CN109505179A - 秸秆低碳水解技术 - Google Patents

Abstract

本发明的秸秆低碳水解技术特征：构建秸秆、草木灰、石灰乳、酒精和水源为要素秸秆低碳水解基本方法，旨在低碳联产纤维素、半纤维素、木质素及草木灰的系列产品与应用；由全系密闭清洁备料、草木灰石灰水解液、热态水解节能循环、制备纤维素与纸浆、制备半纤维素寡糖、回收醇分离木质素、碱性木质素及磺化、清洁能源低碳供热为主八个生产内容组成；以草木灰、石灰乳与洗涤浓液回用为主制备碱性水解药液；以酒精预提取半纤维素兼备降低黑液粘度而优化工艺节能与节水；工艺耗水率仅为制浆造纸类国标允许值百分之二十；工艺固形物全系产品化与液相全系闭合循环及回收利用；工艺不产生及不排放固废与污水。本发明的有益效果：秸秆低碳水解技术为高效资源化循环经济，尤其可最大化盘活与调动生物质热电存量资产与增量互补结合，从而实现和推广秸秆利用低成本化与高盈利性的可持续发展。

Description

秸秆低碳水解技术

技术领域

本发明涉及秸秆纤维化、大健康新材料、制浆造纸、生物质发电及循环 经济领域的低碳生产，具体是秸秆低碳水解技术。

技术背景

我国每年的农作物秸秆产量高达十亿吨，实际情况只有少数部分被利用， 其中绝大多数是打碎返田，因不能及时降解造成了严重的土壤病虫害，所以尽 管政府出台了较严厉的环境治理及禁烧政策，但焚烧现象时有发生。

当前，秸秆五化综合利用的绿色发展趋势是能源化发展较快，其中的生 物质发电装机总量占全球一半以上，但是草木灰未能充分利用。

与此同时，秸秆的原料化利用十分滞后，其中的主要产业——秸秆制浆 造纸行业，因为沿续传统酸碱生产工艺而严重污染环境，致使全国成千上万家 制浆造纸企业，现如今被国家环保政策悉数取缔关停。

就其原因，首先应该学习与认知秸秆的内涵与原料化利用发展趋势，其 次理清秸秆制浆造纸的成因及传统局限。

秸秆主要组成：纤维素35～50％，半纤维素20～35％，木质素15～25％； 秸秆原料化基本原则是高效利用资源，杜绝传统粗放工业的亦用亦丢转为污废。

秸秆制浆造纸存在致命缺陷，主要利用大部分纤维素和部分半纤维素， 其余半纤维素和木质素都混入酸碱性污水排放；由此可见，秸秆制浆造纸的污 染本质是资源浪费，更尤为严重的是将部分浪费的资源转化为污废。

另外，秸秆原料化及纤维造纸主要应用水解反应原理；例如，碱法蒸煮 的水解溶液中碱质量浓度约5～15％，碱法漂白与脱墨的溶液中碱浓度小于5％。

然而，市场及化工企业供给的是固体碱；由此得出，秸秆原料化及纤维 造纸的基本需求与市场供给之间存在着较大的重复性用能浪费、用能污染及物 流成本；诸如此类的以上问题叠加直接导致国内秸秆原料化利用发展缓慢。

综合现状，为了解决上述问题，本发明树立秸秆资源全系利用理念，重 组生物质能高效生产要素，集成跨界原理与工艺应用，重塑符合时代要求的秸 秆低碳生产和绿色体系，期望以此推动秸秆利用的进一步发展。

