CN107338665B - 一种木质纤维素连续式蒸汽爆破装置及爆破方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要属于木质纤维素预处理技术领域，具体涉及一种木质纤维素连续式蒸汽爆破装置及爆破方法。所述装置包括外壳、转轴、多个爆破腔体；所述外壳为圆柱形，所述转轴设置在所述外壳的轴线上，所述爆破腔体固定设置在所述转轴的周围，所述转轴用于驱动所述爆破腔体在所述壳体内绕着所述外壳的轴线转动；在所述壳体的上部设置进料口、下部设置爆破口，并在所述壳体上设置蒸汽入口，所述蒸汽入口设置在所述进料口和所述爆破口之间；所述装置及方法能够实现进料、进蒸汽、爆破的连续化运转，缩短相邻爆破腔体之间的爆破间隙。

Description

一种木质纤维素连续式蒸汽爆破装置及爆破方法

技术领域

本发明主要属于木质纤维素预处理技术领域，具体涉及一种木质纤维素连续式蒸汽爆破装置及爆破方法。

背景技术

以木质纤维素类生物质为原料可以获取多种化学品，包括生物质燃料（乙醇、丁醇）、生物基材料、生物基化学品等。木质纤维素生物质原料中包含有纤维素、半纤维和木质素三大主要组分，其中纤维素、半纤维素是由五碳糖、六碳糖组成的多糖聚合物，木质素是有苯丙级单体组成的无定型高聚物，且三大组分交互连接形成生物质原料致密的结构，为了实现三大组分的有效分离及进一步的高效利用，通常需要通过预处理技术来破坏生物质原料固有结构。

蒸汽爆破技术主要是利用高温高压水蒸汽作为工作介质对纤维原料进行处理。高温高压的水蒸汽可以使半纤维素部分水解，同时使木质素软化、易降解，从而使纤维细胞的横向联结强度下降。高温高压的水蒸汽进入细胞空隙中，使木质纤维素原料变的柔软可塑。当已被高温高压的水蒸汽作用的木质纤维素原料在爆破设备的出口处骤然减压时，细胞空隙中的水蒸汽骤然膨胀，产生爆破效果，从而将木材撕裂成细小的纤维素束状，使纤维的表面属性发生变化，达到预处理效果。蒸汽爆破法预处理技术具有成本低、能耗少、无污染等优点，是现今研究者比较青睐的预处理技术。

当前蒸汽爆破设备主要分为间歇式和连续式蒸汽爆破设备两大类。

间歇式汽爆设备的工作原理为:主要由两部分组成, 一部分是汽爆罐, 另一部分是喷放阀。工作时, 先将物料装入汽爆罐内, 关闭阀门,通入蒸汽保压一定时间后, 快速打开喷放阀, 罐内的物料短时间内喷出, 在蒸汽压力的快速释放下使物料内部结构得到破坏,从而达到木质素和纤维素分离的目的。间歇汽爆很难实现自动、连续生产, 且投资成本高、占地面积大等, 很难在大生产中得到应用。所以现有间歇汽爆设备主要应用于实验室、生产少量的汽爆物料以及用于对汽爆工艺的研究和评估等方面。

另一种连续式蒸汽爆破设备能实现连续生产且出料质量稳定, 所以得到专家的广泛认可,成为汽爆设备生产厂家主要的研究方向。加拿大桑普达公司生产的该原理最具代表性（如图1所示）。该设备采用的是造纸工业用的连续蒸煮器原理。即采用螺杆连续进料防反喷技术(同轴喂料器）:主体由四部分组成, 即喂料器、蒸煮器、喷放器、旋风分离器。但是该设计上存在以下几方面的技术问题：（1）蒸煮期内物料的水分含量不容易控制，而汽爆物料的含水量是汽爆生产的一项重要指标, 水分的含量直接决定着出料的质量；（2）喷放阀磨损严重；（3）喷放过程中物料难实现瞬间喷放，真正的意义上的汽爆，汽爆装置的爆出口内径应与爆腔内径接近一致, 而现有汽爆设备其汽爆喷放过程中, 在喷放阀开启过程中, 喷放阀后的蒸汽夹带物料连续通过喷放阀, 不可能完全达到以上要求。因此, 现有汽爆设备不易实现真正意义上的汽爆, 能量在最短的时间内不能得到有效的释放。

