本发明属于可再生生物质林产废弃物的提质加工及能源化利用技术领域，具体为一种对林产废弃物进行三相回收的热解转化工艺及设备。
背景技术：
随着化石原料的日益消耗，人类赖以生存的化石类碳源正面临枯竭的窘境，同时由于这一类的化石碳能源的主要使用方法都是直接燃烧，致使大气污染加剧，温室效应逐年明显，使得地球的生态环境也逐渐恶化。因此，开发利用废弃的可再生碳资源，具有相当的社会价值和经济效益。
在各种可再生碳资源中，林产废弃物具有种类多、分布广、产量大、可再生等特点，且由于富含碳元素，被认为是制备新型能源和化学品的重要碳原料，但是林产废弃物也存在着能量密度低、产出量受季节影响明显、易受潮腐烂、存储难度大、大范围收集和长途运输的成本高的缺陷，所以，传统的方法中对这些林产废弃物的利用手段主要是直接燃烧，将其化学能转化为热能并进行使用，这种利用方法能量转化率低、转化后的热能的热效率也低，会产生较多的污染物，且不便于集中处理。
也有一些厂家采用热化学转化技术中的热解技术将这些林产废料进行热化学转化以提交林产废弃物的利用率以及利用效率。热解又常被称作为裂解，它是指在高温条件下，利用热能将生物质中所含的大分子(半纤维素、纤维素和木质素等)有机物切断，使大分子物质分解为含碳较少、分子量相对较小的有机物的热化学转化过程。但现有技术中的热解技术都只是通过单一结构的热解炉实现，不存在或者是仅有少量预处理操作，对生产设备配置以及工艺要求较高，且在整个热解过程还容易出现热解不完全、热解周期长、热解过程中副反应多的问题，导致相关产品出现杂质含量过高、品质下降的问题，给大规模工业化生产带来较大的阻碍。
技术实现要素：
本发明所解决的技术问题在于提供一种对林产废弃物进行三相回收的热解转化工艺，该工艺能以热解方式将林产废弃物进行重新利用，最大限度地将林产废弃物中生物质内蕴含的能量转化为气、液、固三相能源产品，其产物能量密度高、性质相对稳定，方便长半径的收集、运输和存储，具有很好的发展前景和示范作用。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种对林产废弃物进行三相回收的热解转化工艺，具体包括以下操作阶段及处理步骤：
一、原料预处理阶段：将林产废弃物除杂，并将形状不均匀的各废弃物单元切割成30cm见方的废弃物碎片，然后将废弃物碎片送入烘干设备，利用烘干设备将废弃物碎片进行干馏以使废弃物碎片的含水量控制在4～10％的区间范围内，干馏完成后将产物粉碎成颗粒度为60～600目的碎木屑。
二、定型造粒阶段：将步骤一中制得的碎木屑加入搅拌容器中，并在搅拌容器中一并加入占碎木屑总质量10～30％的粘结剂，将粘结剂与碎木屑搅拌混合均匀后通过颗粒成型机成型为2～5mm的颗粒球，将成型的颗粒球进行烘干操作，将其含水量控制在5％以下，备用。
三、热解阶段：将步骤二中制备的产物颗粒球移至干馏热解釜中，隔绝空气并进行梯度加热，其梯度加热的规则为：第一梯度温度区间为100～150℃，升温速率为5～20℃/min，保温时间为2～3h，获得少量液体产物；升温至第二梯度温度，温度区间为150～400℃，升温速率为2～15℃/min，保温时间为1～4h，获得大量液体产物和气体产物；升温至第三梯度温度，温度区间为400～500℃，升温速率为5～20℃/min，保温时间为1～2h，获得少量液体产物和大量气体产物；升温至第四梯度，温度区间为500～800℃，升温速率控制在10～20℃/min，保温时间为2～4h，此过程无明显液体和气体可收集；完毕后关闭加热装置，冷却至室温，降温速率为2～10℃/min，过程中通入氮气进行保护，得到产品活性炭。
进一步，所述步骤一中的干馏过程中采用鼓风式热空气干燥，其干燥温度控制在50～100℃，且在此干馏过程中，控制升温速率为1～5℃/min，保温时间为3～5h。
