本發(fā)明屬于生物質(zhì)能源資源化利用領(lǐng)域，具體涉及一種沼氣發(fā)酵與快速熱解耦合多聯(lián)產(chǎn)處理木質(zhì)纖維素的方法。
背景技術(shù)：
作為農(nóng)業(yè)大國，我國具有豐富的農(nóng)林業(yè)廢棄資源。據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生農(nóng)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，造成煙霧污染，帶來了一系列社會、經(jīng)濟和生態(tài)問題；另一方面，由于大量秸稈得不到合理利用，被拋棄在田邊溝渠造成面源污染，致使環(huán)境衛(wèi)生條件差。據(jù)統(tǒng)計，50％以上農(nóng)村居民生活用能采用秸稈、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(nèi)外環(huán)境污染，危害人體健康。因此，大力開展農(nóng)村能源建設(shè)，加強生物質(zhì)能源的開發(fā)利用，不僅可以改善農(nóng)村衛(wèi)生狀況和農(nóng)民生活條件，而且可以增加農(nóng)村可再生能源比重，減少資源浪費，有利于促進農(nóng)村循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。
目前，秸稈類原料能源化轉(zhuǎn)化技術(shù)有物理轉(zhuǎn)化技術(shù)、生物轉(zhuǎn)化技術(shù)和熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)。單一轉(zhuǎn)化方式都存在一定的缺陷，如生物轉(zhuǎn)化方式雖然反應(yīng)條件溫和，但轉(zhuǎn)化時間長，而熱化學轉(zhuǎn)化雖然反應(yīng)迅速，但產(chǎn)物成分復(fù)雜，不易于分離且有可能造成二次環(huán)境污染等。同時，單一轉(zhuǎn)化方式，能量回收效率低，存在資源浪費現(xiàn)象。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了解決生物質(zhì)能源資源化利用問題，提供了一種沼氣發(fā)酵與快速熱解耦合多聯(lián)產(chǎn)處理木質(zhì)纖維素的方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的方案為：一種沼氣發(fā)酵與快速熱解耦合多聯(lián)產(chǎn)處理木質(zhì)纖維素的方法，包括木質(zhì)纖維素原料綜合高溫干發(fā)酵系統(tǒng)與沼渣分級熱解系統(tǒng)，所述木質(zhì)纖維素原料綜合高溫干發(fā)酵系統(tǒng)包括低溫快速熱解預(yù)處理與外源加熱干發(fā)酵，所述沼渣分級熱解系統(tǒng)包括低溫解聚和高溫快速熱解。具體步驟為：
1)將含有木質(zhì)纖維素的廢棄物進行低溫快速熱解預(yù)處理，得到熱解氣A與發(fā)酵原料；
2)將上述發(fā)酵原料進行外熱源干發(fā)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(yōu)選的，所述低溫快速熱解預(yù)處理的反應(yīng)器為流化床快速熱解反應(yīng)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(yōu)選的，所述發(fā)酵原料進行外熱源干發(fā)酵時固體含量為20％～30％，溫度為50℃～55℃。
優(yōu)選的，所述低溫解聚所用設(shè)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(yōu)選的，所述高溫快速催化熱解的反應(yīng)溫度為500℃～800℃，滯留時間為0.5s～5s，反應(yīng)器為生物質(zhì)裂解液化系統(tǒng)，反應(yīng)器中加入球形顆粒狀分子篩HZSM-5負載金屬元素復(fù)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干重的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(zhì)量的2～15％，所述定向催化劑通過生物質(zhì)裂解液化系統(tǒng)定向催化劑的循環(huán)利用。
優(yōu)選的，所述熱解氣A作為外熱源為干發(fā)酵過程提供加熱能量。
優(yōu)選的，所述熱解氣B作為外熱源為外源加熱干發(fā)酵與低溫解聚過程提供加熱能量，或與外源加熱干發(fā)酵所產(chǎn)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(yōu)選的，所述生物炭作為外熱源干發(fā)酵過程中的發(fā)酵促進劑，添加于沼氣發(fā)酵料液中，添加量為沼氣發(fā)酵接種物干重的5％～20％，或制成炭基肥。添加生物炭后可以益于沼氣發(fā)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(chǎn)量。
