CN110644269B - 一种工业级自动化连续汽爆系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种工业级自动化连续汽爆系统及方法，适用大批量工业话生物质预处理、洁净煤技术使用。由电气控制系统、蒸汽发生及增压系统、汽爆系统、二次处理装置等部分组成，实现了汽爆装置大型化、自动化、安全化，可用于发酵工程、饲料产业、洁净煤技术等多个领域。电气控制系统精密度高，可实现增压、增温、定时、泄压、加料等操作的有效控制，可与计算机对接采集与分析数据，汽爆系统采用多端分别通入蒸汽与增压的设计，满足多种介质的汽爆过程，定时搅拌避免介质渗透效果差，进料口可与加料装置结合完成连续化自动加料，汽爆完成后可进行内部冲洗。设备自动化程度高、安全性好、适合工业化使用，提高产业效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽爆系统及方法统，尤其适用大批量工业话生物质预处理、洁净煤技术使用的工业级自动化连续汽爆系统及方法。
背景技术
蒸汽爆破一直以来都被应用蒸汽弹射原理实现的爆炸过程对生物质进行预处理的一种技术。将渗进植物组织内部的蒸汽分子瞬时释放完毕，使蒸汽内能转化为机械能并作用于生物质组织细胞层间，从而用较少的能量将原料按目的分解。由于其既避免了化学处理的二次污染问题，又解决了目前生物处理效率低的问题，是生物质转化领域最有前景的预处理技术。近年来随着技术进步与完善，汽爆技术及设备开始应用于化学品、环境保护、制药行业等多个领域。
从实验室级别的设备开始选择，能够保证实验与生产一致性的系列设备可供选择，确保未来取得工艺参数的可传递性是极为重要的。其次，是要考察设备的各类重要参数是否有精确的测控、计量设施，过程参数的设定及定量控制是否准确、稳定、方便，包括对蒸汽源的压力、液位等参数的测控集成都是汽爆技术与设备的重要考量。所以随着汽爆技术越来越应用于多个领域，设计开发高精度、大处理量、自动化程度高的汽爆系统具有重要意义。
发明内容
发明目的：针对上述技术问题，提供一种可满足多种介质、多个压力段的汽爆反应，可实现连续处理，对汽爆反应工业化应用具有重要意义的工业级自动化连续汽爆系统及方法。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明的一种工业级自动化连续汽爆系统，其特征在于：它包括底座支架，电气箱、蒸汽发生装置、汽爆系统、二次处理装置，其中电气箱、蒸汽发生装置和二次处理装置分别设置在底座支架上，汽爆系统设置的底部与尾料处理系统连接，蒸汽发生装置与汽爆系统之间设有多根管路相互连接；
其中汽爆系统包括筒状结构的汽爆室，汽爆室顶部设有多层密封顶盖，多层密封顶盖圆心处设有伸入汽爆室内的电动搅拌装置，多层密封顶盖上还设有压力感应单元和进水口，多层密封顶盖下方的汽爆室内设有高压冲洗组件，汽爆室底部为漏斗结构的出口，试验过程中由电动液压柱升降控制底部多级密封层开启或者关闭实现反应中的承压密封及反应结束后开启出料。汽爆室的一侧上方设有进料口，其余侧面设有多个与汽爆室内连接的蒸汽开关，蒸汽发生装置上设有蒸汽分配及加压开关，蒸汽分配及加压开关通过管路分别与所有汽爆室上的蒸汽开关相互连接；
所述二次处理装置包括缓冲层，出料口，电动液压柱，泄压阀，装置底部与底座支架之间设有减震弹簧，装置内部设有倾斜设计的缓冲层和电动液压柱，缓冲层的最低处在箱体侧面设有具有过滤分离与高压密封作用的出料口，电动液压柱的伸缩杆顶部联接有多层结构的底部多级密封层，底部多级密封层与汽爆室底部的漏斗结构出口匹配，靠近缓冲层最高端的一端与二次处理装置联接，一端通过电动液压柱电动控制升降控制底部多级密封层开启或者关闭实现反应中的承压密封及反应结束后开启出料。汽爆室底部靠近缓冲层最高端设有若干泄压阀，与汽爆室联通用于控制汽爆反应，汽爆室释放的蒸汽会瞬间进入二次处理装置形成一定压力，打开高压冲洗组件进行汽爆室内壁的清洗，冲洗后的物料与汽爆物质通过底部多级密封层光滑的上表面落入二次处理装置内部，并通过打开的出料口外层密封盖排出，经过过滤装置完成固液分离。清洗结束后开启电动液压柱进行汽爆室底部密封，同时打开进料口再次填料。
