一种荻苇生物质预处理方法以及相关产品在工业上的应用

技术领域

本发明涉及生物质原料预处理技术领域，尤其涉及一种荻苇生物质原料的预处理方法以及相关产品在工业上的应用。

背景技术

湿地泛指暂时或长期覆盖水深不超过2米的低地、土壤充水较多的草甸、以及低潮时水深不过6米的沿海地区，包括各种咸水淡水沼泽地、湿草甸、湖泊、河流以及泛洪平原、河口三角洲、泥炭地、湖海滩涂、河边洼地或漫滩、湿草原等。据统计，中国湿地面积约5,635万公顷，占全球湿地面积的4％。湿地植物种类繁多，起着调剂气候、水土保持、净化水质，提供生态服务的重要价值。

南荻和芦苇是湿地常见的两种优势物种，统称荻苇，是能提供优质纤维素类生物质原料的高大禾草，南荻和芦苇在外形上高度相似：一般株高达4-7m，地下茎发达，地上茎散生、直立，顶端1/3处多分枝，基部2/3部位落叶。叶批针形，南荻主脉明显而芦苇无明显主脉。南荻和芦苇的物候期高度一致：每年2月萌芽，6月株高达4m左右，9月开花，花期1个月左右，11月地上茎开始枯黄。南荻和芦苇自然枯黄后的地上茎叶含水量低于20％，适合机械化收割、打包和转运。荻苇群体具有生长快、产量高、多年生、抗病虫害和易收割、易繁殖等特点，而且其生物质品质优良，主要由纤维素、半纤维素和木质素三大组分所构成，三者含量之和可高达90％，只有极少量的灰分，是一类优良的木质纤维生物质原料。这类生物质不仅可用做优质的造纸原料，而且还是优良的生物基原料，可制备低聚木糖、纳米纤维素、硬炭负极、生物塑料和生物树脂等多种高附加值的产品。

当前荻苇的收割方式主为要机械化收割、打捆，虽然速度快收割效率高，但但收割获得的荻苇秸秆带有大量湖区泥沙和其他杂质。如果直接用于加工和生物炼制等高附加值产品生产线，必然影响产品的洁净度和质量安全。如南荻来源的低聚木糖是作为人用食品添加剂和动物用饲料添加剂使用的功能性物质(益生元)，对其洁净对和安全性要求非常高。而生长在洲滩湿地南荻，因受水涨水落的影响，其茎秆基部常粘有不少泥沙，必须进行清洁化处理。另外，南荻的生物质原料中的纤维素、半纤维素和木质素三大组成分成主要来源于茎秆，而在花序、叶片中三大组分则相对偏低。因此，南荻的茎、叶是否能在前期预处理阶段进行分离，收割南荻时附着在其基部的泥沙污垢等杂质能否顺利去除成为了影响其生物质原料质量的关键步骤。

中国申请号为202110123236.4的现有专利公开了一种环保型纺织用色浆制备工艺，并公开了给麦秆、稻草、松木、废纸、芦苇或竹子除杂、清洗、粉碎、研磨、搅拌为制浆的前期处理过程，但是整个过程只需要达到制浆的工业需求，所得原料的含水量和含杂率无法达到更精细化生产原料的要求。

发明内容

根据现有技术对南荻芦苇等湿地禾草的处理技术缺乏，现有技术的处理效果差强人意的情况，本发明提供一种提升荻苇利用率的预处理方法，生产出来的一～五级原料能达到多方面工业应用的需求，本发明还提供一种提升荻苇利用率的预处理方法生产的产品，能达到多方面工业应用的需求。

本发明以以下技术方案实现：

一种提升荻苇利用率的预处理方法，所述荻苇即为南荻和芦苇的一种或多种混合，用荻苇茎秆为初级原料，经切断得一级原料、杂质清除得二级原料、茎叶分离得三级原料、柔丝去髓得四级原料、研磨得五级原料；所述初级原料含杂率小于或等于15％，含水量小于或等于22％，所述一级原料含杂率小于或等于10％，含水量小于或等于18％，所述二级原料含杂率小于或等于7％，含水量小于或等于18％，所述三级原料含杂率小于或等于5％，含水量小于或等于14％，所述四级原料含杂率小于或等于3％，含水量小于或等于10％，五级原料含杂率小于或等于1％，含水量小于或等于6％。

