粉碎机进行二次加工，直到所有颗粒粒径均<2mm。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(3)采用的绿色溶剂可选自甲醇、乙醇、丙酮和/或二氧化碳溶剂中的一种或几种的组合。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(4)所述分级回收为：将步骤(3)获得的超临界提取液在3500-5000rpm的条件下进行离心处理，离心分离出来的物质主要为灰分；对离心液进一步减压蒸馏处理，将萃取用的绿色溶剂蒸出回收重复使用，余下组分为包括抽提物、胶黏剂、油漆、涂料等的废弃木质材料有机提取物。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(5)将经过预处理的废弃木质颗粒在隔绝氧气的环境中，反应温度450～600℃，升温速率1×103～1×105℃/s和气体停留时间小于2s的条件下进行快速热裂解转化，获得热解气和热解炭的气固混合物。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，将步骤(7)所述的热解气进行多级冷凝处理，在0-4℃冷凝介质的作用下，水溶性及部分油溶性的生物油成分冷凝下来，收集生物质轻油；经过套管冷凝后的热解蒸汽进入到电捕收集器中，在15-60kv电场作用下油相成分进一步被富集，获得生物质重油；热解气中余下的不可冷凝组分为生物燃气；所述冷凝介质优选水、冰水、丙酮、乙二醇中的一种或多种的组合。
8.根据权利要求1-7任一项所述方法，其特征在于，所述废弃木质材料可选自废弃木质建材、废弃木质包装材料和/或废弃木制家具材料；其中，废弃木质建材及包装材料优选建筑物建设、装修、拆迁以及货物的包装、运输过程中废弃的实木材料(实木板、木梁、木线条)、普通木质人造板(纤维板、刨花板、胶合板、层积木)、饰面人造板(三聚氰胺板、木地板)等；废弃木制家具材料优选实木类家具(全实木、实木、实木贴面)、板材类家具(纤维板、刨花板、胶合板、层积木)、综合类木家具(实木、板材混合制造)等废弃材料。
9.权利要求1-8任一项所述方法在废弃木质材料回收利用中的应用。
10.由权利要求1-8任一项所述方法获得的回收组分在制备再生漆、再生胶黏剂、再生涂料、木材绿色防护剂、植物生长调节剂、防腐剂、防霉抗菌剂、杀虫剂、保鲜剂、锅炉燃料、车用动力燃料、树脂和/或胶黏剂中的应用。
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