CN103437229B - 模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置，用于制备植物纤维，并对其进行改性处理。本发明采用由机筒和双螺杆组成的蒸汽爆破单元模块化多级组合而成的产量高、效果好、适应性广、易实现自动化控制的蒸汽爆破装置，主要包括机筒和安装在机筒中的螺杆，每级机筒中安装有两根螺纹方向相反的螺杆且螺杆啮合，同侧所有螺杆套在花键芯轴上；模块单元可根据物料调节级数，每个单元都有加料口，可加入改性剂，实现植物纤维原位改性；所有机筒采用上下两部分组成的结构。

Description

模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置

技术领域

本发明涉及一种生物质原料预处理过程中的蒸汽爆破改性装置，特别涉及一种具有较高生产效率的植物纤维连续式蒸汽爆破改性装置。

背景技术

生物质被广泛用于造纸制浆、发酵酒精、人造板以及木塑复合材料的制备等领域，而适当预处理有利于植物纤维的高效利用。目前对于植物纤维的预处理技术主要有机械预处理、化学预处理、生物预处理等技术。基于物理-化学作用的蒸汽爆破技术以无污染、低成本、效果好等优点引起了人们的注意。

蒸汽爆破装置有间歇式和连续式两种。当前蒸汽爆破装置大多为间歇式，工作时将物料置于较高温度和压力的水蒸汽环境中，保压一定时间，之后手动或自动打开快开阀门快速将压力卸至常温常压环境下，实现植物纤维原料组织结构与成份的分离。这种装置生产不连续，不易实现连续性自动化生产；生产损失大、能量损失多；且温度和压力相关联，不易分别控制，因而产业化推广较困难。CN201195813Y号专利提供了一种间歇蒸汽爆装置，包括蒸汽发生器、缓冲罐、汽爆罐和接收罐。使用时先将玉米秸秆、麦草等放入汽爆罐，通入一定温度压力的饱和蒸汽，保压一段时间后快速泄压实现汽爆。但是间歇式的大型汽爆罐喷放时间长，致使蒸汽释压速率慢且释压过程的释压速率存在差异，影响蒸汽爆破效果及其均匀性。 连续式蒸汽爆破装置的处理能力较大，效率较高，适合于大型工业应用，但这种设备较少，价格昂贵。如加拿大的stake技术公司研制了一种连续性蒸汽爆破设备，其作用过程为：经浸渍的木片自料斗进入变压缩比的喂料螺旋中被压成圆柱形料塞，出口处由反喷逆止阀将料塞顶碎。顶碎的木片料塞掉入stake II型蒸煮器中。蒸煮器中通入压力1.4MPa、温度195℃的水蒸汽。木片在在蒸煮器中停留l~4min后被螺旋推进器推到末端，经一球形喷放阀每4s自动喷放一次。该设备的进料过程实现了连续化，蒸煮过程也是连续的，产量也较间歇式设备高，但喷爆过程仍处于间歇状态，且需要设置大型的蒸汽发生装置，整套设备能耗大。

当前蒸汽爆破装置主要用于饲料、发酵预处理。其目的主要是使植物纤维中半纤维素、木质素、纤维素这三大组分部分降解并分离，从而易于消化或提高发酵效率，因此对处理后物料的形态没有要求。如CN101525644A号专利公开了一种采用含纤维素的原料制备单糖的方法，CN101509018A号专利公开了一种采用含纤维素的原料制备乙醇的方法。蒸汽爆破处理在制浆、人造纤维板领域推广应用的较少。这是由于间歇式蒸汽爆破处理过程中物料在蒸汽处理过程中是静置于汽爆罐中，蒸汽爆破处理后虽然植物纤维的三大组分部分降解，但纤维细胞的离解程度并不高。因此目前间歇式蒸汽爆破方法在制浆、人造纤维板领域主要用于预处理，要使纤维细胞分离制备出具有大长径比的纤维则需要进一步磨浆处理。

为了充分利用可再生的植物资源，进一步拓宽植物纤维的应用领域，得到具有特定表面特性与性能的植物纤维，可以考虑在蒸汽爆破时添加改性剂。针对不同种类的植物纤维以及不同的改性要求，可能需要选择不同的改性剂，并对蒸汽爆破参数反应条件进行有效调控，因此对于蒸汽爆破设备能否实现改性剂均匀配混和反应条件有效调控提出了更高的要求，而目前的罐式蒸汽爆破装置和单螺杆蒸汽爆破装置很难满足上述要求。

发明内容

本发明是针对现有技术存在的诸多不足之处，公开了一种模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置，对于需要改性的植物纤维，双螺杆蒸汽爆破单元实现了改性剂均匀配混，分级调控爆破参数和反应条件，实现高性能植物纤维的制备；本装置自动化程度高，劳动强度低，降低成本。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置，包括由模块化设计的机筒和双螺杆组成的模块化蒸汽爆破单元，所述模块化蒸汽爆破单元之间串联式组合，级数可调；每级模块化蒸汽爆破单元的机筒中安装有两根螺纹方向相反的螺杆且啮合，机筒的出料口设有带锥度孔的口模，同侧所有螺杆套在一根花键芯轴上组合成整体，花键芯轴两端有轴承支撑。