优选的，包括以下步骤：

(1)切割：将收割打包后运回来的所述初级原料进行解包分散，并投递至切割室，机械切割成大小相近的片段得所述一级原料；

(2)分离：所述一级原料被传送至净化室，对泥土进行离心分离，经过分离获得所述二级原料；

(3)筛选：所述二级原料再次被传输到茎叶分离室，分离室内置锤片粉碎装置和旋风分离机，所述二级原料通过旋风分离机对叶片进行分离收集，得所述三级原料。

(4)柔丝：所述三级原料回收后被传输到柔丝室，柔丝室内置揉搓机构和压扁挤丝机构，通过反复揉搓三级原料，得所述四级原料。

(5)研磨：所述四级原料回收，被传送到研磨室，研磨室内置研磨仪和筛网，研磨得粉末经过筛网得所述五级原料。

优选的，所述切割室的结构随初级原料输送路径依次包括进料口一、输送装置、上下排列的上喂入辊和下喂入辊、定刀、切碎滚筒和控制切碎滚筒的电机、出料口一、机架。

优选的，所述净化室的结构随一级原料输送路径依次包括进料口二、物料爬坡机、出料口二、物料收集罐，物料爬坡机下方设有发动机并联接有出风口。

优选的，所述分离室的结构随二级原料输送路径由上往下依次包括进料口三和连接在进料口三一侧的回风口、进料插板、锤头，锤头一端设有皮带轮，另一端设有挡料棒，挡料棒远离锤头一侧设有风叶，风叶外设有风机外壳，锤头下方从上至下依次设有内衬、机壳和机架。

优选的，所述柔丝室的结构包括送料机构，送料机构末端连接压扁挤丝机构，压扁挤丝机构远离送料机构一端连接有揉搓机构，压扁挤丝机构和揉搓机构下方连接有动力及传动系统，还包括起支撑联接作用的机架。

优选的，所述研磨室的结构随四级原料输送路径由上往下依次包括挡板、过滤装置、研磨槽、出料盖和出料管；所述过滤装置包括过滤网和过滤板；所述研磨设备还包括研磨动力装置，研磨动力装置从上往下包括贯穿研磨槽和过滤装置中间的起振器，起振器下方设有电机，电机下方设有散热风扇和减震弹簧，研磨动力装置由固定螺栓和机架稳定相互位置。

一种根据上述的一种提升荻苇利用率的组合处理方法制备的一级原料在直燃料上的应用。

一种根据上述的一种提升荻苇利用率的组合处理方法制备的二级原料在造纸原料上的应用。

一种根据上述的一种提升荻苇利用率的预处理方法制备的三级原料在压缩颗粒原料上的应用。

一种根据上述的一种提升荻苇利用率的预处理方法制备的四级原料在生物炼制原料上的应用。

一种根据上述的一种提升荻苇利用率的预处理方法制备的五级原料在可降解塑料制品上的应用。

本发明的有益效果：

(1)本发明的多级处理方案，每一级都相继降低含水量和含杂率，所得一～五级原料价值随着原料级别的升高也在逐步提升，可直接对应于工业上的各方面应用，利用率显著提高。

(2)本发明的各级处理都采用了专业的处理设备，能有效的解决荻苇机械收割后所粘灰分土壤量大粘性大难处理的问题，切割磨粉效率高。

(3)本发明各级处理所得产品都有不同的利用途径，荻苇与混杂的灰分分离充分，禾草原料得以充分利用，原材料不易浪费，最大限度的提升了原料的利用价值，且免去清洗和除杂环节，大幅降低能耗、水耗和人工成本。

