用竹加工废弃物生产生物基天然气联产木质素、微晶纤维素的生产工艺

摘要

本发明涉及利用竹加工废弃物生产生物基天然气、木质素和微晶纤维素的生产工艺，解决了竹加工废弃物的经济有效利用问题。本发明包括以下操作步骤：竹加工废弃物汽爆预处理、用水浸提分离汽爆物、液相物用于厌氧发酵产沼气、固相物碱处理得竹纤维素滤渣和黑液、从黑液中分离木质素、竹纤维素滤渣酸水解得微晶纤维素。本发明工艺具有转化热能高，可实现沼气的能源化，联产的木质素、微晶纤维素实现了将废弃物进行资源化利用；本发明工艺属于封闭式内循环系统，环保绿色无污染；经济效益高。

说明书

技术领域

本发明涉及利用生物材料生产生物质能源以及生产高分子材料的工艺方法。

背景技术

我国有得天独厚的竹材资源，竹林面积、活立竹蓄积量和竹年产量均居于世界前列。我国有竹林面积约500万hm²，500余种。竹林主产区分布在湖南、福建、江西、浙江、安徽、广东、广西等省区。到2000年，我国的竹林面积已达到500万hm²，总蓄积量为1.3亿吨。计划到2010年我国还将新增竹林面积120万hm²，到时我国的竹林面积将超过600万hm²。

80年代初开始，为了缓解我国木材供需紧张的矛盾，人们提出了“以竹代木”的设想，从此开始了我国竹材工业化利用新的发展时期。经过20多年的时间，我国的竹材工业化利用规模从无到有，从小到大，迅速发展起来。今天我国的竹材加工工业已经成为国民经济中的一个新兴产业，各种竹材产品正在国民经济建设和人们生活中发挥着越来越重要的作用。

竹材加工的用途较多，消耗最大的如竹胶合板、竹纤维板、竹层压板等产品。这些产品对毛竹实际使用率不超过30％。也即竹材中有70％剩余物得不到充分的利用。每年仅六安市采伐毛竹并就地加工的生物量可达32万吨左右。这32万吨竹子加工产生70-80％的竹加工废弃物，约22-25万吨。这些废弃物没能得到应有的利用，未能产生应有的价值。可见，六安市的竹加工废弃物的资源量是很大的。

竹子加工的下脚料主要是竹枝、竹节、竹簧、竹屑等。这些材料的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。目前已有将竹枝、竹节、竹簧等下脚料在经过一定的加工处理后，通过炭化、活化、干馏等工艺生产出竹炭、竹活性炭及竹醋液等系列产品；细竹条、竹屑等可用来制造中密度纤维板、刨花板和竹材碎料复合板等竹质人造板产品；竹屑加入一定的物质可直接加工成食用菌的培养基质，用于食用菌的生产。

但是，目前大部分竹加工废弃物还是作为燃料的替代物烧锅炉，其热值低、粉尘大，又对环境产生新的污染。

由上述分析看出，竹加工废弃物的利用率较低，利用层次较低，尚未有利用竹加工废弃物生产生物基天然气的报道，也未见将竹加工废弃物制取木质素和开发成微晶纤维素制品的综合利用报道。

发明内容

为了解决竹加工废弃物的经济有效利用问题，本发明提供一种能耗低、无污染、投资少的利用竹加工废弃物生产生物基天然气、木质素、微晶纤维素的生产工艺。

实现上述目的的技术方案是这样的，利用竹加工废弃物生产生物基天然气、木质素和微晶纤维素的生产工艺包括以下步骤：

所述竹加工废弃物是指：毛竹、园竹等在加工成各种制品时的下脚料，包括竹枝、竹节、竹叶、竹簧、竹屑、竹刨花、竹锯末等，这些下脚料的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，其水分含量为5-50％。

A、脉冲汽爆预处理

将上述竹加工废弃物装满汽爆机的爆腔，脉冲汽爆条件：汽爆压力1.5MP-4.0MP，保压时间为0.5min-9min，得汽爆物；汽爆后，有70％以上的半纤维素被水解，大部分纤维素被分离和膨化，这个预处理的工艺非常重要，为高效生产生物基天然气以及联产木质素和微晶纤维素奠定了良好的基础。

