CN101851688A - 生物质水热处理独立溶解和水解的半连续式反应系统 - Google Patents

Abstract

生物质水热处理独立溶解和水解的半连续式反应装置，所述装置包括贮水罐，高压进水泵，预加热器，电子温控箱，溶解反应器，不锈钢滤网，水解反应器，水冷却器，过滤器，产物收集装置，温度探头，减压阀，压力防爆阀和压力表。贮水罐中的水经高压进水泵注入预加热器预热后，注入置入生物质原料的溶解反应器，使其在设定温度下发生溶解，未溶解部分由不锈钢滤网截留继续溶解，已溶解部分流入水解反应器在设定温度下水解，或流入水冷却器冷却收集。本发明可使生物质在不同水热条件下分别溶解和水解，解决了现有技术同时溶解水解造成产物损失的缺陷，实现了生物质独立溶解水解并生成可发酵糖，是后续乙醇发酵等资源化的基础，应用前景广阔。

Description

生物质水热处理独立溶解和水解的半连续式反应系统

技术领域

本发明涉及一种生物质资源化的半连续式处理专用系统，特别涉及一种木质纤维类生物质进行水热处理时独立溶解和水解的半连续式反应系统，属于生物质废物处理及生物质能源利用技术领域。

背景技术

在化石燃料日近枯竭的今天，开发生物质能源，特别是生物质液态能源转化技术，具有重要战略意义。农作物秸秆作为最具有开发潜力的生物质能源之一，其乙醇化技术已受到广泛关注，但其木质纤维结构和性质，决定其而必须经过预处理和水解过程以打破木质素对半纤维素、纤维素的连接缠绕作用，破坏半纤维素、纤维素的结晶聚合结构，才能使其在一定条件下发生水解，生成可发酵的五碳糖、六碳糖等单糖，进而发酵生产乙醇。

与传统预处理和水解技术相比，水热处理技术反应迅速、无需催化剂、无产物抑制，表现了生产效率高、工艺简单、对环境友好等优点，加之水热能源能够回收再利用，被众多研究者认为是一种具有良好前景的绿色的生物质转化技术。已有研究表明，水在150℃～350℃的温度范围内，经过十几或几十分钟的时间可使浸没的秸秆中的木质素、半纤维素和纤维素发生溶解和水解(Sasaki et al.Dissolution and Hydrolysis of Cellulose in Subcriticaland Supercritical Water.Industrial and Engineering Chemistry Research.2000，39)，进而生成能够用于后续乙醇发酵的可发酵性单糖，说明利用水热技术实现秸秆等生物质的预处理和水解是可行的。

针对纤维素和秸秆等生物质水热预处理和水解的现有研究发现，在一定的水热条件下，纤维素等组分逐渐溶解的同时不断发生水解、甚至分解，导致了目标产物由于分解而损失(Zhao et al.Fermentable hexose production from corn stalks and wheat straw withcombined supercritical and subcritical hydrothermal technology.BioresourceTechnology.2009，100(23))。这些是由于纤维素等组分溶解和水解不同步，溶解和水解所需的条件也不同。较低的温度难以使物料较快溶解，而较高的温度又使目标水解产物发生分解，说明纤维素等组分的溶解反应是水解过程的限制性步骤。而目前已有的生物质水热处理技术均在溶解过程中同时发生水解，水热处理设备也均为均相反应设备，不能实现溶解和水解过程的分离，因此也难以克服生物质在溶解条件下发生水解和分解的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物质水热处理独立溶解和水解的半连续式反应系统，旨解决现有设备生物质的溶解与水解同时发生、造成目标水解产物快速分解损失的技术缺陷，从而实现木质纤维原料水热处理时在不同条件下分别发生溶解和水解，减少目标产物的损失，为木质纤维类生物质溶解和水解资源化提供一条新的途径。

本发明采用以下技术方案：

一种生物质水热处理独立溶解和水解的半连续式反应系统，其特征在于：所述系统包括贮水罐，高压进水泵，预加热器，溶解反应器，水解反应器，水冷却器，水解产物收集装置，溶解产物收集装置以及电子温控箱；所述贮水罐通过管路经由高压进水泵与预加热器入口相连，预加热器出口通过管路与溶解反应器入口相连；所述溶解反应器出口分别通过减压阀与所述的水解反应器和水冷却器入口相连；所述水解反应器出口经由减压阀和过滤器与水解产物收集装置相连；所述水冷却器出口经由减压阀和过滤器与溶解产物收集装置相连；所述的溶解反应器是由溶解反应器内筒和设置在反应器内筒外的加热装置组成，在溶解反应器内筒内靠近反应器出口端设有用以截留未溶解物料并通过溶液的滤网；在所述的预加热器、溶解反应器和水解反应器分别设有温度探头，所述温度探头分别通过信号线与所述的电子控温箱相连。

