沼氣發酵與快速熱解耦合多聯產處理木質纖維素的方法與流程
2023-07-02 11:26:46
本發明屬於生物質能源資源化利用領域，具體涉及一種沼氣發酵與快速熱解耦合多聯產處理木質纖維素的方法。
背景技術：
作為農業大國，我國具有豐富的農林業廢棄資源。據統計，我國每年產生農作物秸稈7億噸左右，綜合利用率為70％左右，其他30％左右的秸稈大部分被廢棄，少部分被焚燒，造成煙霧汙染，帶來了一系列社會、經濟和生態問題；另一方面，由於大量秸稈得不到合理利用，被拋棄在田邊溝渠造成面源汙染，致使環境衛生條件差。據統計，50％以上農村居民生活用能採用秸稈、薪柴低效燃燒的方式，不僅利用效率低，而且造成嚴重的室內外環境汙染，危害人體健康。因此，大力開展農村能源建設，加強生物質能源的開發利用，不僅可以改善農村衛生狀況和農民生活條件，而且可以增加農村可再生能源比重，減少資源浪費，有利於促進農村循環經濟的發展。
目前，秸稈類原料能源化轉化技術有物理轉化技術、生物轉化技術和熱化學轉化技術。單一轉化方式都存在一定的缺陷，如生物轉化方式雖然反應條件溫和，但轉化時間長，而熱化學轉化雖然反應迅速，但產物成分複雜，不易於分離且有可能造成二次環境汙染等。同時，單一轉化方式，能量回收效率低，存在資源浪費現象。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決生物質能源資源化利用問題，提供了一種沼氣發酵與快速熱解耦合多聯產處理木質纖維素的方法。
為實現上述目的，本發明所採用的方案為：一種沼氣發酵與快速熱解耦合多聯產處理木質纖維素的方法，包括木質纖維素原料綜合高溫幹發酵系統與沼渣分級熱解系統，所述木質纖維素原料綜合高溫幹發酵系統包括低溫快速熱解預處理與外源加熱幹發酵，所述沼渣分級熱解系統包括低溫解聚和高溫快速熱解。具體步驟為：
1)將含有木質纖維素的廢棄物進行低溫快速熱解預處理，得到熱解氣A與發酵原料；
2)將上述發酵原料進行外熱源幹發酵，得到沼氣與沼渣；
3)將沼渣進行低溫解聚，降低沼渣中的含水量和含氧量；
4)對沼渣進一步高溫快速催化熱解，得到熱解氣B、生物炭與生物油。
優選的，所述低溫快速熱解預處理的反應器為流化床快速熱解反應器，熱解溫度為180℃～220℃，滯留時間為1s～2s，使用惰性氣體作為熱載氣。
優選的，所述發酵原料進行外熱源幹發酵時固體含量為20％～30％，溫度為50℃～55℃。
優選的，所述低溫解聚所用設備為管式加熱爐，解聚溫度為200℃～250℃，滯留時間為15min-30min，使用惰性氣體作為熱載氣。
優選的，所述高溫快速催化熱解的反應溫度為500℃～800℃，滯留時間為0.5s～5s，反應器為生物質裂解液化系統，反應器中加入球形顆粒狀分子篩HZSM-5負載金屬元素複合催化劑作為定向催化劑。
其中，所述定向催化劑使用量為沼渣乾重的5～30％，金屬元素包括鋁、鐵、鎳與鉬，負載量為分子篩HZSM-5催化劑質量的2～15％，所述定向催化劑通過生物質裂解液化系統定向催化劑的循環利用。
優選的，所述熱解氣A作為外熱源為幹發酵過程提供加熱能量。
優選的，所述熱解氣B作為外熱源為外源加熱幹發酵與低溫解聚過程提供加熱能量，或與外源加熱幹發酵所產沼氣混合成合成燃氣。熱解氣B主要含有CH4、CO、CO2等，同時含有較高熱量，因此即可作為外熱源又可作為燃氣成分。