B、汽爆物浸提分离

按汽爆物∶水＝1∶5～10重量比在汽瀑物中加水进行充分搅拌，浸出汽爆物中水溶物，经过离心或压榨等方法分离浸提物，得固相物和液相物。

C、液相物发酵产沼气

(1)将所得液相物用碱液调节其PH值为6.5-7.0，通过过滤器泵入厌氧发酵罐，并加入液相物重量10％-20％的活性沼泥，进行厌氧发酵，厌氧发酵罐PH值控制在6.5—7.5之间，温度为30-40℃；经过12小时开始产沼气；所产沼气的组分为65％-75％的甲烷，20％-25％的二氧化碳，其余为氢气、硫化氢等其它的杂质；

(2)沼气脱硫

将上述方法所产沼气采用天然气脱硫装置进行脱硫，得脱硫物；

(3)脱硫物压缩分离天然气

将所得脱硫物输入中压压缩机，在压力7-8Mpa条件下，使二氧化碳液化，此时二氧化碳和甲烷自动分离，得生物基天然气，所得生物基天然气的技术指标符合GB17820-1999天然气技术指标。

D、固相物碱处理

在所述固相物中加入3-5倍的碱液，在50℃-100℃的温度蒸煮，时间为0.5-3.5小时，得蒸煮物；离心或压榨分离蒸煮物，得竹纤维素滤渣和黑液；所述碱液浓度为1％-15％氢氧化钠溶液；

E、从黑液中分离木质素

第一种方法：膜处理分离木质素

膜技术处理碱液(黑液)提取木质素：采用膜处理技术将木质素、氢氧化钠(NaOH)及其它成分水液三者分离，将木质素部分喷雾干燥得木质素，碱液膜浓缩后循环再利用，其它成分的水液可用发酵生产天然气。

F、酸水解得到微晶纤维素：把D步骤中得到的固相物(碱渣，即竹纤维素)用3-10倍体积5％-10％的盐酸在50℃-100℃条件下水解1-5小时，其纤维素水解达到平衡聚合度后，可以通过离心、过滤等方法分离得到微晶纤维素粗品和酸液。酸液经过膜浓缩回收，达到循环利用。

G、漂白：把酸水解得到的微晶纤维素粗品经过充分水洗后，按照微晶纤维素粗品体积的1-5倍加入2％-5％的双氧水，温度30-80℃进行漂白，或者用5％-10％的次氯酸钠溶液在30-60℃进行漂白，用白度仪检测，直到白度达到90以上，分离收集即得到成品微晶纤维素。

所述竹加工废弃物为：毛竹、园竹等在加工成各种制品时的下脚料，包括竹枝、竹节、竹叶、竹簧、竹屑、竹刨花、竹锯末，其水分含量为5-50％。

从黑液中分离木质素的另两种方法如下：

第二种方法：乙酸法沉淀木质素。向碱液(黑液)中加入5％-10％的乙酸溶液中和其中氢氧化钠，再用5％-10％乙酸溶液调节使溶液pH值在1.5-5.5范围沉降出木质素，将沉降的木质素分离出来，残液用于发酵产生物基天然气。

第三种方法：盐酸法沉淀木质素。向碱液(黑液)中加入2％-10％的盐酸溶液中和其中氢氧化钠，再用2％-10％的盐酸溶液调节使溶液pH值在1.5-5.5范围沉降出木质素，将沉降的木质素分离出来，残液用于发酵产生物基天然气。

本发明的有益技术效果体现在以下几个方面：

1、将难以降解的竹加工废弃物转化成生物基天然气，并联产竹木质素、微晶纤维素等产品，为竹加工废弃物的资源化和高值化综合利用探索了一条更有效更经济实用的工艺路线。整个工艺无废液和环境污染物产生，属真正意义上的“绿色”生产工艺。

2、采用了汽爆技术，环保、节能、无需浸泡、蒸煮、不需添加任何化学试剂，即可将竹加工废弃物爆碎，从而达到理想的预处理效果，实现将竹加工废弃物进行厌氧发酵产沼气的目的，同时为联产相关产品提供合适的原料保证。

3、采用二相厌氧发酵技术，使得单位容积产气率得到大幅提高。使得整个发酵系统连续、稳态运行，实现工业化的连续和稳定产沼气，从而能够实现沼气的能源化利用。

4、从竹加工废弃物中生产木质素和微晶纤维素，实现了废物资源化利用。竹纤维中甲种纤维素含量很高，可以作为竹再生纤维素、羧甲基纤维素、微晶纤维素的加工原料，用途十分广泛。生产的木质素则可替代石油基产品在橡胶等中的应用。