優(yōu)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(yōu)選的，所述的木質(zhì)纖維素廢棄物在進行低溫快速熱解預(yù)處理之前粉碎，粒徑小于5mm。
優(yōu)選的，低溫快速熱解預(yù)處理所產(chǎn)生熱解氣A作為外熱源干發(fā)酵過程中的主加熱源，沼渣高溫快速催化熱解所產(chǎn)熱解氣B作為輔助加熱源。
優(yōu)選的，所述生物質(zhì)裂解液化系統(tǒng)為專利CN02135649.1中公開的一種熱解反應(yīng)器，定向催化劑與生物質(zhì)裂解液化系統(tǒng)熱載體在熱載體收集箱內(nèi)進行混合，通過系統(tǒng)中提升筒內(nèi)鏈條帶動的料斗將催化劑與熱載體混合物攜帶至反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)完成后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(xiàn)定向催化劑的循環(huán)利用。
本發(fā)明有益效果在于：
本發(fā)明中低溫快速熱解預(yù)處理可以有效破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，降低纖維素的結(jié)晶度和聚合度，使其在沼氣發(fā)酵中易于降解，提高沼氣發(fā)酵速率和產(chǎn)氣量，同時具有處理時間短、無污染和可連續(xù)等特點。
本發(fā)明中木質(zhì)纖維素原料經(jīng)過沼氣發(fā)酵后，殘渣中纖維素半纖維含量較少，木質(zhì)素含量較高，由于木質(zhì)素是由苯丙烷結(jié)構(gòu)單元通過醚鍵和碳碳鍵連接而成的一個種復(fù)雜的酚類聚合物，所以沼渣熱解所產(chǎn)生物油中酚類物質(zhì)含量較高，所得生物油經(jīng)氣質(zhì)聯(lián)用分析，酚類化合物總量占總組分的30％～80％，其中，苯酚含量占總組分20％～60％，2-甲基苯酚和4-甲基苯酚分別占總組分5～15％。經(jīng)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(fā)酵技術(shù)與分級熱解技術(shù)有機的結(jié)合在一起，在高效產(chǎn)生沼氣的同時，可以實現(xiàn)沼渣的綜合利用。這一方法實現(xiàn)了木質(zhì)纖維素組分的全部利用，極大地提高了木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的能量利用率，豐富了其附加產(chǎn)值，并降低了能源利用過程中的污染，避免了廢物殘渣等造成的“二次污染”。
附圖說明
圖1是本發(fā)明工藝流程示意圖；
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)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(fā)酵與快速熱解耦合多聯(lián)產(chǎn)處理木質(zhì)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(yù)處理，熱解器溫度設(shè)置為200℃，在常壓狀態(tài)下通入熱載氣貧氧可燃氣，原料通過可調(diào)速的喂料器進入反應(yīng)器，原料在反應(yīng)器內(nèi)的滯留時間為1s，將處理好的物料收集到物料箱。然后取118g經(jīng)低溫快速熱解預(yù)處理后的玉米秸稈于2L厭氧反應(yīng)器內(nèi)進行發(fā)酵。發(fā)酵溫度控制53℃，其熱量來源于低溫快速熱解預(yù)處理和沼渣高溫快速熱解所產(chǎn)可燃氣；發(fā)酵固體濃度為25％；沼氣發(fā)酵接種物為固體含量為30g發(fā)酵沼渣和5g沼渣高溫快速熱解所產(chǎn)生物炭的混合物。厭氧發(fā)酵35天結(jié)束，取出發(fā)酵沼渣。所產(chǎn)總甲烷量可提高20％，H2S含量可減少40％。將取出后的發(fā)酵沼渣置于管式爐內(nèi)進行低溫解聚，其溫度為230℃，滯留時間為25min。最后將低溫解聚后的發(fā)酵沼渣加入到快速熱解反應(yīng)器中，定向催化劑使用量為沼渣干重的10％，負載金屬元素為Fe，負載量為分子篩HZSM-5催化劑質(zhì)量的5％，反應(yīng)溫度為650℃，滯留時間為1s，將冷凝后生物油經(jīng)氣質(zhì)聯(lián)用儀分析，其中酚類物質(zhì)含量為總組分的46.3～60.6％。所產(chǎn)生物炭20％用于玉米秸稈沼氣發(fā)酵，80％用于炭基肥。所產(chǎn)熱解氣除用于外源加熱干發(fā)酵系統(tǒng)和低溫解聚過程中的外熱源，剩余熱解氣與外源加熱干發(fā)酵所產(chǎn)沼氣混合成合成燃氣。