所述蒸汽发生装置需要对接增压泵控制压力，设置热电偶控制蒸汽温度；压力所述多个蒸汽开关的分布为上疏下密，围绕汽爆室周围安装，导通时对汽爆室提供蒸汽，关闭时对汽爆室进行保压。
所述进料口通过电机控制开启与密封，打开时可作为撑板对接供料装置进料口使得物料顺利进入汽爆室。
所述多层密封顶盖为多层密封结构以保持良好的气密性，在汽爆室主体安装多个压力单元，按主体高度从底部到顶部分为3个平面，平面高度分别为主体高度的15-30％、25-40％、35-50％分布，每个平面设置3-6个压力测定单元，或者需要更精确的压力控制，则可设置多个平面，均采用由底部到顶部各段分布高度依次增加的原则，每段不同压力感应器压力采集整合在一个测温采集站中，每个采集站利用以太网连接到计算机并各自显示在电气箱的压力表盘上面，保证检测到的压力数据的可靠性。
所述缓冲层为聚苯乙烯、聚氯乙烯加工而成具有疏水作用的泡沫塑料，倾斜角度40-70°，有效消除噪音和辅助冲洗装置使得物料顺利排出，电动液压柱底部及主体由防水塑料筒体密封在缓冲层中，伸缩柱由可伸缩防水保护套密封，防止液体与杂质对装置造成破坏；
一种工业级自动化连续汽爆方法，其步骤为：
a控制电动液压柱将底部多级密封层将汽爆室底部出口密封，密封后填料前需要经过打压检查是否漏气；
b打开进料口加入物料和反应介质后关闭并进行高压密封；
c启动蒸汽发生装置，并利用蒸汽分配及加压开关将加压蒸汽通过管路分配进入各个蒸汽开关蒸汽进入汽爆室达到设定压力后保压；
d整个汽爆室高度平均分为3-6个平面，压力感应单元以同一高度3-6个的数分布，实时采集不同高度段压力并发送至到电气箱进行多段压力的整合并修正得到相对准确的反应压力，弥补出现单个压力感应单元无法准确反应压力的缺陷；
e根据预设设置启动电动搅拌装置进行搅拌，每30-60s搅拌一次，搅拌时间20-50s，搅拌速率5-10r/min，以确保物料被蒸汽充分浸润；
f达到预设的汽爆反应时间后汽爆反应结束，打开泄压阀，电动液压柱带动底部密封层下降，汽爆室内结束汽爆的物料自然坠落并顺着底部多级密封层与缓冲层的倾斜角从出料口排出。
所述汽爆室内承受的最大压力为15-20MPa，并满足低压、中压、高压汽爆反应，内壁防腐蚀耐磨满足碱性介质的反应。
当汽爆室内物料排出大部分的同时，进水口打开进水，利用汽爆室内的高压冲洗组件对汽爆室内壁进行高压清洗，冲洗喷头倾斜角度30-45°，以3-12的数量平均分布在装置内同一平面。
有益效果：
本发明以精确控制反应条件、电气单元高度集约的方式实现汽爆反应工业化操控；采用底部卸料的方式，排料便捷，降低设备与能量消耗，汽爆室底部为漏斗结构，降低底部密封层的压力；本装置底部设有多级密封层通过电动液压的方式进行物料与气压密封，密封层打开时形成的倾斜角度有助于物料顺利排出；本装置设置二次处理装置对汽爆反应结束后的物料进行输送过渡。具有倾斜角度的缓冲层可以吸收部分瞬爆噪音，同时可以使得短时间来不及排出的物料随着清洗水流带出二次处理仓，对接常用的压滤或抽滤装置实现固液分离，其结构简单，使用方便，生产效率高。
附图说明
图1为本发明的工业级自动化连续汽爆系统结构示意图；
图中：1-底座及支架，2-电气箱，3-蒸汽发生装置，4-蒸汽分配及加压开关，5-汽爆室，6-蒸汽开关，7-进料口，8-层密封顶盖，9-压力感应单元，10-电动搅拌装置，11- 进水口，12-高压冲洗喷头，13-底部多级密封层，14-泄压阀，15-缓冲层，16-二次处理仓，17-出料口，18-电动液压柱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：
如图1所示，本发明的工业级自动化连续汽爆系统，包括底座支架1，电气箱2、蒸汽发生装置3、汽爆系统、二次处理装置16，其中电气箱2、蒸汽发生装置3和二次处理装置16分别设置在底座支架1上，汽爆系统设置的底部与尾料处理系统连接，蒸汽发生装置3与汽爆系统之间设有多根管路相互连接；