发明内容

本发明提供的秸秆低碳水解技术，其特征是：(1)主要针对植物、农作 物秸秆及生物质资源，进行原料化与燃料化互补应用，备料除尘收集的杂细胞 尘土用作生物基料，木质素及改性制饲料与肥料，发展秸秆五化兼备与综合利 用的高效技术体系；(2)因地制宜构建秸秆、草木灰、石灰乳、酒精和水源为要 素的秸秆低碳水解基本方法，旨在低碳联产纤维素、半纤维素、木质素及草木 灰的系列产品与应用；(3)由全系密闭清洁备料、草木灰石灰水解液、热态水解 节能循环、制备纤维素与纸浆、制备半纤维素寡糖、回收醇分离木质素、碱性 木质素及磺化、清洁能源低碳供热为主的八个生产内容组成；(4)以草木灰、石 灰乳与洗涤浓液回用为主制备碱性水解药液；(5)以酒精提取半纤维素兼备降低 木质素液体粘度从而优化工艺节能与节水；(6)工艺耗水率仅为制浆造纸类国标 允许值百分之二十；(7)工艺固形物全系产品化利用与液相全系闭合循环及回收 利用；(8)工艺不产生及不排放固废与污水；(9)工艺只需设置事故性及生活类 固废与污水处理；(10)为生物质基础性水解工艺适宜配套与技改：一是生物质 能热电项目及企业的增值提效、产业延伸、联合生产与循环经济，二是纤维素、 半纤维素、木质素及草木灰的深度加工与应用。

所述的全系密闭清洁备料工艺或工序，主要由秸秆密闭料棚、吸尘式切 碎机、风力颗粒除尘器、风选原料仓储、风力粉末除尘器及风机管等工艺与装 备构成，并且通过输料机械与风管相连接；其主要功能是清洁备料从秸秆储备、 填装切碎、原料仓储、粗细除尘至物料输送的全过程为负压式密闭***，以及 一体化结构而节省占地与能耗，彻底解决秸秆原料及处理时的扬尘污染，成为 满足不同工艺与生产的绿色基础；进一步，工艺根据实际需要可集约与集成原 料洗涤及脱水清洁功能与装备。

所述的草木灰石灰水解液工艺或工序，主要由生物质能灰烬及草木灰输 入装置、石灰乳制备及输入装置、洗涤浓液回用输入装置、水源输入装置、搅 拌加热装置、反应沉淀装置、固液分离装置、水解液输出装置及固相收集装置 等工艺与装备构成，并且通过物料机械、浆液导管及溶液导管相连接；其主要 功能是完成草木灰、石灰乳、洗涤浓液及水源制备水解药液生产过程；进一步， 工艺可将工艺排出的的固相碱盐作为脱硫剂及其他利用；再进一步，工艺也可 根据实际需要制备亚硫酸盐、亚硫酸氢盐及其他水解液。

所述的热态水解节能循环工艺或工序，主要由水解液预热装置、浆液预 制预热装置、热态水解装置、余热回收装置、洗涤浓液配浆冷却装置及冷浆液 输出装置等工艺与装备构成，并且通过物料机械、浆液导管及溶液导管相连接； 其主要功能是进行秸秆生产原料水解并制成浆液，并符合后续分别提取纤维素、 半纤维素寡糖及木质素的工艺要求；进一步，工艺可添加其他催化剂及化学药 剂，尽力提高水解效应和生产效率。

所述的制备纤维素与纸浆工艺或工序，主要由冷浆液输入装置、浆液磨 制装置、浆液压滤装置、液相输出装置、浆液洗涤装置、浆液筛选装置、固浆 漂白装置、固浆输出装置、清洗水输入装置及洗涤浓液输出装置等工艺与装备 构成，并且通过物料机械、浆液导管及溶液导管相连接；其主要功能是将浆液 的固相与液相分离，并按照实际需要将固相制备为纤维与纸浆；进一步，工艺 可集约与集成木质纤维深加工和造纸生产及设施。

所述的制备半纤维素寡糖工艺或工序，主要由水解液相输入装置、酒精 输入装置、酒***相沉淀装置、固液分离装置、酒精及木质素溶液输出装置、 固形物净化装置、固形物浓缩装置、固形物结晶干燥装置及收集粉末装置等工 艺与装备构成，并且通过物料机械、溶液导管、供热导管、冷冻导管及真空导 管相连接；其主要功能是从水解液相中提取半纤维素及寡糖产品，基本工艺有 蒸发或冷冻两方法；进一步，工艺可集约与集成半纤维素转化寡糖生产及设施。