優選的，所述生物炭作為外熱源幹發酵過程中的發酵促進劑，添加於沼氣發酵料液中，添加量為沼氣發酵接種物乾重的5％～20％，或製成炭基肥。添加生物炭後可以益於沼氣發酵微生物生長，降低氨抑制可能性，同時可以吸附沼氣中H2S和CO2，提高沼氣產量。
優選的，所述生物油通過定向萃取或分段精餾方法得到高純度酚類化合物。
優選的，所述的木質纖維素廢棄物在進行低溫快速熱解預處理之前粉碎，粒徑小於5mm。
優選的，低溫快速熱解預處理所產生熱解氣A作為外熱源幹發酵過程中的主加熱源，沼渣高溫快速催化熱解所產熱解氣B作為輔助加熱源。
優選的，所述生物質裂解液化系統為專利CN02135649.1中公開的一種熱解反應器，定向催化劑與生物質裂解液化系統熱載體在熱載體收集箱內進行混合，通過系統中提升筒內鏈條帶動的料鬥將催化劑與熱載體混合物攜帶至反應器內，反應完成後由熱載體收集箱將催化劑與熱載體收回，再次通過提升裝置實現定向催化劑的循環利用。
本發明有益效果在於：
本發明中低溫快速熱解預處理可以有效破壞木質纖維素結構，降低纖維素的結晶度和聚合度，使其在沼氣發酵中易於降解，提高沼氣發酵速率和產氣量，同時具有處理時間短、無汙染和可連續等特點。
本發明中木質纖維素原料經過沼氣發酵後，殘渣中纖維素半纖維含量較少，木質素含量較高，由於木質素是由苯丙烷結構單元通過醚鍵和碳碳鍵連接而成的一個種複雜的酚類聚合物，所以沼渣熱解所產生物油中酚類物質含量較高，所得生物油經氣質聯用分析，酚類化合物總量佔總組分的30％～80％，其中，苯酚含量佔總組分20％～60％，2-甲基苯酚和4-甲基苯酚分別佔總組分5～15％。經過定向萃取和分段精餾等分離方法可得到高純度酚類化合物。
本方法將一種新的沼氣發酵技術與分級熱解技術有機的結合在一起，在高效產生沼氣的同時，可以實現沼渣的綜合利用。這一方法實現了木質纖維素組分的全部利用，極大地提高了木質纖維素生物質的能量利用率，豐富了其附加產值，並降低了能源利用過程中的汙染，避免了廢物殘渣等造成的「二次汙染」。
附圖說明
圖1是本發明工藝流程示意圖；
具體實施方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式做進一步詳細描述。
如圖1所示，一種沼氣發酵與快速熱解耦合多聯產處理木質纖維素的方法，將玉米秸稈粉碎至5mm以下，利用鼓泡流化床將粉碎好的玉米秸稈進行低溫快速熱解預處理，熱解器溫度設置為200℃，在常壓狀態下通入熱載氣貧氧可燃氣，原料通過可調速的餵料器進入反應器，原料在反應器內的滯留時間為1s，將處理好的物料收集到物料箱。然後取118g經低溫快速熱解預處理後的玉米秸稈於2L厭氧反應器內進行發酵。發酵溫度控制53℃，其熱量來源於低溫快速熱解預處理和沼渣高溫快速熱解所產可燃氣；發酵固體濃度為25％；沼氣發酵接種物為固體含量為30g發酵沼渣和5g沼渣高溫快速熱解所產生物炭的混合物。厭氧發酵35天結束，取出發酵沼渣。所產總甲烷量可提高20％，H2S含量可減少40％。將取出後的發酵沼渣置於管式爐內進行低溫解聚，其溫度為230℃，滯留時間為25min。最後將低溫解聚後的發酵沼渣加入到快速熱解反應器中，定向催化劑使用量為沼渣乾重的10％，負載金屬元素為Fe，負載量為分子篩HZSM-5催化劑質量的5％，反應溫度為650℃，滯留時間為1s，將冷凝後生物油經氣質聯用儀分析，其中酚類物質含量為總組分的46.3～60.6％。所產生物炭20％用於玉米秸稈沼氣發酵，80％用於炭基肥。所產熱解氣除用於外源加熱幹發酵系統和低溫解聚過程中的外熱源，剩餘熱解氣與外源加熱幹發酵所產沼氣混合成合成燃氣。