进一步地，所述模块化蒸汽爆破单元的螺杆可以依据不同物料及处理效果选择螺杆类型。

进一步地，所述螺杆套在花键芯轴上组合成整体，花键芯轴的右端设有螺纹，以及与所述螺纹相连接用于将各级螺杆压紧，实现平稳、可靠传动的螺母，花键芯轴两端设有轴承支撑。

进一步地，所述口模的锥度孔尺寸大小不一，各级机筒上均有加料口。

进一步地，所述机筒由机筒上部和机筒下部上下连接而成。

进一步地，机筒上部和机筒下部之间由紧固螺钉相连接，各级机筒之间由螺栓固定连接。

进一步地，所述机筒前端设置有用于监测机筒前端温度的温度传感器。

进一步地，所述机筒上部和机筒下部都开有用来对机筒前端升温和降温的控温流道。

本发明的模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置是由机筒和双螺杆组成的模块化的爆破单元，其中模块化的爆破单元之间串联，可调节爆破级数，对于不同的爆破级数有相应不同长度的花键芯轴，多段螺杆由相应长度的花键芯轴串联在一起形成两根长螺杆，并在安装时使两螺纹相互啮合；动力经减速器传至两根花键芯轴驱动螺杆以相反方向旋转；使用喂料器连续喂料，给水装置可向加料口的物料均匀喷洒水，次级爆破单元上也有加料口，可按需添加改性剂和水等；每段爆破单元上均有测温装置和控温装置，用于实时调控机筒的温度。

本发明的多级蒸汽爆破改性装置适用性广，可广泛应用于处理各种草本、木本等多种植物原料，用于发酵预处理、造纸粗磨制浆、人造纤维板和木塑复合材料的纤维制备等领域。本发明的多级蒸汽爆破改性装置采用模块化设计，使用时可随意组合，快速组装、拆卸，可根据物料种类和产品需求调整爆破单元级数、组合式的螺杆的构型等；连续的多次蒸汽爆破改性，便于改性时添加的改性剂均匀分散，同时控制改性反应过程的温度、压力以及时间。

所述的机筒由上下两部分结构组成，通过连接部件固定连接，当物料堵机时，能迅速将机筒拆开，露出螺杆，清理物料，而且拆卸时不受螺杆影响，在拆卸时重量相对减轻很多，既解决了物料在堵机时拆卸费时的问题，又解决了原料爆破装置向大型化发展时笨重不方便拆卸的问题。

所述的模块化的蒸汽爆破改性装置的组合式螺杆元件的构型和机筒口模尺寸可根据物料种类和爆破效果需求调整，增加了装置对原料的适用性，并使物料处理效果达到最佳。

所述的安装在每段机筒中的两根螺杆螺纹方向相反且螺杆啮合。

所述的每段螺杆的加料段螺槽容积大，易加入较大体积的蓬松物料，螺槽容积沿输送方向逐渐减小，采用连续渐变的压缩比，保证物料连续平稳地输送。

所述的所有螺杆位于同一水平面上，并且同一侧所有螺杆位于同一水平直线上，同侧每级螺杆穿过花键芯轴组成一根长螺杆，解决了长螺杆的加工问题，组成长螺杆的每段螺杆的结构可相同，也可不同，任意组合，为在机筒中实现功能区分奠定基础。

所述的花键芯轴对于不同级数的爆破单元其长度不同，并且花键芯轴为阶梯轴，其两端设有轴承支撑，花键芯轴的右端设有螺纹，以及与所述螺纹相连接用于将各级螺杆压紧，实现平稳、可靠传动的螺母。

异向双螺杆蒸汽爆破装置工作原理与单螺杆蒸汽爆破装置不同。在单螺杆蒸汽爆破装置中，主要靠物料与螺杆和机筒磨擦、挤压、拖曳进行输送，添加改性剂时混合效果差，在线加入改性剂时，如改性剂喷洒不均匀，将导致改性剂与物料的反应也不均匀。在异向双螺杆蒸汽爆破装置中，采用相互啮合的多级双螺杆输送物料，螺杆的纵向和横向均有一定程度的开放，物料被相邻螺杆的螺棱挤压、打散，改变运动方向，增强了物料的混合性，有利于提高植物纤维改性剂的分散均匀性；双螺杆正位移输送能力强，物料停留时间分布较窄，而且物料受到剪切、摩擦、揉搓而混合更充分、热传递更好，保证了物料混合改性反应过程的均匀性；物料被压入双螺杆的啮合间隙时，压力增大，通过间隙后压力迅速释放，因此物料在通过双螺杆的啮合区时会经历增压、释压作用，从而强化植物纤维组织结构的离解；自洁效果好，减少了物料局部过热的降解碳化。

本发明连续的多次爆破使得物料热量损失少，蒸汽损失少，从而实现节能；装置第一级爆破单元采用喂料器喂料，次级都有加料口，可同时或先后加入各种添加剂，并能够与物料混合均匀，实现植物纤维原位改性，满足不同植物纤维性能的需求。