所述的回收醇分离木质素工艺或工序，主要由酒精及木质素溶液输入装 置、余热与供热输入装置、酒精汽化装置、酒精冷凝装置、循环水冷却装置、 酒精收集及输出装置、木质素溶液或浆液输出装置等工艺与装备构成，并且通 过浆液导管、溶液导管、供热导管及冷却导管相连接；其主要功能是完成酒精 回收，同时分离碱性木质素溶液或浆液；进一步，工艺可集约与集成酒精纯化 精馏。

所述的碱性木质素及磺化工艺或工序，主要由碱性木质素溶液输入装置、 碱性木质素磺化反应装置、多效蒸发装置、浓浆雾化装置、热风发生装置、干 燥制粉装置及收集粉末装置等工艺与装备构成，并且通过物料机械、供热导管、 热风导管、浆液导管及溶液导管相连接；其主要功能是：其一可制备碱性木质 素产品，其二可制备碱性木质素磺化工业制成品，其三可制备碱性木质素磺化 饲料、肥料、土壤修复剂及其他农业生产资料。

所述的清洁能源低碳供热工艺或工序，主要由凝结水回用输入装置、锅 炉化水装置、清洁能源及生物质锅炉装置、水解液类供热装置、热态水解类供 热装置、酒精回收类供热装置、木质素加工类供热装置及其他用能类供热装置 等工艺与装备构成，并且通过物料机械、烟气导管、蒸汽导管及溶液导管相连 接；其主要功能是保障低碳与清洁能源供给；进一步，工艺可集约与集成热电 联产；更进一步，工艺可技改及配套生物质能热电联产企业及项目，既可利用 抽汽或背压余热，又可利用草木灰制备水解药液，还可将排出的碱性固物用于 脱硫剂。

所述的以上工艺、工序及装置构成的基础性生物质低碳水解技术，其一 是可根据实际需要配置有其他的容器仓储、风机水泵、管道阀门、电缆光纤、 数据智能、厂址及厂房设施；其二是可技改及配套生物质能热电联产项目及企 业，实施将秸秆采用低碳水解工艺生产而其他生物质能则焚烧热电，或者是生 物质先提取木质纤维，剩余渣物用于焚烧热电；其三是可配套与技改木质纤维 制备葡萄糖、酒精、氢能等新能源及新材料的生产与设施；其四是可配套与技 改半纤维素及寡糖制备木聚糖、木糖醇、***糖、大健康及医食制成品的生 产与设施；其五是可配套与技改碱性木质素制备电容电介质及石黑烯类高新技术产品的生产与设施；另外，在秸秆低碳水解技术的实际应用中也可暂不实施 醇提半纤维素及寡糖工艺。

本发明的有益效果：秸秆低碳水解技术为高效资源化循环经济，尤其可 最大化盘活与调动生物质热电存量资产与增量互补结合，从而实现和推广秸秆 利用低成本化与高盈利性的可持续发展。

附图说明

图1为本发明的秸秆低碳水解技术一种工艺流程示意图，但本发明不局 限于此一种工艺及流程；

其中：秸秆密闭房棚1、吸尘式切碎机2、颗粒除尘器3、重力原料仓4、 粉末除尘器5、风机6、风管7、原料洗涤装置8、脱水输料装置9、加热水解装 置10、余热回收装置11、浆液输出装置12、浆液磨制/压滤/洗涤/筛选/漂白装 置13、洗涤浓液装置14、草木灰与石灰乳搅拌装置15、反应沉淀装置16、固 液分离装置17、水解药液输出装置18、脱硫剂输出装置19、压滤液输出装置 20、酒精输入装置21、酒精沉淀装置22、固液分离装置23、净化浓缩装置24、 干燥粉末装置25、酒精溶液输出装置26、酒精汽化装置27、醇汽冷凝装置28、 酒精储备装置29、木质素溶液装置30、蒸发输入装置31、磺化调制装置32、 多效蒸发装置33、浓浆雾化装置34、热风发生装置35、干燥收粉装置36、凝 结水输入导管37、锅炉化水装置38、生物质锅炉39、烟气环保装置40、制碱 液供热导管41、水解供热导管42、酒精供热导管43、多效蒸发供热导管44。