(4)本发明的多级处理方案，效率高，产品价值高且应用范围广，有利于工业推广。

附图说明

图1为处理工艺流程图。

图2为不同级别原料的形态图；A：初级原料；B：一级原料；C：二级原料；D：三级原料；E：四级原料；F：五级原料(20目)；G：五级原料(60目)；H：五级原料(100目)。

图3为不同级别原料的表征比较柱状图。

图4为不同级别原料的化学成分比较柱状图。

图5为切割室结构示意图。

图6为净化室结构示意图。

图7为分离室结构示意图。

图8为柔丝室结构示意图。

图9为研磨室结构示意图。

5.1-输送装置；5.2-上喂入辊；5.3-切碎滚筒；5.4-电机；5.5-定刀；5.6-机架；5.7-下喂入辊；5.8-出料口一；5.9-进料口一；

6.1-进料口二；6.2-出料口二；6.3-物料；6.4-发动机；6.5-出风口；6.6-物料收集罐；6.7-物料爬坡机；

7.1-皮带轮；7.2-锤头；7.3-进料插板；7.4-挡料棒；7.5-风叶；7.6-机架；7.7-轴承座；7.8-进料口三；7.9-回风口；7.10-风机外壳；7.11-内衬；7.12-机壳；

8.1-送料机构；8.2-动力及传动系统；8.3-揉搓机构；8.4-压扁挤丝机构；8.5-机架；

9.1-档板；9.2-起振器；9.3-出料盖；9.4-过滤板；9.5-研磨槽；9.6-出料管；9.7-减震弹簧；9.8-电机；9.9-固定螺栓；9.10-散热风扇；9.11-机架；9.12-过滤网。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明；实施例中，如无特别说明，所用手段均为本领域常规的手段；本文中所用的术语“包含”、“包括”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括；例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素；此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合；本发明实施例和对比例中所用的实验原料均为市售产品。

实施例1：

一种提升荻苇利用率的预处理方法，包括以下步骤：

步骤(1)将散包的南荻秸秆投喂到送料机，并随传送带进入到切割室进行机械切割，统一切成平均大小约10cm左右的小片段；

步骤(2)完成切割后的小片段原料自动传输至净化室，并在净化室内去掉泥沙、打碎的土块和湖区地面腐殖质等杂质；

步骤(3)经过净化室完成净化的原料再次传输至分离室进行进一步粉碎和茎叶分离，此时原料平均大小为5mm左右，且分离掉南荻杆上的叶片、花序等质量相对较轻且易脱落的部分；

步骤(4)从分离室出来的原料传输至柔丝室进行机械搓揉，通过机械力去掉内壁的髓以及叶片与茎节结合部的叶鞘；

步骤(5)从柔丝室出来的原料最后传输至研磨室通过球磨仪磨碎成粉，粉的粒径大小可调，根据用户需要一般可输出颗粒的粒径为20-100目，本实例中选择20目筛网，经测量，此时南荻精粉粒径介于0.5-0.8mm。

实施例2：

一种提升荻苇利用率的预处理方法，包括以下步骤：

步骤(1)将散包的芦苇秸秆投喂到送料机，并随传送带进入到切割室进行机械切割，统一切成平均大小约10cm左右的小片段；

步骤(2)完成切割后的小片段原料自动传输至净化室，并在净化室内去掉泥沙、打碎的土块和湖区地面腐殖质等杂质；

步骤(3)经过净化室完成净化的原料再次传输至分离室进行进一步粉碎和茎叶分离，此时原料平均大小为5mm左右，且分离掉芦苇杆上的叶片、花序等质量相对较轻且易脱落的部分；

步骤(4)从分离室出来的原料传输至柔丝室进行机械搓揉，通过机械力去掉内壁的髓以及叶片与茎节结合部的叶鞘；

步骤(5)从柔丝室出来的原料最后传输至研磨室通过球磨仪磨碎成粉，粉的粒径大小可调，根据用户需要一般可输出颗粒的粒径为20-100目，本实例中选择40目筛网，经测量，此时芦苇精粉粒径介于0.4-0.5mm。