模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置利用螺杆转动来推动物料前进，依靠植物纤维和螺杆之间的摩擦来实现物料的输送、压实、增压和升温。由于物料含有一定量水分（30～50%），当物料从狭缝口模中连续泄出时，物料内部的高温高压水瞬时释出，过热水迅速汽化急剧膨胀，产生“爆破”效果，从而破坏植物纤维的束状组织结构，实现植物纤维细胞的离解。

所述模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置使用时，第一级爆破后喷放的物料进入第二级爆破单元，第二级爆破后喷放的物料进入第三级爆破单元，直至最后一级爆破单元，物料经过最后一级机架上的出料口排出。

本发明在使用时可依据物料实时调控物料含水率、改性剂种类及配比；每级料筒的口模处温度利用可温度传感器实时监测，通过向料筒内的控温流道通介质控制升温和降温，使机筒内物料达到一定温度和较高的压力，从而控制物料爆破时的温度，定向控制植物纤维的处理效果。

所述每级料筒中的物料含水率、改性剂种类及配比可单独调控。

所述每级料筒的温度单独调控。

所述介质为冷却介质或者加热介质，提供加热或冷却功能，调节蒸汽爆破过程中物料的温度。

本发明模块化异向双螺杆连续式蒸汽爆破改性装置与传统的间歇式蒸汽爆破装置相比，省去蒸煮器等附属的设备，降低成本。

本发明模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置结构简单、操作方便、效率高、能耗低，可进行自动化、连续化大规模工业生产。

附图说明

图1为本发明的模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

实施例。

如图1所示，图1为发明的模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置的结构示意图。模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置，其核心为由机筒和双螺杆组成的模块化蒸汽爆破单元，图1中包括第一级模块化蒸汽爆破单元1、第二级模块化蒸汽爆破单元7，第三级模块化蒸汽爆破单元11，分别固定在三段机架上，机架通过定位装置及紧固机构固定，便于拆卸和组装，可根据需要改装成单级、两级、三级、四级异向双螺杆连续式蒸汽爆破装置，电动机提供动力经减速器传递给花键芯轴2，花键芯轴2为阶梯轴便于安装轴承，花键芯轴2将所有螺杆串联起来，花键部分末端有螺纹，物料经加料口3进入机筒，同时加料口有外接喷水装置，用以调节物料含水率，紧固螺钉4将机筒上部和机筒下部连接，这样设计便于快速拆卸、清洗、维修、更换和保养，机筒上部前端装有热电偶5，用于实时监测温度；第一级爆破单元和第二级爆破单元的机筒之间通过螺栓6联接，便于拆卸，7为第二级爆破单元，第二级爆破单元上有加料口8，料斗采用可密闭式料斗，方便添加物料及助剂，密闭时可减少水蒸汽和热量散失，实现节能，异向双螺杆9由花键芯轴串起来并相互啮合，机筒上部和机筒下部都开有控温流道10，用来对机筒前端升温和降温，每级爆破单元上均有测温和控温装置，以满足爆破温度及反应需求；第二级爆破单元和第三级爆破单元结构相同，仅有爆破单元出料口处间隙不同，便于加工和安装，避免了单独口模安装造成的结构麻烦，使用时可调整爆破单元的组合方式满足不同阶段出料口间隙大小的需要，12为垫片，螺母13与花键芯轴2末端的螺纹旋合，将花键芯轴2上的多级螺杆紧固，使螺杆平稳、可靠工作，轴承14起支撑花键芯轴2的作用。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置，包括由模块化设计的机筒和双螺杆组成的模块化蒸汽爆破单元，其特征在于：所述模块化蒸汽爆破单元之间串联式组合，级数可调；每级模块化蒸汽爆破单元的机筒中安装有两根螺纹方向相反的螺杆且啮合，机筒的出料口设有带锥度孔的口模，同侧所有螺杆套在一根花键芯轴上组合成整体，花键芯轴两端有轴承支撑。

2.根据权利要求1所述的模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置，其特征在于：所述模块化蒸汽爆破单元的螺杆可以依据不同物料及处理效果选择螺杆类型。

3.根据权利要求2所述的模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置，其特征在于：所述螺杆套在花键芯轴上组合成整体，花键芯轴的右端设有螺纹，以及与所述螺纹相连接用于将各级螺杆压紧，实现平稳、可靠传动的螺母，花键芯轴两端设有轴承支撑。

4.根据权利要求1～3任一项所述的模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置，其特征在于：所述口模的锥度孔尺寸大小不一，各级机筒上均有加料口。

5.根据权利要求4所述的模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置，其特征在于：所述机筒由机筒上部和机筒下部上下连接而成。

6.根据权利要求5所述的模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置，其特征在于：机筒上部和机筒下部之间由紧固螺钉相连接，各级机筒之间由螺栓固定连接。

7.根据权利要求6所述的模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置，其特征在于：所述机筒前端设置有用于监测机筒前端温度的温度传感器。

8.根据权利要求7所述的模块化异向双螺杆连续式植物纤维蒸汽爆破改性装置，其特征在于：所述机筒上部和机筒下部都开有用来对机筒前端升温和降温的控温流道。