并且，目前使用的很多连续式蒸汽爆破设备大多只是部分连续，还不能实现整个蒸汽爆破过程的连续化工作。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种木质纤维素连续式蒸汽爆破装置及爆破方法，本发明所述装置及方法能够实现进料、进蒸汽、喷爆连续化运转，缩短每个爆破腔体的爆破间隙，实现爆破连续处理。本发明是通过以下技术方案实现的：

一种木质纤维素连续式蒸汽爆破装置，所述装置包括外壳、转轴、多个爆破腔体；

所述外壳为圆柱形，所述转轴设置在所述外壳的轴线上，所述爆破腔体固定设置在所述转轴的周围，所述转轴用于驱动所述爆破腔体在所述壳体内绕着所述外壳的轴线转动；

在所述壳体的上部设置进料口、下部设置爆破口，并在所述壳体上设置蒸汽入口，所述蒸汽入口设置在所述进料口和所述爆破口之间；

所述装置能够实现进料、进蒸汽、爆破的连续化运转，缩短相邻爆破腔体之间的爆破间隙。

进一步地，每一个所述爆破腔体均包括一爆破腔腔体，所述爆破腔腔体与所述转轴连接的一侧封闭，与所述壳体接触的一侧开放并形成一外侧开口；并且所述爆破腔腔体的与所述壳体接触的一侧与所述壳体能够贴合密封。

进一步地，所述爆破腔腔体的截面为圆形，所述外侧开口的面积至少为所述爆破腔腔体的截面面积的80%及以上。

进一步地，当转动所述转轴以使所述爆破腔体的所述外侧开口转动到所述进料口位置时，将木质纤维素原料从所述进料口投入所述爆破腔体内部；投入的所述木质纤维素原料的质量能够根据需要进行调整。

进一步地，所述蒸汽入口与一蒸汽发生器连接，在所述蒸汽入口处设置一阀门，当所述爆破腔体转动至所述蒸汽入口位置时，打开所述阀门，以使蒸汽进入所述爆破腔体内部。

进一步地，所述爆破腔体内部设置压力传感器以检测所述爆破腔体内部的压力，当所述爆破腔体内部的压力达到预设值时，关闭所述阀门，停止蒸汽的供应。

进一步地，所述爆破腔腔体上的所述外侧开口的形状与所述爆破口的形状相同，以实现物料的瞬间喷放。

进一步地，所述爆破装置包括第一、第二、第三和第四爆破腔体，所述第一、第二、第三和第四爆破腔体沿着所述转轴均匀设置；

所述进料口和所述爆破口设置在同一直线上，所述进料口和所述爆破口分别设置在所述壳体的最顶部和最底部。

一种木质纤维素连续式蒸汽爆破方法，所述方法采用所述爆破装置进行爆破，所述方法能够实现进料、进蒸汽、爆破的连续化运转，缩短相邻两个爆破腔体之间的爆破间隙。

进一步地，所述方法具体包括以下步骤：

（1）启动所述转轴进行转动，所述第一爆破腔体随着转轴转至所述进料口，停止所述转轴的转动，将木质纤维素原料从所述进料口投入所述第一爆破腔体内部；

（2）继续转动所述转轴，所述第一爆破腔体转动至蒸汽入口位置，停止所述转轴的转动，打开蒸汽入口处的阀门，向所述第一爆破腔体内部供给蒸汽，待所述第一爆破腔体内部压力达到设定值，停止供应蒸汽；

此时，第二爆破腔体转动至所述进料口处，将木质纤维素原料从所述进料口投入所述第二爆破腔体内部；

（3）继续转动所述转轴，所述第一爆破腔体转动至所述爆破口，并使所述爆破腔腔体上的所述外侧开口与所述爆破口重合，停止所述转轴的转动，完成所述第一爆破腔体的喷爆过程；

此时，所述第二爆破腔体转动至所述蒸汽入口位置，完成蒸汽的供给过程；并且所述第三爆破腔体转动至所述进料口处，将木质纤维素原料从所述进料口投入所述第三爆破腔体内部；

（4）继续转动所述转轴，所述第二爆破腔体转动至所述爆破口，并使所述第二爆破腔腔体上的外侧开口与所述爆破口重合，停止所述转轴的转动，完成所述第二爆破腔体的喷爆过程；