5、本发明的应用不仅有很大的社会效益，还会产生很大的经济效益，使得企业在生物质能源的转化过程中会产生经济效益，实现可持续发展。这一点在目前的很多生物质能源生产企业中很难做的到。

附图说明

图1为本发明工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

实施例1：

参见图1，利用竹加工废弃物生产生物基天然气、木质素和微晶纤维素的生产工艺包括下列操作步骤：

A、汽爆预处理

取100kg竹刨花分次装满汽爆机的爆腔，脉冲汽爆条件：在1.5MPa的压力下保压9min，得汽爆物；

B、汽爆物浸提分离

按汽爆物∶水＝1∶5的重量比，在汽瀑物中加入水进行充分搅拌，经过离心或压榨分离取得固相物和液相物；

C、液相物采用厌氧发酵产沼气：

用碱液调节其pH值为7.0后分别泵入3个产甲烷罐，再加入20％的沼泥，进行厌氧发酵。第2天开始产气，初期日产气量50-60L，以后逐日增加，高峰时每天产气1.2—2.0m3，然后逐日降低。在产气期间，每天检测产气罐料液的酸碱度，当其pH值大于7.5时，就补充泵入酸液，使其pH下降至6.5，便于产甲烷菌的连续产气活动。经过10天产酸结束，约42天产气结束，总产气量约18.6m³。气体的成分甲烷占68.1％、二氧化碳占27.4％，其余为杂质气体。

D、固相物碱处理

在所述固相物中加入3倍的氢氧化钠(NaOH)碱液，浓度为15％，在温度50℃蒸煮，时间为0.5小时，得碱煮物；冷却后离心分离碱煮物得到约500kg黑液和约210kg竹纤维素滤渣。

E、从黑液中分离木质素

黑液用管膜滤除悬浮物后再用纳膜浓缩，除去水份和碱性物质，得到的浓液进行喷雾干燥，分离出木质素17kg，黑液中的碱浓缩回收利用。

F、酸水解得微晶纤维素

取竹纤维素滤渣100kg，加入3倍体积10％的盐酸，在温度100℃条件下，煮1小时，再通过离心、过滤，分离得到微晶纤维素粗品和酸液，酸液用膜浓缩回收重复利用。

G、漂白

微晶纤维素粗品用2％-5％的双氧水在温度30-80℃进行漂白，用白度仪检测，当白度达到90以上，分离收集即得到成品微晶纤维素55kg。

实施例2：

取100kg竹屑或竹锯末分次装满汽爆机的爆腔，在4.0MPa的压力下保压0.5min(30s)后，进行脉冲汽爆，得汽爆物；按汽爆物∶水＝1∶10的重量比，在汽瀑物中加入水进行充分搅拌，经过离心或压榨分离取得固相物和液相物。液相物用于厌氧发酵生产沼气同实施例1。固相物加入3倍体积质量分数1％的氢氧化钠溶液，在温度100℃煮3.5小时，得蒸煮物；冷却蒸煮物后离心分离得到约500kg黑液和约210kg竹纤维素滤渣。黑液用管膜滤除悬浮物后再用纳膜浓缩，除去水份和碱性物质，得到的浓液进行喷雾干燥，分离出木质素17kg，黑液中的碱浓缩回收利用。取竹纤维素滤渣100kg，加入10倍体积5％的盐酸，在温度50℃条件下，煮5小时，再通过离心、过滤，分离得到微晶纤维素粗品和酸液，酸液用膜浓缩回收重复利用。微晶纤维素粗品用5％-10％的次氯酸钠在30-60℃进行漂白，用白度仪检测，当白度达到90以上，分离收集即得到成品微晶纤维素51kg。

实施例3：

工艺和方法同实施例1，只是在“黑液”中分离木质素时采用的是乙酸中和的方法：即向黑液中加入5％-10％的乙酸溶液中和其中氢氧化钠，再用5-10％乙酸溶液调节使溶液pH值在1.5-5.5范围沉降出木质素，将沉降的木质素分离出来，残液用于发酵产生物基天然气。

实施例4：

工艺和方法同实施例1，只是在“黑液”中分离木质素时采用的是盐酸中和方法：即向黑液中加入2-10％的盐酸溶液中和其中氢氧化钠，再用2-10％的盐酸溶液调节使溶液pH值在1.5-5.5范围沉降出木质素，将沉降的木质素分离出来，残液用于发酵产生物基天然气。