CN109957982A - 一种农作物秸秆程序性爆破制浆方法 - Google Patents

一种农作物秸秆程序性爆破制浆方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种农作物秸秆程序性爆破制浆方法，包括装料、一段加热水解、二段加热水解、加热软化段、爆破分离、后续洗浆操作等步骤。本发明针对纤维组织结构疏松的不同农作物秸秆原料特点，以及副产品特性、成浆质量要求，有程序控制的升温爆破过程，可显著改善木纤维细胞的多孔性并充分发挥农作物秸秆化学组分优势，具有成浆抗张强度及环压强度都高、加工收益高、生产废料资源化利用度好等优点。

Description

一种农作物秸秆程序性爆破制浆方法
技术领域
本发明涉及一种制浆方法，尤其涉及一种农作物秸秆程序性爆破制浆方法，属于生物制浆技术领域。
背景技术
传统的造纸业存在化工原料缺乏、污染严重的问题，特别是对水环境造成的污染尤其严重，其主要污染源是化学制浆产生的废液。爆破法制浆是一种将传统化学法和机械法制浆技术的优点结合在一起的新型清洁生产技术，主要分为以下工艺：利用水蒸汽直接加热风干原料，升压后进行爆破，经旋风分离器分离后落入接收器中的“纯水蒸汽爆破制浆工艺(steam Explosion Pulpign，简称SEP)”；按不同药品用量，以适当液比配好溶液，加入SEP浆中搅拌均匀，送入爆破装置，升压后保压几分钟进行第二次爆破的“二次爆破制浆(Explosion～Chemical Treatment～Explosion Pulping，简称ECP)工艺”；利用一定浓度的化学药品，在室温下对植物纤维原料进行浸渍处理，预浸后的物料送入爆破装置，用饱和蒸汽加热，升压后进行短时间保压，然后进行爆破的“化学预浸渍爆破制浆(Chemieal～Pretreatment Explosion Pulping，简称CEP)工艺”等。
但上述制浆方法还存在以下缺陷有待解决：
1)爆破技术缺乏针对性
爆破法制浆技术的发明，源于木材原料，相关的理论和工程研究也多集中在木材原料。但与木材原料相比，农作物秸秆等禾本科植物纤维原料，不论化学组成、主要化学组分的化学结构，还是生物形态，均显现出更明显的复杂性，关于这一点，并没有在现有爆破技术研究和应用中得到足够重视，导致用于农作物秸秆的爆破法制浆技术缺乏结合原料特点的针对性。
2)没有充分发挥农作物秸秆纤维生物结构优势
农作物秸秆的主要纤维组织是分布在众多非纤维细胞中的维管组织，而维管组织又由少量的导管和分布在其周围的纤维细胞组成。因此，对于农作物秸秆原来而言，制浆所要求的“纤维分离”，实质上更应关注维管组织中的纤维细胞的分离。
虽然农作物秸秆宏观组织结构疏松，但造成这种特点的主要原因是由于特殊的植物生物形态和大量的非纤维细胞组织(如髓细胞、表皮细胞等)，富含纤维细胞的维管组织密度依然较高。而维管组织中，只有少量的导管是多孔性的，大量的纤维细胞的多孔性不及针叶材中管胞的多孔性。因此，如何利用农作物秸秆宏观组织结构疏松特性，采取针对性措施改善纤维细胞的多孔性，这对爆破法纤维分离是非常重要的。
3)没有充分发挥农作物秸秆的组分优势
农作物秸秆的各类抽出物含量和半纤维素含量远高于木材原料，这些组分在爆破法制浆过程的高温环境中均会产生不同程度的溶出，这在传统制浆理念“尽量保证碳水化合物的留着”的要求中是不愿意被接受的。因此，采用传统方法对农作物秸秆进行爆破法制浆，会尽量降低各类抽出物的含量，但这样却不能满足爆破浆“高得率”的基本要求。