此时，所述第三爆破腔体转动至所述蒸汽入口位置，完成蒸汽的供给的过程；并且此时所述第四爆破腔体转动至所述进料口处，将木质纤维素原料从所述进料口投入所述第四爆破腔体内部；

（5）继续转动所述转轴，所述第一爆破腔体随着转轴转至所述进料口，重复步骤（1）-（4），以实现进料、进蒸汽、爆破的连续化运转，缩短相邻两个爆破腔体之间的爆破间隙。

本发明的有益技术效果：

（1）在本发明中，在爆破腔体体积一定的情况下，爆破腔体内的水分来源包括物料和加入的蒸汽两部分，只要控制好物料中的水分含量，同时控制蒸汽的通入量，就能够保证爆破轻体内的压力一定，使爆破腔体内蒸汽为饱和状态且温度不变，无论外界条件如何变化，物料中的水分含量都不会发生大的变化，因此，本发明所述装置能够对物料中水分实现控制，从而提高了出料的质量。

（2）在本发明中，所述爆破腔腔体的截面为圆形，所述外侧开口的面积至少为所述爆破腔腔体的截面面积的80%及以上，并且爆破腔室外壳上的外侧出口与该装置外壳上的爆破口的形状一致，爆破时，将所述外侧出口和所述爆破口重合，能够实现物料的瞬间喷放，能够在最短的时间内实现爆破腔内能量的有效释放；并且，能够完全避免了现有设备中喷放阀磨损严重的问题。

（3）本发明所述装置能够实现进料、进蒸汽、喷爆连续化运转，缩短每个爆破腔体的爆破间隙，实现爆破连续处理。

附图说明

图1为现有技术中连续式蒸汽爆破设备；

图2为本发明实施例1中连续式蒸汽爆破装置截面示意图；

图3为本发明实施例1中连续式蒸汽爆破装置侧面示意图。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

一种木质纤维素连续式蒸汽爆破装置，如图2和3所示，所述装置包括外壳1、转轴2、多个爆破腔体；所述外壳1为圆柱形，所述转轴2设置在所述外壳1的轴线上，所述爆破腔体固定设置在所述转轴2的周围，所述转轴2用于驱动所述爆破腔体在所述壳体1内绕着所述外壳1的轴线转动；在所述壳体1的上部设置进料口4、下部设置爆破口6，并在所述壳体上设置蒸汽入口5，所述蒸汽入口5设置在所述进料口4和所述爆破口6之间；所述装置能够实现进料、进蒸汽、爆破的连续化运转，缩短相邻爆破腔体之间的爆破间隙。

每一个所述爆破腔体均包括一爆破腔腔体，所述爆破腔腔体与所述转轴2连接的一侧封闭，与所述壳体接触的一侧开放并形成一外侧开口；并且所述爆破腔腔体的与所述壳体1接触的一侧与所述壳体（除设置进料口4、爆破口6、蒸汽入口5之外的其余部分壳体）能够贴合密封。

已知，在汽爆工艺中，为了防止植物组织内可容汽孔隙被液体侵占，众所周知，液体不可压缩，只有汽体才能够压缩，若物料内部含水率过高，植物细胞孔隙会被液态水充盈，从而影响汽体进入植物组织的量，由于汽爆物内部缺乏汽体膨胀介质，导致汽体物无能量汽支持，因此不能够实现爆能量高效转换。因此，物料含水量对出料的质量具有很大的影响。

在本实施例中，所述爆破腔腔体上的所述外侧开口的形状与所述爆破口的形状相同，以实现物料的瞬间喷放。所述爆破腔腔体的截面为圆形，所述外侧开口的面积至少为所述爆破腔腔体的截面面积的80%及以上（在本实施例中，所述外侧开口的面积为所述爆破腔腔体的截面面积的90%）。将所述外侧开口的形状与所述爆破口的形状相同的优点为：所述爆破腔腔体的截面为圆形，所述外侧开口的面积至少为所述爆破腔腔体的截面面积的80%及以上，并且爆破腔室外壳上的外侧出口与该装置外壳上的爆破口的形状一致，爆破时，将所述外侧出口和所述爆破口重合，能够实现物料的瞬间喷放，能够在最短的时间内实现爆破腔内能量的有效释放；并且，能够完全避免了现有设备中喷放阀磨损严重的问题。