进一步，所述步骤二中采用的粘结剂优选为动植物油脂、糖浆、脂肪酸、淀粉、植物沥青、煤焦油中的一种或者几种的任意比例混合物，若采用的粘结剂为干性物质时，需在混合物中添加占混合物原料总质量分数5～10％的纯水，纯水温度控制在15～30℃，加入速率为占混合物原料总质量0.2％/min，加入过程中施加搅拌操作，以保证其混合均匀，以方便制备颗粒球。
进一步，所述步骤二中的烘干过程中采用鼓风式热空气干燥，其烘干温度控制在50～100℃，且在烘干过程中，控制升温速率为0.5～2℃/min，保温时间为6～12h。
进一步，所述步骤三中所述隔绝空气加热指在整体加热过程中隔绝空气，并保持通入氮气，其氮气通入速率为装置空间体积的0.2～2％/min；而降温过程中氮气的通入速率为装置空间体积的1～5％/min。
在本发明中，所述步骤三中的第一梯度中收集的液体产物主要为木醋液；第二梯度中收集的液体产物主要为木醋液、生物油和醇类，呈油水两相分布，而气体为含短链烷烃、烯烃等的可燃性不凝气体；第三梯度中收集的液体产物主要为生物油；而气体为短链烃类等气体。这些产品在进行存储和使用时，产品活性炭采用常温隔潮隔气的方式密闭保存，气相产品可用于裂解装置的燃烧加热，也可导入气柜封存留用。
进一步，所述步骤三中分离出来的气相产物可用于燃烧炉的回用加热，在进行回用燃烧加热或直接储存前，必须通入含50～80％质量分数的氢氧化钠或者氢氧化钾或者两者任意比例混合物的碱水中和酸性物质，然后再用分子筛脱水。
进一步，所述步骤三中收集的液体产物可在混合后进行集中处理，其将液相混合物产品进行后处理方式为：将液相产品中的油、水二相采用液-液-固管式离心机在5000～7000r/min的离心机转速条件下进行分离。油水分离后的水相主要为木醋液，可直接进行收集；而混合物油相加热至60～80℃，加入质量分数为20～40％的甲醇和1～3％的固体酸催化剂，回流反应2～4h，冷却过滤固相酸催化剂，得到产品生物油，主要用作燃料油使用，其中，固体酸催化剂为氧化锆、对甲苯磺酸、硫酸铝、氧化铝、磷酸铝中的一种或者几种的任意比例的混合物。
一种对林产废弃物进行三相回收的热解转化设备，基于上述工艺进行设计组合，其包括顺序连接的第一干燥器、粉碎机、搅拌机、造粒机、第二干燥器以及热解釜，所述热解釜的出料端部分分别设置有固相、液相以及气相三组出料口，其固相出料口连接活性炭储槽；气相出料口连接储气柜；而液相出料口则连接二次加工单元，所述二次加工单元包括冷凝器、离心机以及反应釜，所述冷凝器的出气口连接储气柜，出液口连接有储液池，所述离心机用于液相的油水分离，其连接在储液池下部，其水相出口连接木醋液储槽，油相出口则与反应釜进料口相连，而反应釜的出料口则与生物油储槽相连。
进一步的，所述造粒机上设置有废料回收管连接到搅拌机的进料端。
本发明的优点及有益效果在于：
1.本发明方法相比于现有技术更加侧重产品全方位利用，且利用林产废弃物热解联产活性炭、生物油和生物气，节约了能源，提升了产品价值。
2.本发明方法较现有技术直接产出生物炭的工艺不同，通过联产气、油同时直接获得物理改性的活性炭，实现了废弃物制备固体炭高值化利用。
3.本发明中产品硫、灰分等害物质含量比较少，在碳循环利用过程中co2的净增排放量为零，有利于环境的保护。
4.本发明中热解技术能够最大限度的将生物质中蕴含的能量转化为气、液、固三相能源产品，产物能量密度高、性质相对稳定，方便长半径的运输、收集和存储，具有很好的发展前景和示范作用。
5.本发明具有工艺连续、简单、可靠，处理速度快的特点，平均反应6～8小时即可结束整段工艺。
6.本发明集生物油改性、调配于一体，无需增加额外工艺，产品可直接应用于锅炉和燃油灶使用。
附图说明
图1为本发明的热解转化设备的结构示意图。