然而，考虑到部分碳水化合物的溶出将有效改善木纤维细胞壁的多孔性以及原料柔软度，并且考虑到指向性溶出可利用抽出物可以作为制浆副产品的原料进而不会增加环境污染压力，等等，对于农作物秸秆而言，在爆破汽蒸过程中允许部分抽出物和半纤维素溶出就会产生积极效果。
4)纤维表面活化功能不足导致成浆质量差
目前的爆破制浆技术更多的关注点在于如何更好的分离纤维，加之目前的爆破浆适用范围有限，使得服务于纤维重组要求的爆破后纤维表面的活化程度并没有引起更多的重视。
虽然爆破法制浆的核心，是利用爆破减压过程产生的闪急蒸汽的动能，实现胞间层连接弱化条件下的纤维分离，但如果微观解析爆破过程，更有序的利用和控制闪急蒸汽的运动走向，是完全可以达到部分机械脱除胞间层木素进而使纤维表面得到活化的目的。
5)没有考虑制浆废液的资源化利用
传统爆破法制浆废液，一般被理解为污染物，采用废水处理的处理思路。但就农作物秸秆而言，其在爆破过程中的可溶出部分化学组分极其丰富，溶出量相对于木材原料也较高，同时，针对不同的农作物秸秆原料，其可溶出部分显现出鲜明的原料特征。
如果建立在对不同原料可溶出组分特性有清晰认识的基础上，完全有可能结合生物质精炼理论和技术，对爆破法制浆废液进行分部或整体的资源化重新利用。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种农作物秸秆程序性爆破制浆方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种农作物秸秆程序性爆破制浆方法，包括以下步骤：
a、将备料工段制备的合格农作物秸秆草片原料充分水化后装入爆破机；
b、向爆破机内加入一段加注液，然后对草片原料进行一段加热水解，控制加热温度在100～200℃，加热时间在5～45min，使蛋白质、果胶、淀粉这些抽出物和部分易溶半纤维素溶出，并且初步形成纤维细胞壁的多孔性；一段加热水解完成后，抽出一段水解液；
c、向爆破机内加入二段加注液，然后进行二段加热水解，控制加热温度在140～220℃，加热时间在10～40min，使大部分半纤维素溶出，并进一步改善纤维细胞壁的多孔性，使胞间层木素初步软化至橡胶态或粘流态；二段加热水解完成后，抽出二段水解液；
d、进入加热软化段，继续对机内物料升温加热，控制加热温度在140～220℃，加热时间在3～20min，使胞间层木素软化至完全粘流态，为爆破射流作用的微粒子化奠定基础，并且使物料的整体刚性降低，提高纤维柔软度，减少爆破过程的纤维破坏，还用于提高爆破机内物料热焓，为爆破提高闪急蒸汽动能奠定基础；
e、加热软化完成后，开启爆破机进行爆破分离，控制爆破压力为1.2～2.5MPa；爆破分离过程中，胞腔和细胞壁中的高温水降压汽化，瞬间产生大量的闪急蒸汽，借助闪急蒸汽高速穿过细胞壁微孔产生的射流效应，使包覆在纤维表面的粘流态胞间层木素微粒子化，脱离纤维表面或与纤维的连接强度降低；
f、进行后续洗浆操作，使木素剥离实现浆料的脱木素；收集到的粗浆用作后续造纸工艺，而提取出的高浓度废液用作制备其它副产品的原料，并且对爆破产生的闪急蒸汽经热回收系统进行热能回收。
进一步地，步骤a中农作物秸秆草片的合格标准为：长度10～200mm，无灰尘，非纤维组织含量小于原料重量的30％。
进一步地，步骤a中水化的目的是使草片各部分水分均衡，完成极性水分子对草片的充分润胀；水化工艺为水洗或汽蒸或高温水煮。
进一步地，一段加注液、二段加注液为水或药品溶液；药品为烷基磺酸钠、吐温80、H2O2、NaOH、KOH、Na2SO3、(NH4)2SO3、HCl、H2SO4中的一种或任意多种的组合；药品的加入量占原料绝干重量的0～15％。