当转动所述转轴2以使所述爆破腔体的所述外侧开口转动到所述进料口4位置时，将木质纤维素原料从所述进料口4投入所述爆破腔体内部；投入的所述木质纤维素原料的质量能够根据需要进行调整。

所述蒸汽入口5与一蒸汽发生器连接，在所述蒸汽入口处设置一阀门，当所述爆破腔体转动至所述蒸汽入口5位置时，打开所述阀门，以使蒸汽进入所述爆破腔体内部。所述爆破腔体内部设置压力传感器以检测所述爆破腔体内部的压力，当所述爆破腔体内部的压力达到预设值时，关闭所述阀门，停止蒸汽的供应。

在爆破腔体体积一定的情况下，爆破腔体内的水分来源包括物料和加入的蒸汽两部分，只要控制好物料中的水分含量，同时控制蒸汽的通入量，就能够保证爆破轻体内的压力一定，使爆破腔体内蒸汽为饱和状态且温度不变，无论外界条件如何变化，物料中的水分含量都不会发生大的变化，因此，本发明所述装置能够对物料中水分实现控制，从而提高了出料的质量。

在本实施例中，所述爆破装置包括第一爆破腔体3-1、第二爆破腔体3-2、第三爆破腔体3-3和第四爆破腔体3-4，第一爆破腔体3-1、第二爆破腔体3-2、第三爆破腔体3-3和第四爆破腔体3-4沿着所述转轴均匀设置；

所述进料口4和所述爆破口6设置在同一直线上，所述进料口4和所述爆破口6分别设置在所述壳体1的最顶部和最底部。

并且，为了避免蒸汽的浪费，可以在爆破口出口处，设置蒸汽回收利用装置，将回收后的蒸汽二次利用。

实施例2

一种木质纤维素连续式蒸汽爆破方法，所述方法采用实施例1所述爆破装置进行爆破，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

（1）启动所述转轴进行转动，所述第一爆破腔体随着转轴转至所述进料口，停止所述转轴的转动，将木质纤维素原料从所述进料口投入所述第一爆破腔体内部；

（2）继续转动所述转轴，所述第一爆破腔体转动至蒸汽入口位置，停止所述转轴的转动，打开蒸汽入口处的阀门，向所述第一爆破腔体内部供给蒸汽，待所述第一爆破腔体内部压力达到设定值，停止供应蒸汽；

此时，第二爆破腔体转动至所述进料口处，将木质纤维素原料从所述进料口投入所述第二爆破腔体内部；

（3）继续转动所述转轴，所述第一爆破腔体转动至所述爆破口，并使所述爆破腔腔体上的所述外侧开口与所述爆破口重合，停止所述转轴的转动，完成所述第一爆破腔体的喷爆过程；

此时，所述第二爆破腔体转动至所述蒸汽入口位置，完成蒸汽的供给过程；并且所述第三爆破腔体转动至所述进料口处，将木质纤维素原料从所述进料口投入所述第三爆破腔体内部；

（4）继续转动所述转轴，所述第二爆破腔体转动至所述爆破口，并使所述第二爆破腔腔体上的外侧开口与所述爆破口重合，停止所述转轴的转动，完成所述第二爆破腔体的喷爆过程；

此时，所述第三爆破腔体转动至所述蒸汽入口位置，完成蒸汽的供给的过程；并且此时所述第四爆破腔体转动至所述进料口处，将木质纤维素原料从所述进料口投入所述第四爆破腔体内部；

（5）继续转动所述转轴，所述第一爆破腔体随着转轴转至所述进料口，重复步骤（1）-（4），以实现进料、进蒸汽、爆破的连续化运转，缩短相邻两个爆破腔体之间的爆破间隙。

Claims (9)

1.一种木质纤维素连续式蒸汽爆破装置，其特征在于，所述装置包括壳体、转轴、多个爆破腔体；

所述壳体为圆柱形，所述转轴设置在所述壳体的轴线上，所述爆破腔体固定设置在所述转轴的周围，所述转轴用于驱动所述爆破腔体在所述壳体内绕着所述壳体的轴线转动；每一个所述爆破腔体均包括一爆破腔腔体，所述爆破腔腔体与所述转轴连接的一侧封闭，与所述壳体接触的一侧开放并形成一外侧开口；并且所述爆破腔腔体的与所述壳体接触的一侧与所述壳体能够贴合密封；