具体实施

下面结合附图1对本发明的一种工艺流程做进一步分析。

如图1，本发明的秸秆低碳水解技术，其一种工艺流程主要构成是：秸 秆密闭房棚1、吸尘式切碎机2、颗粒除尘器3、重力原料仓4、粉末除尘器5、 风机6、风管7、原料洗涤装置8、脱水输料装置9、加热水解装置10、余热回 收装置11、浆液输出装置12、浆液磨制/压滤/洗涤/筛选/漂白装置13、洗涤浓 液装置14、草木灰与石灰乳搅拌装置15、反应沉淀装置16、固液分离装置17、 水解药液输出装置18、脱硫剂输出装置19、压滤液输出装置20、酒精输入装置 21、酒精沉淀装置22、固液分离装置23、净化浓缩装置24、干燥粉末装置25、 酒精溶液输出装置26、酒精汽化装置27、醇汽冷凝装置28、酒精储备装置29、 木质素溶液装置30、蒸发输入装置31、磺化调制装置32、多效蒸发装置33、 浓浆雾化装置34、热风发生装置35、干燥收粉装置36、凝结水输入导管37、 锅炉化水装置38、生物质锅炉39、烟气环保装置40、制碱液供热导管41、水 解供热导管42、酒精供热导管43、多效蒸发供热导管44。

首先是全系密闭清洁备料生产工艺：为防止扬尘将植物、农作物秸秆及 木屑等再生类生物质资源储存于秸秆密闭房棚1，主要通过吸吸尘式切碎机2、 颗粒除尘器3、重力原料仓4、粉末除尘器5、风机6及风管7等生产装备***， 完成秸秆密闭制备清洁原料生产过程。

其次是草木灰法制蒸煮液生产工艺：主要通过洗涤浓液装置14、草木灰 与石灰乳搅拌装置15、反应沉淀装置16、固液分离装置17、水解药液输出装置 18及脱硫剂输出装置19等生产装备***，完成洗涤浓液、草木灰及石灰乳制备 碱性水解药液生产过程。

第三是热态水解节能循环工艺：主要通过原料洗涤装置8、脱水输料装 置9、加热水解装置10、余热回收装置11及浆液输出装置12等生产装备***， 完成了纤维素、半纤维素及木质素水解生产过程。

第四是制备纤维素及纸浆生产工艺：主要通过浆液磨制/压滤/洗涤/筛 选/漂白装置13及洗涤水等工艺，完成制备纤维素及造纸生产过程。

第五是制备半纤维素寡糖生产工艺：主要通过压滤液输出装置20、酒精 输入装置21、酒精沉淀装置22、固液分离装置23、净化浓缩装置24及干燥粉 末装置25等生产装备***，完成制备半纤维素及寡糖生产过程。

第六是回收醇分离木质素生产工艺：主要通过酒精溶液输出装置26、酒 精汽化装置27、醇汽冷凝装置28、酒精储备装置29及木质素溶液装置30等生 产装备***，完成制备回收酒精分离木质素生产过程。

第七是碱性木质素及磺化生产工艺：主要通过蒸发输入装置31、磺化调 制装置32、多效蒸发装置33、浓浆雾化装置34、热风发生装置35及干燥收粉 装置36等生产装备***，完成纯化木质素、木质素磺化等工业原材料及木质素 磺化饲料及复合肥等农业原材料生产过程。