其中汽爆系统包括筒状结构的汽爆室5，汽爆室5顶部设有多层密封顶盖8，多层密封顶盖8圆心处设有伸入汽爆室5内的电动搅拌装置10，多层密封顶盖8上还设有压力感应单元9和进水口11，多层密封顶盖8下方的汽爆室5内设有高压冲洗组件12，汽爆室5底部为漏斗结构的出口，试验过程中由电动液压柱18升降控制底部多级密封层 13开启或者关闭实现反应中的承压密封及反应结束后开启出料。汽爆室5的一侧上方设有进料口7，其余侧面设有多个与汽爆室5内连接的蒸汽开关6，蒸汽发生装置3上设有蒸汽分配及加压开关4，蒸汽分配及加压开关4通过管路分别与所有汽爆室5上的蒸汽开关6相互连接；蒸汽发生装置3需要对接增压泵控制压力，设置热电偶控制蒸汽温度；压力所述多个蒸汽开关6的分布为上疏下密，围绕汽爆室5周围安装，导通时对汽爆室7提供蒸汽，关闭时对汽爆室7进行保压，所述进料口7通过电机控制开启与密封，打开时可作为撑板对接供料装置进料口使得物料顺利进入汽爆室5；所述多层密封顶盖 8为多层密封结构以保持良好的气密性，在汽爆室5主体安装多个压力单元，按主体高度从底部到顶部分为3个平面，平面高度分别为主体高度的15-30％、25-40％、35-50％分布，每个平面设置3-6个压力测定单元，或者需要更精确的压力控制，则可设置多个平面，均采用由底部到顶部各段分布高度依次增加的原则，每段不同压力感应器压力采集整合在一个测温采集站中，每个采集站利用以太网连接到计算机并各自显示在电气箱 2的压力表盘上面，保证检测到的压力数据的可靠性；
所述二次处理装置16包括缓冲层15，出料口17，电动液压柱18，泄压阀14，装置底部与底座支架1之间设有减震弹簧，装置内部设有倾斜设计的缓冲层15和电动液压柱18，缓冲层15的最低处在箱体侧面设有具有过滤分离与高压密封作用的出料口17，电动液压柱18的伸缩杆顶部联接有多层结构的底部多级密封层13，底部多级密封层13 与汽爆室7底部的漏斗结构出口匹配，靠近缓冲层15最高端的一端与二次处理装置联接，一端通过电动液压柱18电动控制升降控制底部多级密封层13开启或者关闭实现反应中的承压密封及反应结束后开启出料。汽爆室5底部靠近缓冲层最高端设有若干泄压阀14，与汽爆室5联通用于控制汽爆反应，汽爆室5释放的蒸汽会瞬间进入二次处理装置形成一定压力，打开高压冲洗组件12进行汽爆室5内壁的清洗，冲洗后的物料与汽爆物质通过底部多级密封层13光滑的上表面落入二次处理装置16内部，并通过打开的出料口17外层密封盖排出，经过过滤装置完成固液分离。清洗结束后开启电动液压柱 18进行汽爆室底部密封，同时打开进料口7再次填料。
一种工业级自动化连续汽爆方法，其步骤为：
a控制电动液压柱18将底部多级密封层13将汽爆室5底部出口密封，密封后填料前需要经过打压检查是否漏气；汽爆室5内承受的最大压力为15-20MPa，并满足低压、中压、高压汽爆反应，内壁防腐蚀耐磨满足碱性介质的反应；
b打开进料口7加入物料和反应介质后关闭并进行高压密封；
c启动蒸汽发生装置3，并利用蒸汽分配及加压开关4将加压蒸汽通过管路分配进入各个蒸汽开关6蒸汽进入汽爆室5达到设定压力后保压；
d整个汽爆室高度平均分为3-6个平面，压力感应单元9以同一高度3-6个的数分布，实时采集不同高度段压力并发送至到电气箱2进行多段压力的整合并修正得到相对准确的反应压力，弥补出现单个压力感应单元无法准确反应压力的缺陷；
e根据预设设置启动电动搅拌装置10进行搅拌，每30-60s定时搅拌一次，搅拌时间20-50s，搅拌速率5-10r/min，以确保物料被蒸汽充分浸润；
f达到预设的汽爆反应时间后汽爆反应结束，打开泄压阀14，电动液压柱18带动底部密封层13下降，汽爆室5内结束汽爆的物料自然坠落并顺着底部多级密封层13与缓冲层15的倾斜角从出料口16排出。
当汽爆室7内物料排出大部分的同时，进水口11打开进水，利用汽爆室7内的高压冲洗组件12对汽爆室7内壁进行高压清洗，冲洗喷头倾斜角度30-45°，以3-12的数量平均分布在装置内同一平面。