在所述壳体的上部设置进料口、下部设置爆破口，并在所述壳体上设置蒸汽入口，所述蒸汽入口设置在所述进料口和所述爆破口之间；

所述装置能够实现进料、进蒸汽、爆破的连续化运转，缩短相邻爆破腔体之间的爆破间隙。

2.根据权利要求1所述一种木质纤维素连续式蒸汽爆破装置，其特征在于，所述爆破腔腔体的截面为圆形，所述外侧开口的面积至少为所述爆破腔腔体的截面面积的80%及以上。

3.根据权利要求1所述一种木质纤维素连续式蒸汽爆破装置，其特征在于，当转动所述转轴以使所述爆破腔体的所述外侧开口转动到所述进料口位置时，将木质纤维素原料从所述进料口投入所述爆破腔体内部；投入的所述木质纤维素原料的质量能够根据需要进行调整。

4.根据权利要求1所述一种木质纤维素连续式蒸汽爆破装置，其特征在于，所述蒸汽入口与一蒸汽发生器连接，在所述蒸汽入口处设置一阀门，当所述爆破腔体转动至所述蒸汽入口位置时，打开所述阀门，以使蒸汽进入所述爆破腔体内部。

5.根据权利要求4所述一种木质纤维素连续式蒸汽爆破装置，其特征在于，所述爆破腔体内部设置压力传感器以检测所述爆破腔体内部的压力，当所述爆破腔体内部的压力达到预设值时，关闭所述阀门，停止蒸汽的供应。

6.根据权利要求1所述一种木质纤维素连续式蒸汽爆破装置，其特征在于，所述爆破腔腔体上的所述外侧开口的形状与所述爆破口的形状相同，以实现物料的瞬间喷放。

7.根据权利要求1所述一种木质纤维素连续式蒸汽爆破装置，其特征在于，所述爆破装置包括第一、第二、第三和第四爆破腔体，所述第一、第二、第三和第四爆破腔体沿着所述转轴均匀设置；

所述进料口和所述爆破口设置在同一直线上，所述进料口和所述爆破口分别设置在所述壳体的最顶部和最底部。

8.一种木质纤维素连续式蒸汽爆破方法，所述方法采用权利要求7所述爆破装置进行爆破，其特征在于，所述方法能够实现进料、进蒸汽、爆破的连续化运转，缩短相邻两个爆破腔体之间的爆破间隙。

9.根据权利要求8所述一种木质纤维素连续式蒸汽爆破方法，所述方法采用所述爆破装置进行爆破，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

（1）启动所述转轴进行转动，所述第一爆破腔体随着转轴转至所述进料口，停止所述转轴的转动，将木质纤维素原料从所述进料口投入所述第一爆破腔体内部；

（2）继续转动所述转轴，所述第一爆破腔体转动至蒸汽入口位置，停止所述转轴的转动，打开蒸汽入口处的阀门，向所述第一爆破腔体内部供给蒸汽，待所述第一爆破腔体内部压力达到设定值，停止供应蒸汽；

此时，第二爆破腔体转动至所述进料口处，将木质纤维素原料从所述进料口投入所述第二爆破腔体内部；

（3）继续转动所述转轴，所述第一爆破腔体转动至所述爆破口，并使所述爆破腔腔体上的所述外侧开口与所述爆破口重合，停止所述转轴的转动，完成所述第一爆破腔体的喷爆过程；

此时，所述第二爆破腔体转动至所述蒸汽入口位置，完成蒸汽的供给过程；并且所述第三爆破腔体转动至所述进料口处，将木质纤维素原料从所述进料口投入所述第三爆破腔体内部；

（4）继续转动所述转轴，所述第二爆破腔体转动至所述爆破口，并使所述第二爆破腔腔体上的外侧开口与所述爆破口重合，停止所述转轴的转动，完成所述第二爆破腔体的喷爆过程；

此时，所述第三爆破腔体转动至所述蒸汽入口位置，完成蒸汽的供给的过程；并且此时所述第四爆破腔体转动至所述进料口处，将木质纤维素原料从所述进料口投入所述第四爆破腔体内部；

（5）继续转动所述转轴，所述第一爆破腔体随着转轴转至所述进料口，重复步骤（1）-（4），以实现进料、进蒸汽、爆破的连续化运转，缩短相邻两个爆破腔体之间的爆破间隙。