其特征在于：所述预加热器由预热管路和预加热装置组成；所述的预热管路采用螺旋式盘管；所述的预加热装置由盐浴罐和设置在该盐浴罐内的电加热棒构成。

其特征在于：所述溶解反应器内筒的内径与该内筒出口端管路的内径之比为2∶1～100∶1。

其特征在于：所述的设置在反应器内筒外的加热装置采用设置在加热套内的电加热丝。

其特征在于：所述水解反应器由水解反应管路和水解加热装置组成；所述的水解反应管路采用螺旋式盘管；所述的水解加热装置由陶瓷套管和设置在该套管内的电加热棒构成。

其特征在于：所述水冷却器由冷却管路和冷却套管组成；所述的冷却管路采用直管或螺旋式盘管；所述的冷却套管采用逆流式水冷却套管。

其特征在于：所述贮水罐出口至高压进水泵之间的管路上设有阀门；溶解反应器出口管路上设有压力表和压力防爆阀。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：利用生物质水热处理独立溶解和水解的半连续式系统，一方面能够使未溶解的原料保留于溶解反应器内继续溶解，使已溶解的原料随水相流出，避免了在溶解反应的条件下发生水解和分解反应，损失目标产物；另一方面使已经溶解并流出的反应物形成均相溶液，在设定条件下继续进行水解或冷却收集，更利于水解反应的条件控制；本发明能够解决现有技术溶解水解同时发生，造成产物损失的技术缺陷，可实现木质纤维类生物质的半连续式溶解与水解转化并生成可发酵糖，是后续发酵产乙醇等资源化技术的基础，应用前景广阔。

附图说明

附图为本发明生物质水热处理独立溶解和水解的半连续式反应系统结构与工艺示意图。

图中：1-贮水罐，2-高压进水泵，3-预加热器，31-预热管路，32-预加热装置，4-溶解反应器，41-溶解反应器内筒，42-加热装置，43-滤网，5-水解反应器，51-水解反应管路，52-水解加热装置，6-水冷却器，61-冷却管路，62-冷却套管，71-水解产物收集装置，72-溶解产物收集装置，8-电子温控箱，9-阀门，101-第-减压阀，102-第二减压阀，111-第三减压阀，112-第四减压阀，121-第-过滤器，122-第二过滤器，13-温度探头，14-压力表，15-压力防爆阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明生物质水热处理独立溶解和水解的半连续式反应系统结构原理及工艺流程示意图。该系统主要包括贮水罐1，高压进水泵2，预加热器3，溶解反应器4，水解反应器5，水冷却器6，水解产物收集装置71，溶解产物收集装置72，电子温控箱8。所述贮水罐1通过管路经由高压进水泵2与预加热器3入口相连，预加热器3出口通过管路与溶解反应器4入口相连；所述溶解反应器4出口分别通过第一减压阀101和第二减压阀102与所述的水解反应器和水冷却器入口相连；所述水解反应器5出口经由第三减压阀111和第一过滤器121与水解产物收集装置71相连；所述水冷却器6出口经由第四减压阀112和第二过滤器122与溶解产物收集装置72相连；在所述的预加热器3、溶解反应器4和水解反应器5分别设有温度探头13，所述温度探头13分别通过信号线与所述的电子控温箱8相连。所述生物质水热处理独立溶解和水解的半连续式反应系统可采用不锈钢材料加工制造。

所述预加热器3由预热管路31和预加热装置32组成；预热管路31可采用螺旋式盘管，其管径和管长可根据系统规模、流量和预加热温度进行调整；预加热装置32由盐浴罐和设置在该盐浴罐内的电加热棒构成，可使预热管路31内的流体维持在100～450℃间的指定温度。

所述溶解反应器4由溶解反应器内筒41和加热装置42组成；溶解反应器内筒41可为直筒状，其内径与出口端管路的内径之比可为2∶1～100∶1，溶解反应器内筒41的入口和出口分别通过变径与管路相连，并能够打开以装卸物料或密封进行溶解反应；溶解反应器内筒41的容积可根据系统规模、处理量和溶解反应条件进行调整；溶解反应器内筒41内出口端设置滤网43，滤网43可采用不锈钢材料加工制造，其孔径应能够截留未溶解原料而通过溶液；溶解反应器的加热装置42由设置在溶解反应器内筒41外的加热套和设置在加热套内的电加热丝构成，可使溶解反应器内筒41内的原料维持在100～450℃间的指定温度进行溶解反应。

所述水解反应器5由水解反应管路51和水解加热装置52组成；水解反应管路51可采用螺旋式盘管，其管径和管长可根据系统规模、流量和水解反应条件进行调整；所述的水解加热装置52可由陶瓷套管和设置在该套管内的电加热棒构成，可使水解反应管路内的流体维持在30～320℃间的指定温度进行水解反应。

所述水冷却器6由冷却管路61和冷却套管62组成；冷却管路61可采用直管或螺旋式盘管，其管径和管长可根据系统规模、流量和溶解反应条件进行调整；所述的冷却套管62采用逆流式水冷却套管，通过控制冷却水流量可使冷却管路内流体快速冷却以便收集。