第八是清洁能源低碳供热生产工艺：通过凝结水输入导管37、锅炉化水 装置38、生物质锅炉39、烟气环保装置40、制碱液供热导管41、水解供热导 管42、酒精供热导管43及多效蒸发供热导管44等生产装备***，完成生物质 能低碳供热生产过程。

以上为本发明的一种工艺流程实施过程，并且只是说明及帮助理解本申 请的基本方法及其核心思想；对于相关领域的一般技术人员，依据本申请的思 想，在具体实施方式及应用范围上如有所变之处或局部变动，不影响本发明主 体，皆为本发明的内容范围。

Claims (10)

1.本发明的秸秆低碳水解技术，其特征是：(1)主要针对植物、农作物秸秆及生物质资源，进行原料化与燃料化互补应用，备料除尘收集的杂细胞尘土用作生物基料，木质素及改性制饲料与肥料，发展秸秆五化兼备与综合利用的高效技术体系；(2)因地制宜构建秸秆、草木灰、石灰乳、酒精和水源为要素的秸秆低碳水解基本方法，旨在低碳联产纤维素、半纤维素、木质素及草木灰的系列产品与应用；(3)由全系密闭清洁备料、草木灰石灰水解液、热态水解节能循环、制备纤维素与纸浆、制备半纤维素寡糖、回收醇分离木质素、碱性木质素及磺化、清洁能源低碳供热为主的八个生产内容组成；(4)以草木灰、石灰乳与洗涤浓液回用为主制备碱性水解药液；(5)以酒精提取半纤维素兼备降低木质素液体粘度从而优化工艺节能与节水；(6)工艺耗水率仅为制浆造纸类国标允许值百分之二十；(7)工艺固形物全系产品化利用与液相全系闭合循环及回收利用；(8)工艺不产生及不排放固废与污水；(9)工艺只需设置事故性及生活类固废与污水处理；(10)为生物质基础性水解工艺适宜支持、配套与技改：一是生物质能热电项目及企业的增值提效、产业延伸、联合生产与循环经济，二是纤维素、半纤维素、木质素及草木灰的深度加工与应用。

2.所述的全系密闭清洁备料工艺或工序，主要由秸秆密闭料棚、吸尘式切碎机、风力颗粒除尘器、风选原料仓储、风力粉末除尘器及风机管等工艺与装备构成，并且通过输料机械与风管相连接；其主要功能是清洁备料从秸秆储备、填装切碎、原料仓储、粗细除尘至物料输送的全过程为负压式密闭***，以及一体化结构而节省占地与能耗，彻底解决秸秆原料及处理时的扬尘污染，成为满足不同工艺与生产的绿色基础；进一步，工艺根据实际需要可集约与集成原料洗涤及脱水清洁功能与装备。

3.所述的草木灰石灰水解液工艺或工序，主要由生物质能灰烬及草木灰输入装置、石灰乳制备及输入装置、洗涤浓液回用输入装置、水源输入装置、搅拌加热装置、反应沉淀装置、固液分离装置、水解液输出装置及固相收集装置等工艺与装备构成，并且通过物料机械、浆液导管及溶液导管相连接；其主要功能是完成草木灰、石灰乳、洗涤浓液及水源制备水解药液生产过程；进一步，工艺可将工艺排出的的固相碱盐作为脱硫剂及其他利用；再进一步，工艺也可根据实际需要制备亚硫酸盐、亚硫酸氢盐及其他水解液。

4.所述的热态水解节能循环工艺或工序，主要由水解液预热装置、浆液预制预热装置、热态水解装置、余热回收装置、洗涤浓液配浆冷却装置及冷浆液输出装置等工艺与装备构成，并且通过物料机械、浆液导管及溶液导管相连接；其主要功能是进行秸秆生产原料水解并制成浆液，并符合后续分别提取纤维素、半纤维素寡糖及木质素的工艺要求；进一步，工艺可添加其他催化剂及化学药剂，尽力提高水解效应和生产效率。

