CN103451985B - 植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置，专门为处理植物纤维而设计，目的是提供一种具有拆卸方便，可分段控温的多级连续式植物纤维蒸汽爆破装置。其结构是由多段机架、多段机筒、多段螺杆、喂料装置、电动机、控温装置等部件组成。喂料装置安装在机体上方的平台上，均匀连续喂料，多段机架、多段机筒、多段螺杆结构的设计使得可以根据物料具体情况调节组合设备，每段爆破装置可以单独调控温度、物料含水率等参数，实现分段控制。机筒采用上下两部分组成的结构设计，便于安装拆卸，更换螺杆、清洗维护。该蒸汽爆破装置和现有技术相比具有级数可调，分段调控，易于维修，能耗低、产能高，处理效果好，对物料的适应性广，劳动强度低，便于实现自动化控制等特点。

Description

植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置

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装置，特别涉及植物纤维的连续式蒸汽爆破装置。

背景技术

随着资源和能源日益紧缺，人们越来越重视生物质资源的开发和转化。当前生物质主要用于造纸制浆、发酵生产酒精、人造板、纤维板以及木塑复合材料的制备等，然而植物纤维的预处理技术是实现植物纤维资源化利用的关键。目前对于植物纤维的预处理技术主要包括物理预处理，化学预处理等技术。近年来，一种新型物理-化学预处理技术——蒸汽爆破技术以其高效、无污染、低成本等优点正引起研究者的注意。目前爆破装置主要分为间歇式和连续式两种。间歇式蒸汽爆破方法生产不连续，耗时长，生产率低，无法实现工业化连续生产，产业化推广困难；连续式处理的处理能力较大，效率较高，适合于大型工业应用，但这种设备较少，价格昂贵。

当前虽然有很多蒸汽爆破装置的专利技术，但多数只能实现间歇式生产。如CN201195813号专利提供了一种间歇汽爆装置，包括蒸汽发生器、缓冲罐、接收罐，使用时先将玉米秸秆、麦草等放入汽爆罐中，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。而CN102151519A号专利则公开了一种蒸汽爆破连续生产法及其配套装置，该装置依次对多个汽爆罐进行装料、通蒸汽、保温保压和喷放操作。CN201756659U号专利公开了秸秆纤维素纯物理法分子结构改性活化的连续汽爆机，该机采用不少于二台的高压闪爆装置实现连续蒸汽爆破。以上这两种蒸汽爆破装置都是基于利用多个汽爆单元来微分时间，以局部间歇来实现总体连续化生产，本质仍然是间歇式汽爆。类似地，CN102797188A号专利公布了一种数控连续汽爆机，它利用滑动封盖原理能在毫秒级(0.00875s)的时间内完成超音速蒸汽爆碎的过程，并未真正的实现物料均匀连续爆破。

对于不同的植物纤维原料，其需要蒸汽爆破条件不同，特别是木本植物，其木质化程度高，结构更为致密，一次处理达不到需要效果，需要单机多次或者多台设备串联生产，间歇式生产导致生产损失大，能量损失多，效率低、能耗大、产能低，工艺参数不易控制，劳动强度大，自动化程度低，成本高。有的植物纤维在处理过程中需要添加改性剂，但改性剂与植物纤维物料分散不均匀且不能浸润到物料颗粒内部导致反应效果不佳，并且不同的阶段改性剂的种类、含量及反应所需的条件都可能不同，爆破过程的温度、压力等需要调节。目前资源和能源日益紧缺，开发利用可再生的生物质资源和节能降耗是大势所趋。如何能够使爆破装置在保证优质高效爆破效果的同时节能降耗是行业内的一个重要课题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的诸多不足之处，公开了一种植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置，该蒸汽爆破装置由多段机架、多段机筒、多段螺杆之间串联式组合，级数可调，采用这种结构设计，可以用一台机器连续的多次爆破实现连续多次爆破，减少能量和生产损失，能耗低、产能高，并且可以根据物料实际情况调节级数，对物料的适应性广，自动化程度高，劳动强度低，从而降低成本。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置，包括至少2个或2个以上依次串接的单螺杆连续式蒸汽爆破单元，所述单螺杆连续式蒸汽爆破单元包括机架、固定在机架上的机筒、水平设置于机筒内的中空螺杆，所述机筒的出料口均设置有可更换的、带锥孔的口模，所述螺杆内横穿有一根驱动螺杆旋转的花键芯轴，所述花键芯轴的左端与第一电机经皮带驱动连接，右端设置有轴承及支座。

进一步地，所述螺杆可依据不同物料及处理效果选择螺杆类型，所有螺杆的轴线位于同一水平直线上，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。

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，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通过紧固螺钉相连接、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。

本发明的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置包括多段机架、多段机筒、多段螺杆、驱动装置、喂料装置、给水装置、控温装置等，所述多段机架、多段机筒、多段螺杆串联的设计，各级之间通过导向装置和连接机构联接，可通过调节级数实现多次爆破，得到优质高效的爆破效果。

本发明的目的为提供快速拆卸的多级蒸汽爆破机，本发明的多级蒸汽爆破装置的次级段采用模块化设计，便于多级爆破单元的制造加工，使用时随意组合，导向装置和连接机构联接，便于拆卸清理、维护等。

所述的多段机架、多段机筒、多段螺杆的设计实现连续的多次蒸汽爆破，解决了木质化程度高的木本植物纤维一次爆破不能达到所需效果的问题。

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。

实际使用时，本发明第一级爆破单元采用喂料器喂料，次级都有加料口，可同时或先后加入几种物料或添加剂，并能够与物料混合均匀，反应充分，达到需要的爆破预处理效果。

所述植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置在使用时，根据物料的特性，对机筒级数、螺杆形状、口模尺寸进行设定，使物料处理效果达到最佳。