所述电子控温箱8通过温度探头13分别监测预加热器3、溶解反应器4和水解反应器5内的预热管路31、溶解反应器内筒41和水解反应管路51的温度，并控制相应的加热装置进行加热或停止加热。所述溶解反应器内筒41和水解反应管路51内的压力可采用压力表14进行监测，量程可为0～40MPa；溶解反应器内筒41内的压力可通过第一减压阀101和第二减压阀102进行调节，水解反应管路51内的压力可通过第三减压阀111进行调节，水冷却器6冷却管路61内的压力可通过第四减压阀112进行调节。在溶解反应器4出口端管路上设置压力防爆阀15，工作压力可为40MPa，并不得高于压力表14的量程和所述生物质水热处理独立溶解和水解的半连续式反应系统的总设计压力；由水解反应器5出口或水冷却器6出口流出的液态产物，可分别经第一过滤器121和第二过滤器122过滤残渣后由水解产物收集装置71或溶解产物收集装置72收集。

本发明工作原理如下：将一定量粉末状木质纤维类生物质原料置入溶解反应器4中溶解反应器内筒41的滤网43之上，密闭溶解反应器4。利用电子控温箱8控制预加热器3、溶解反应器4和水解反应器5分别达到设定的预加热温度、溶解反应温度和水解反应温度。参与溶解和水解反应的水由贮水罐1中经高压进水泵2注入已达设定预加热温度的预加热器3；经过预热的水注入溶解反应器4的溶解反应器内筒41内，使其在设定的溶解反应温度下溶解木质纤维类生物质中的纤维素、半纤维素和木质素等组分，并调节第一减压阀101或第二减压阀102维持溶解反应器内筒41内的反应压力。未溶解的部分截留于溶解反应器内筒41中的滤网43之上，继续进行溶解反应；已溶解的部分随水流流出溶解反应器4，并根据工艺要求进入后续水解反应器5或水冷却器6；进入水解反应器5的含有已溶解物料的溶液在设定的水解温度下继续发生水解反应，生成可溶性糖类，进而经第一过滤器121过滤后可由水解产物收集装置71进行收集；进入水冷却器6的溶液经冷却和第二过滤器122过滤后可直接由溶解产物收集装置72进行收集，获得含有已溶解物料的溶液。本发明装置使木质纤维类生物质分别在溶解反应器4和水解反应器5中在不同水热条件下发生溶解和水解，实现了独立溶解和水解，可解决现有技术溶解水解同时发生、造成产物损失的技术缺陷，获得更高的可发酵糖产率。

Claims (7)

1.一种生物质水热处理独立溶解和水解的半连续式反应系统，其特征在于：所述系统包括贮水罐(1)、高压进水泵(2)、预加热器(3)、溶解反应器(4)、水解反应器(5)、水冷却器(6)、水解产物收集装置(71)、溶解产物收集装置(72)以及电子温控箱(8)；所述贮水罐(1)通过管路经由高压进水泵(2)与预加热器(3)入口相连，预加热器(3)出口通过管路与溶解反应器(4)入口相连；所述溶解反应器(4)出口分别通过减压阀与所述的水解反应器(5)和水冷却器(6)入口相连；所述水解反应器(5)出口经由减压阀和过滤器与水解产物收集装置(71)相连；所述水冷却器(6)出口经由减压阀和过滤器与溶解产物收集装置(72)相连；所述的溶解反应器是由溶解反应器内筒(41)和设置在反应器内筒外的加热装置(42)组成，在溶解反应器内筒(41)内靠近反应器出口端设有用以截留未溶解物料并通过溶液的滤网(43)；在所述的预加热器(3)、溶解反应器(4)和水解反应器(5)分别设有温度探头(13)，所述温度探头分别通过信号线与所述的电子控温箱(8)相连。

2.根据权利要求1所述生物质水热处理独立溶解和水解的半连续式反应系统，其特征在于：所述预加热器(3)由预热管路(31)和预加热装置(32)组成；所述的预热管路(31)采用螺旋式盘管；所述的预加热装置(32)由盐浴罐和设置在该盐浴罐内的电加热棒构成。

3.根据权利要求1所述生物质水热处理独立溶解和水解的半连续式反应系统，其特征在于：所述溶解反应器内筒(41)的内径与该内筒出口端管路的内径之比为2∶1～100∶1。

4.根据权利要求1所述生物质水热处理独立溶解和水解的半连续式反应系统，其特征在于：所述的设置在反应器内筒外的加热装置(42)采用设置在加热套内的电加热丝。

5.根据权利要求1所述生物质水热处理独立溶解和水解的半连续式反应系统，其特征在于：所述水解反应器(5)由水解反应管路(51)和水解加热装置(52)组成；所述的水解反应管路(51)采用螺旋式盘管；所述的水解加热装置(52)由陶瓷套管和设置在该套管内的电加热棒构成。

6.根据权利要求1所述生物质水热处理独立溶解和水解的半连续式反应系统，其特征在于：所述水冷却器(6)由冷却管路(61)和冷却套管(62)组成；所述的冷却管路(61)采用直管或螺旋式盘管；所述的冷却套管(62)采用逆流式水冷却套管。

7.根据权利要求1所述生物质水热处理独立溶解和水解的半连续式反应系统，其特征在于：所述贮水罐(1)出口至高压进水泵(2)之间的管路上设有阀门(9)；溶解反应器(4)出口管路上设有压力表(14)和压力防爆阀(15)。

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