进一步地，一段水解液的资源化利用方向包括沼气、堆肥、饲料酵母的生产；二段水解液的资源化利用方向包括工业酒精、木糖及其衍生物木糖醇、糠醛的生产。
进一步地，一段加热水解及二段加热水解的加热方式为蒸汽直接加热或间接加热；加热软化段的加热方式为蒸汽直接加热。
进一步地，步骤e中物料在进入爆破分离之前，需调整物料含水量在20～60％，并保证水分在物料生物结构中的分布是均匀的。
进一步地，农作物秸秆为玉米秸秆、稻草秸秆、麦草秸秆、芦苇秸秆、棉杆秸秆或其它纤维组织结构疏松的禾本科植物纤维原料。
本发明专门针对纤维组织结构疏松的禾本科植物制浆原料而开发，可显著改善木纤维细胞的多孔性并充分发挥农作物秸秆化学组分优势，具有成浆抗张强度及环压强度都高、加工收益高、生产废料资源化利用度好等优点。
附图说明
图1为本发明的主要工作流程示意图。
图2为实施例一的整体流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明中一种农作物秸秆程序性爆破制浆方法，包括以下步骤：
a、将备料工段制备的合格农作物秸秆草片原料充分水化后装入爆破机；水化的目的是使草片各部分水分均衡，完成极性水分子对草片的充分润胀；水化工艺为水洗或汽蒸或高温水煮。农作物秸秆草片的合格标准为：长度10～200mm，无灰尘，非纤维组织含量小于原料重量的30％。
b、向爆破机内加入一段加注液，然后对草片原料进行一段加热水解，控制加热温度在100～200℃，加热时间在5～45min，使蛋白质、果胶、淀粉这些抽出物和部分易溶半纤维素溶出，并且初步形成纤维细胞壁的多孔性；一段加热水解完成后，抽出一段水解液，用于沼气、堆肥、饲料酵母的生产等资源化利用方向；
c、向爆破机内加入二段加注液，然后进行二段加热水解，控制加热温度在140～220℃，加热时间在10～40min，使大部分半纤维素溶出，并进一步改善纤维细胞壁的多孔性，使胞间层木素初步软化至橡胶态或粘流态；二段加热水解完成后，抽出二段水解液，用于工业酒精、木糖及其衍生物木糖醇、糠醛的生产等资源化利用方向。
上述一段加注液、二段加注液为水或药品溶液；药品为烷基磺酸钠、吐温80、H2O2、NaOH、KOH、Na2SO3、(NH4)2SO3、HCl、H2SO4中的一种或任意多种的组合；药品的加入量占原料绝干重量的0～15％。一段加热水解及二段加热水解的加热方式可以选用蒸汽直接加热或间接加热。
d、进入加热软化段，继续对机内物料升温加热，加热方式为蒸汽直接加热；控制加热温度在140～220℃，加热时间在3～20min，使胞间层木素软化至完全粘流态，为爆破射流作用的微粒子化奠定基础，并且使物料的整体刚性降低，提高纤维柔软度，减少爆破过程的纤维破坏，还提高了爆破机内物料热焓，为爆破提高闪急蒸汽动能奠定基础；
e、加热软化完成后，调整物料含水量在20～60％，并保证水分在物料生物结构中的分布是均匀的，然后开启爆破机进行爆破分离；控制爆破压力为1.2～2.5MPa；爆破分离过程中，胞腔和细胞壁中的高温水降压汽化，瞬间产生大量的闪急蒸汽，借助闪急蒸汽高速穿过细胞壁微孔产生的射流效应，使包覆在纤维表面的粘流态胞间层木素微粒子化，脱离纤维表面或与纤维的连接强度降低；
f、进行后续洗浆操作，使木素剥离实现浆料的脱木素；收集到的粗浆用作后续造纸工艺，而提取出的高浓度废液用作制备其它副产品的原料，并且对爆破产生的闪急蒸汽经热回收系统进行热能回收。
本发明方法中的农作物秸秆为玉米秸秆、稻草秸秆、麦草秸秆、芦苇秸秆、棉杆秸秆或其它纤维组织结构疏松的禾本科植物纤维原料。