植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置利用螺杆转动来推动物料前进，依靠植物纤维本身和螺杆之间的摩擦来实现物料的输送、密封、增压和升温。当物料到达口模出口时，物料被压实，温度由于摩擦生热而升高到一定程度。由于物料本身含有一定量水分，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，产生巨大的爆破力，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。

所述植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置在使用时，机筒内充满压力和蒸汽的物料通过口模后突然释压，过热水迅速汽化急剧膨胀，产生“爆破”效果，可部分剥离纤维细胞胞间层和初生壁，实现纤维细胞的离解。

所述植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置在使用时，第一级爆破后喷放的物料进入第二级机筒，第二级爆破后喷放的物料进入第三级机筒，第三 级处理后喷放出物料，物料经过第三级机架上的出料口排出。

所述第三级爆破单元机架上的出料口垂直向下。

本发明的每级料筒可以依据物料实时调控物料含水率，每级料筒的口模温度利用温度传感器实时监测，通过向料筒内的温控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。饱和蒸汽温度和压力成正比，即要提高压力，温度也随着增高，本装置在一定温度下，可以提高到所需要的压力，达到蒸气爆破的目的，克服压力与温度之间的矛盾。

所述每级料筒中的物料含水率可单独调控。

所述每级料筒的口模温度单独监测。

所述介质为冷却介质或者加热介质。

所述的多级螺杆，每一级的螺杆可以依据不同物料及处理效果选择螺杆类型，所有螺杆穿过花键芯轴。

所述的花键芯轴在最后一级螺杆末端处花键轴上有螺纹，通过螺母将多级螺杆压紧，实现平稳、可靠传动。

所述每一级的螺杆位于同一水平直线上，最后一级螺杆靠近出料口的一端设有轴承，主轴靠近皮带轮的一端设有轴承支撑。

本发明植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置的每级爆破单元温度、压力、供料、出料，采用可编程控制(PLC)实现机电自动控制。

本发明的植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置结构简单，效率高，产品品质好，设备利用安全可靠，能耗低，操作方便，可进行自动化、连续化大规模工业生产。

附图说明

图1为本发明的植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置的结构示意图；

图2为口模的剖面结构示意图。

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为本发明的植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置的结构示意图。植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置，其组成包括：第一机架1，第二机架14，第三机架22，第一机架1和第二机架14通过导向装置及紧固机构固定，第二机架14和第三机架22通过导向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、三级蒸汽爆破机，第一电动机2安装在第一机架1上，动力通过皮带3传递，第二电动机4和螺旋喂料器5通过支架固定在第一机架1上，料筒上开有加水孔6，用以调节物料含水率，螺旋喂料器5将物料均匀连续加至料斗7，通过料斗7进入机筒，机筒上部8和机筒下部9通过螺栓连接，便于快速拆卸、清洗、维修和保养，机筒底座用螺栓固定在第一机架1上，机筒上部8前端还装有第一热电偶10，用于实时监测温度；机筒上部8和机筒下部9开有第一控温流道11，用来对机筒前端升温和降温；螺栓12用来连接两级机筒，同时紧固口模18，第二级机筒上有可密闭式料斗13，方便添加物料，密闭时可减少水蒸汽和热量散失，实现节能，第二级料筒安装在第二机架14上，螺杆15前端为双螺旋有利于输送物料，后端为单螺旋有利于压实物料，第二级机筒温度可通过第二控温流道16调节温度，第二热电偶17用来监测口模18的温度，第二级和第三级机筒结构相同，通过花键轴19将多级螺杆连接起来，螺母20用来将花键轴19上的多级螺杆紧固，轴承及支座21起支撑花键轴19的作用，第三级机体用螺栓紧固在第三机架22上。

如图2所示，各级料筒的口模18可根据需要选择不同尺寸的组合，如相同直径不同长度、相同长度不同直径或者不同直径不同长度, 其中D₀口模的外径、L₀为口模的长度，且均为特定值；α为口模入口收敛角、d为口模平直部分直径、l为口模平直部分长度，α、d和l均为变量，依据使用需要制作不同的口模。

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 (7)

1.植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置，其特征在于：包括至少2个或2个以上依次串接的单螺杆连续式蒸汽爆破单元，所述单螺杆连续式蒸汽爆破单元包括机架、固定在机架上的机筒、水平设置于机筒内的中空螺杆，所述机筒的出料口均设置有可更换的、带锥孔的口模，所述螺杆内横穿有一根驱动螺杆旋转的花键芯轴，所述花键芯轴的左端与第一电机经皮带驱动连接，右端设置有轴承及支座，所述螺杆前端为双螺旋有利于输送物料，后端为单螺旋有利于压实物料。

2.根据权利要求1所述的植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置，其特征在于：所述螺杆可依据不同物料及处理效果选择螺杆类型，所有螺杆的轴线位于同一水平直线上，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。

3.根据权利要求1～2任一项所述的植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置，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。

4.根据权利要求3所述的植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置，其特征在于：机筒由机筒上部和机筒下部上下连接而成。

5.根据权利要求4所述的植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置，其特征在于：机筒上部和机筒下部之间通过紧固螺钉相连接、各级机筒之间由螺栓固定连接。

6.根据权利要求5所述的植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置，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。

7.根据权利要求6所述的植物纤维的多级单螺杆连续式蒸汽爆破装置，其特征在于：所述机筒上部和机筒下部都开有控温流道，用来对机筒前端升温和降温。