5.所述的制备纤维素与纸浆工艺或工序，主要由冷浆液输入装置、浆液磨制装置、浆液压滤装置、液相输出装置、浆液洗涤装置、浆液筛选装置、固浆漂白装置、固浆输出装置、清洗水输入装置及洗涤浓液输出装置等工艺与装备构成，并且通过物料机械、浆液导管及溶液导管相连接；其主要功能是将浆液的固相与液相分离，并按照实际需要将固相制备为纤维与纸浆；进一步，工艺可集约与集成木质纤维深加工和造纸生产及设施。

6.所述的制备半纤维素寡糖工艺或工序，主要由水解液相输入装置、酒精输入装置、酒***相沉淀装置、固液分离装置、酒精及木质素溶液输出装置、固形物净化装置、固形物浓缩装置、固形物结晶干燥装置及收集粉末装置等工艺与装备构成，并且通过物料机械、溶液导管、供热导管、冷冻导管及真空导管相连接；其主要功能是从水解液相中提取半纤维素及寡糖产品，基本工艺有蒸发或冷冻两种方法；进一步，工艺可集约与集成半纤维素转化寡糖生产及设施。

7.所述的回收醇分离木质素工艺或工序，主要由酒精及木质素溶液输入装置、余热与供热输入装置、酒精汽化装置、酒精冷凝装置、循环水冷却装置、酒精收集及输出装置、木质素溶液或浆液输出装置等工艺与装备构成，并且通过浆液导管、溶液导管、供热导管及冷却导管相连接；其主要功能是完成酒精回收，同时分离碱性木质素溶液或浆液；进一步，工艺可集约与集成酒精纯化精馏；再进一步，工艺也可使用符合清洁生产要求的除酒精以外其他有机溶剂。

8.所述的碱性木质素及磺化工艺或工序，主要由碱性木质素溶液输入装置、碱性木质素磺化反应装置、多效蒸发装置、浓浆雾化装置、热风发生装置、干燥制粉装置及收集粉末装置等工艺与装备构成，并且通过物料机械、供热导管、热风导管、浆液导管及溶液导管相连接；其主要功能是：其一可制备碱性木质素产品，其二可制备碱性木质素磺化工业制成品，其三可制备碱性木质素磺化饲料、肥料、土壤修复剂及其他农业生产资料。

9.所述的清洁能源低碳供热工艺或工序，主要由凝结水回用输入装置、锅炉化水装置、清洁能源及生物质锅炉装置、水解液类供热装置、热态水解类供热装置、酒精回收类供热装置、木质素加工类供热装置及其他用能类供热装置等工艺与装备构成，并且通过物料机械、烟气导管、蒸汽导管及溶液导管相连接；其主要功能是保障低碳与清洁能源供给；进一步，工艺可集约与集成热电联产；更进一步，工艺可技改及配套生物质能热电联产企业及项目，既可利用抽汽或背压余热，又可利用草木灰制备水解药液，还可将排出的碱性固物用于脱硫剂。

10.所述的以上工艺、工序及装置构成的基础性生物质低碳水解技术，其一是可根据实际需要配置有其他的容器仓储、风机水泵、管道阀门、电缆光纤、数据智能、厂址及厂房设施；其二是可技改及配套生物质能热电联产项目及企业，实施将秸秆采用低碳水解工艺生产而其他生物质能则焚烧热电，或者是生物质先提取木质纤维，剩余渣物用于焚烧热电；其三是可配套与技改木质纤维制备葡萄糖、酒精、氢能等新能源及新材料的生产与设施；其四是可配套与技改半纤维素及寡糖制备木聚糖、木糖醇、***糖、大健康及医食制成品的生产与设施；其五是可配套与技改碱性木质素制备电容电介质及石黑烯类高新技术产品的生产与设施；另外，在秸秆低碳水解技术的实际应用中也可暂不实施醇提半纤维素及寡糖工艺。