下面通过具体实施例对本发明的实施方式作一步说明。
实施例一、
本实施例中，使用玉米秸秆原料，经爆破机内的一段加热水解段、二段加热水解段、加热软化段等三段程序分开加热，再爆破分离机内物料制备本色卫生纸生产用粗浆，具体工艺流程见图2。
玉米秸秆原料经开包、切断、筛选、风选等干法备料过程后，制成合格草片，经格仓给料器，送汽蒸横管进行预汽蒸并调整水分，再经预汽蒸仓暂存送入爆破机；一段加注液为温度为80℃以上的清水，一段加注后机内物料干度5～25％；干法备料系统产生的固体废物送沼气发生器；
爆破机内一段加热水解采用蒸汽直接加热，加热时间10～20min，加热温度130～140℃，水解后抽提出浸提液作为沼气生产的原料，抽提后机内物料干度25～55％；一段抽提后加入的二段加注液为温度为120℃以上的清水，二段加注后机内物料干度5～25％；
爆破机内二段加热水解采用蒸汽直接加热，加热时间10～35min，加热温度140～180℃，抽提出二段水解液作为木糖系列产品生产的原料，抽提后机内物料干度40～60％；
爆破机内加热软化段采用蒸汽直接加热，时间5～20min，加热温度180～220℃。加热软化段完成后开启爆破机爆破阀，完成爆破分离，制备出粗浆。
爆破后的粗浆经逆流洗涤提取的废液，作为生产沼气或制作有机肥的原料；
洗涤完成的纤维浆料，经粗磨、筛分、精磨等后续纤维分离工艺过程，制成满足本色卫生纸生产要求的成浆；
爆破分离及水解液抽提产生的闪急蒸汽，经热回收系统回收热量。
下面以除髓率为25％的玉米秸秆为例，对本发明实施后的技术效果进行补充说明。
根据本发明的爆破制浆方法，除髓率为25％的玉米秸秆在不加入化学药品且相同最高温度水蒸气加热爆破条件下，与传统爆破法制浆相比，具有以下技术优势：
1、成浆质量比较
根据本发明制浆工艺得到的成浆抗张强度可提高25％以上，环压强度可提高20％以上，具体实验数据参数见表1。
表1
2、制浆成本比较
由于本发明采用了分段式程序控制汽蒸过程，因此汽蒸时间更长，制浆得率下降，蒸汽消耗增加，会造成相应的制浆成本提高，其一方面较传统爆破法制浆提高幅度达500元/吨浆左右，但另一方面，在不考虑制浆废液可资源化利用节约废水处理成本，制浆废液作为原料资源可生产副产品产生的收益的背景下，仅就本发明导致的产品质量提高而言，其适用范围从包装纸板系列可以扩展到生活用纸系列，成纸附加值提高了3000元/吨纸以上(高强瓦楞原纸售价2500～3500元/吨，本色卫生纸售价6500元/吨以上)，扣除抄纸过程增加的相关费用，成浆附加值也起码提高了2000元/吨浆以上。由此可以判断，本发明制浆方法与传统蒸汽爆破法制浆相比，其经济收益起码高出2000-500＝1500元/吨浆以上。
3、环境影响比较
传统蒸汽爆破制浆方法的制浆废液，一般采用“厌氧+好氧结合的场内三级生化处理技术”进行处理，而本发明的制浆浓废液由于采用了分段抽提的措施，使其可进行不同方向的资源化利用，污染物的75％以上可以被利用，而剩余的含有少量污染物的制浆废水，一方面被处理水量大幅下降，另一方面处理流程及技术难度均大幅下降，可以满足国家废水处理要求。
以稻草程序爆破制浆过程为例，在不外加任何化学药品的前提下，一段加热水解抽出的水解液含有丰富的蛋白质、果胶、淀粉、易溶半纤维素等降解产物，可与干法备料固体废物混合进行堆肥处理制备有机肥，也可以与备料固体废物混合生产沼气。二段加热水解抽出的水解液，含有高纯度半纤维素降解单糖，水解液总还原糖浓度可达5.5％，还原糖纯度50.6％，其中木糖比例高达80％以上，可以作为木糖及其衍生物产品生产原料。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种农作物秸秆程序性爆破制浆方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