对比例1：

一种荻苇的预处理方法，包括以下步骤：

步骤(1)将散包的南荻秸秆投喂到送料机，并随传送带进入到切割室进行机械切割，统一切成平均大小约10cm左右的小片段；

步骤(2)：在不进行杂质分离的情况下，直接投入粉碎室进行粉碎，此时出料口的主产物是5mm的颗粒，约占85％，其他15％是泥土、叶片及其他颗粒杂质；

步骤(3)：南荻颗粒混合物(物料+杂质)经过研磨仪研磨成粉，过20目筛网，筛上物和筛下午均含有一定比例的杂质且无法再予以区分，其结果导致南荻秸秆物料纯度受影响，其后端产品质量不合格。

表1：不同级别原料的表征比较(实施例1)

表2：不同级别原料的化学成分含量分析(实施例1)

表3.1实施例与对比例1的比较分析

表3.2实施例与对比例1的比较分析2

注：字母表示同一化学成分实例与对比例的比较，字母相同表示无显著差别(p>0.05)，字母不同表示二者有显著差别(p<0.05)。

表1和图3可以看出，不同类型的原料在含杂率、含水量以及粒径的型号上都发生了显著的变化。原则上，含杂率和含水量这2项指标的值越低越好，尤其含水量与原料的品质和耐放置性直接相关。原料粒径的大小可以根据实际用途来调节，根据需要置换筛网即可。以荻苇原料的生产线由于工艺存在区别，其利用的南荻的部位也不同，因此对原料的要求也不同。图1显示的工艺路线将荻苇从初级原料到5级原料，其粒径逐步缩小，品质逐步提升，图2也显示出从初级原料到5级原料的形态。

化学成分代表了生物质的品质和用途。一般而言，纤维素、半纤维素和木质素的含量应该越高越好，而灰分应当越低越好。从表2和图4可以看出，不同级别的原料，其化学成分出现了显著差别，而且原料的级别越高，三大素的含量越高，灰分越低。说明通过分级利用的方式，从初级原料到五级原料，荻苇的利用价值随着原料级别的升高也在逐步提升。

从表3.1和表3.2可以看出，不同处理方法的对比例1与实施例1的比较，实施例1初级原料到五级原料的纤维素、半纤维素、木质素随处理级别上升而明显抬升，而灰分随处理级别上升而明显下降，对比例1的初级原料到五级原料的纤维素、半纤维素、木质素抬升幅度明显较实施例1要慢得多，而且灰分下降的程度也较实施例1小得多，由此可见本发明的多级处理方法对精细化原料的效果要明显好于对比例1。

如图5所示，初级物料进行一级处理，依次经过切割室的进料口一5.9、输送装置5.1、上下排列的上喂入辊5.2和下喂入辊5.7、定刀5.5、切碎滚筒5.3和控制切碎滚筒5.3的电机5.4、出料口一5.8、机架5.6得到一级原料。

如图6所示，一级原料进行二级处理，依次经过净化室的进料口二6.1、物料爬坡机6.7、出料口二6.2，发动机6.4促使空气流动从出风口6.5吹出同物料一起进入物料收集罐6.6得到二级原料。

如图7所示，二级原料进行三级处理，依次经过分离室进料口三7.8，至锤头7.2位置被粉碎，皮带轮7.1转动带动锤头7.2和风叶7.5运转，待粉碎足够时间后得到三级原料。

如图8所示，三级原料进行四级处理，依次经过柔丝室的送料机构8.1传至揉搓机构8.3和压扁挤丝机构8.4，动力及传动系统8.2促进柔丝过程的进行，得到四级原料。

如图9所示，四级原料进行五级处理，依次经过研磨室的挡板9.1、过滤装置、研磨槽9.5、出料盖和出料管9.6，电机9.8控制起振器9.2，并以散热风扇9.10散热，以减震弹簧9.7减震，完成研磨得到五级原料。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。