其中：1、第一干燥器；2、粉碎机；3、搅拌机；4、造粒机；5、热解釜；6、储液池；7、冷凝器；8、离心机；9、反应釜；10、生物油储槽；11、木醋液储槽；12、储气柜；13、活性炭储槽；14、第二干燥器。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示及实施例，进一步阐述本发明。
参见图1的一种对林产废弃物进行三相回收的热解转化设备，在本实施例中，设备中包括设置与前端的第一干燥器1，此第一干燥器1用于对作为原材料的林产废弃物进行烘干，其出料端依次连接有粉碎机2、搅拌机3以及造粒机4，其中粉碎机2用于对干燥后的林产废弃物原料进行粉碎，其可调节的粉碎目数为60～600目，而造粒机4的进料端连接搅拌机3的出料端，同时，为了提高造粒机4出料的稳定性，在造粒机4上设置有废料回收管连接到搅拌机3的进料端，而在造粒机4的出料端还设置有第二干燥器14，并通过第二干燥器14连接热解釜5。在本实施例中，第二干燥器14用于对造粒机中造粒完成的中间产品进行烘干操作，而热解釜5则作为热解反应的主反应单元。
热解釜5上设置有分别设置有固相、液相、气相三个出料口，其中，固相出料口连接活性炭储槽13；气相出料口连接储气柜12；液相出料口后部连接冷凝器7，此冷凝器7的出气口连接储气柜12，而出液口则连接有储液池6，此储液池6上设置有出液管连接后部的离心机8，此离心机8为液-液-固管式离心机，用于对液相中的油相和水相进行分离，其分离出来的水相通过管路送入连接的木醋液储槽11，而油相则通过管路输送到期后连接的反应釜9中，而反应釜9中的反应成品则送入生物油储罐10。
另外，还设置有两组实施例，这两组实施例以上述设备作为工艺载体进行物料处理制备，其中：
实施例1
以工业木本油料植物光皮树枝桠作为热解转化的原料。
称取500kg光皮树枝桠，2℃/min升温速率至60℃，保温4h，控制水分在5％左右，通过粉碎机制备成200目左右木屑。将木屑与15％的粘合剂(淀粉∶植物油＝1∶1)均匀搅拌制成颗粒微球，干燥升温速率为1℃/min，保温时间8h后移至热解釜，通入氮气隔绝空气进行梯度加热。
第一梯度温度为100～150℃，升温速率控制在5℃/min，保温时间为2h收集少量的冷却水液；第二梯度温度，温度区间为150～400℃，10℃/min，保温时间为4h，获得大量冷却液体产物和气体产物；第三梯度温度，温度区间为400～500℃，升温速率控制在10℃/min，保温时间为1h获得少量的液体产物和大量气体产物；升温至第四梯度，温度区间为500～800℃，升温速率控制在10℃/min，保温时间为3h，无明显液体和气体可收集。完毕后关闭加热装置，过程中通入氮气进行保护，降温速率为3℃/min，通入n2速率为装置空间体积的2％/min。
分离出来的气相产物通入60％碱水洗脱和分子筛脱水；液相产品通过6000r/min液-液-固管式离心机分出水相和油相。油相加热至80℃，加入质量分数为30％的甲醇和1.5％的固体酸催化剂(对甲苯磺酸)，回流反应2.5h，冷却过滤固相酸催化剂，得到产品生物油。
而由此实施例条件下制备的各产物的热解联产炭气油产率和性能如表1所示：
表1热解联产炭气油产率和性能
实施例2
以南方木本油料作物白檀枝桠作为热解转化的原料。
称取1000kg光皮树枝桠，3℃/min升温速率至70℃，保温3h，控制水分在5％左右，通过粉碎机制备成250目左右木屑。将木屑与10％的粘合剂(淀粉)均匀搅拌制成颗粒微球，干燥升温速率为1℃/min，保温时间6h后移至热解釜，通入n2隔绝空气进行梯度加热。
余下步骤参照实施例1。
而由此实施例条件下制备的各产物的热解联产炭气油产率和性能如表2所示：
表2热解联产炭、气、油产率和性能
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。