a、将备料工段制备的合格农作物秸秆草片原料充分水化后装入爆破机；
b、向爆破机内加入一段加注液，然后对草片原料进行一段加热水解，控制加热温度在100～200℃，加热时间在5～45min，使蛋白质、果胶、淀粉这些抽出物和部分易溶半纤维素溶出，并且初步形成纤维细胞壁的多孔性；一段加热水解完成后，抽出一段水解液；
c、向爆破机内加入二段加注液，然后进行二段加热水解，控制加热温度在140～220℃，加热时间在10～40min，使大部分半纤维素溶出，并进一步改善纤维细胞壁的多孔性，使胞间层木素初步软化至橡胶态或粘流态；二段加热水解完成后，抽出二段水解液；
d、进入加热软化段，继续对机内物料升温加热，控制加热温度在140～220℃，加热时间在3～20min，使胞间层木素软化至完全粘流态，为爆破射流作用的微粒子化奠定基础，并且使物料的整体刚性降低，提高纤维柔软度，减少爆破过程的纤维破坏，还用于提高爆破机内物料热焓，为爆破提高闪急蒸汽动能奠定基础；
e、加热软化完成后，开启爆破机进行爆破分离，控制爆破压力为1.2～2.5MPa；爆破分离过程中，胞腔和细胞壁中的高温水降压汽化，瞬间产生大量的闪急蒸汽，借助闪急蒸汽高速穿过细胞壁微孔产生的射流效应，使包覆在纤维表面的粘流态胞间层木素微粒子化，脱离纤维表面或与纤维的连接强度降低；
f、进行后续洗浆操作，使木素剥离实现浆料的脱木素；收集到的粗浆用作后续造纸工艺，而提取出的高浓度废液用作制备其它副产品的原料，并且对爆破产生的闪急蒸汽经热回收系统进行热能回收。
2.根据权利要求1所述的农作物秸秆程序性爆破制浆方法，其特征在于：所述步骤a中农作物秸秆草片的合格标准为：长度10～200mm，无灰尘，非纤维组织含量小于原料重量的30％。
3.根据权利要求2所述的农作物秸秆程序性爆破制浆方法，其特征在于：所述步骤a中水化的目的是使草片各部分水分均衡，完成极性水分子对草片的充分润胀；水化工艺为水洗或汽蒸或高温水煮。
4.根据权利要求3所述的农作物秸秆程序性爆破制浆方法，其特征在于：所述一段加注液、二段加注液为水或药品溶液；所述药品为烷基磺酸钠、吐温80、H2O2、NaOH、KOH、Na2SO3、(NH4)2SO3、HCl、H2SO4中的一种或任意多种的组合；所述药品的加入量占原料绝干重量的0～15％。
5.根据权利要求4所述的农作物秸秆程序性爆破制浆方法，其特征在于：所述一段水解液的资源化利用方向包括沼气、堆肥、饲料酵母的生产；所述二段水解液的资源化利用方向包括工业酒精、木糖及其衍生物木糖醇、糠醛的生产。
6.根据权利要求5所述的农作物秸秆程序性爆破制浆方法，其特征在于：所述一段加热水解及二段加热水解的加热方式为蒸汽直接加热或间接加热；所述加热软化段的加热方式为蒸汽直接加热。
7.根据权利要求6所述的农作物秸秆程序性爆破制浆方法，其特征在于：所述步骤e中物料在进入爆破分离之前，需调整物料含水量在20～60％，并保证水分在物料生物结构中的分布是均匀的。
8.根据权利要求7述的农作物秸秆程序性爆破制浆方法，其特征在于：所述农作物秸秆为玉米秸秆、稻草秸秆、麦草秸秆、芦苇秸秆、棉杆秸秆或其它纤维组织结构疏松的禾本科植物纤维原料。
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