所述电气箱2为PLC电气控制柜，控制的单元为蒸汽流量控制单元，使用电控流量计，包括为电磁式流量计进行流量控制与数据采集；蒸汽通过电加热水的方式产生并实时通过热电偶采集温度数据显示在电气控制柜的仪表盘上，热电偶选用螺纹式可拆卸热电偶，设置自动升温单元，达到设定温度后保温；压力设定及分析选用高压数显式压力控制器，当各段压力达到设定压力时通过信号反馈使得气泵停止，反应装置内保压；自动清洗单元由集合在电气控制柜的开关控制清洗液的通入及设备内壁的冲洗，清洗喷头选用内螺纹式多头清洗喷嘴，密封性好、可多角度清洗，电动液压控制单元选用固定式电动液压系统；各控制单元按要求将开关设备、测量仪表、保护电器和辅助设备组装在控制柜上，正常运行时通过手动或自动开关接通或分断电路。故障或不正常运行时借助保护电器切断电路或报警。根据各个单元的运行条件设定参数后通过编程器写入PLC 存储器中完成整个系统的控制与操作。
Claims (8)
1.一种工业级自动化连续汽爆系统，其特征在于：它包括底座支架（1）、电气箱（2）、蒸汽发生装置（3）、汽爆系统、二次处理装置（16），其中电气箱（2）、蒸汽发生装置（3）和二次处理装置（16）分别设置在底座支架（1）上，汽爆系统设置的底部与尾料处理系统连接，蒸汽发生装置（3）与汽爆系统之间设有多根管路相互连接；
其中汽爆系统包括筒状结构的汽爆室（5），汽爆室（5）顶部设有多层密封顶盖（8），多层密封顶盖（8）圆心处设有伸入汽爆室（5）内的电动搅拌装置（10），多层密封顶盖（8）上还设有压力感应单元（9）和进水口（11），多层密封顶盖（8）下方的汽爆室（5）内设有高压冲洗组件（12），汽爆室（5）底部为漏斗结构的出口，试验过程中由电动液压柱（18）升降控制底部多级密封层（13）开启或者关闭实现反应中的承压密封及反应结束后开启出料；汽爆室（5）的一侧上方设有进料口（7），其余侧面设有多个与汽爆室（5）内连接的蒸汽开关（6），蒸汽发生装置（3）上设有蒸汽分配及加压开关（4），蒸汽分配及加压开关（4）通过管路分别与所有汽爆室（5）上的蒸汽开关（6）相互连接；
所述二次处理装置（16）包括缓冲层（15）、出料口（17）、电动液压柱（18）、泄压阀（14），装置底部与底座支架（1）之间设有减震弹簧，装置内部设有倾斜设计的缓冲层（15）和电动液压柱（18），缓冲层（15）的最低处在箱体侧面设有具有过滤分离与高压密封作用的出料口（17），电动液压柱（18）的伸缩杆顶部联接有多层结构的底部多级密封层（13），底部多级密封层（13）与汽爆室（5）底部的漏斗结构出口匹配，二次处理装置（16）靠近缓冲层（15）最高端的一端与二次处理装置联接，二次处理装置（16）另一端通过电动液压柱（18）电动控制升降控制底部多级密封层（13）开启或者关闭实现反应中的承压密封及反应结束后开启出料；汽爆室（5）底部靠近缓冲层最高端设有若干泄压阀（14），与汽爆室（5）联通用于控制汽爆反应，汽爆室（5）释放的蒸汽会瞬间进入二次处理装置形成一定压力，打开高压冲洗组件（12）进行汽爆室（5）内壁的清洗，冲洗后的物料与汽爆物质通过底部多级密封层（13）光滑的上表面落入二次处理装置（16）内部，并通过打开的出料口（17）外层密封盖排出，经过过滤装置完成固液分离；清洗结束后开启电动液压柱（18）进行汽爆室底部密封，同时打开进料口（7）再次填料。
2.根据权利要求1所述的工业级自动化连续汽爆系统，其特征在于：蒸汽发生装置（3）需要对接增压泵控制压力，设置热电偶控制蒸汽温度；所述多个蒸汽开关（6）的分布为上疏下密，围绕汽爆室（5）周围安装，导通时对汽爆室（5）提供蒸汽，关闭时对汽爆室（5）进行保压。
3.根据权利要求1所述的工业级自动化连续汽爆系统，其特征在于：所述进料口（7）通过电机控制开启与密封，打开时作为撑板对接供料装置进料口使得物料顺利进入汽爆室（5）。
4.根据权利要求1所述的工业级自动化连续汽爆系统，其特征在于：所述多层密封顶盖（8）为多层密封结构以保持良好的气密性，在汽爆室（5）主体安装多个压力单元，按主体高度从底部到顶部分为3个平面，平面高度分别为主体高度的15-30%、25-40%、35-50%分布，每个平面设置3-6个压力测定单元，或者需要更精确的压力控制，则可设置多个平面，均采用由底部到顶部各段分布高度依次增加的原则，每段不同压力感应器压力采集整合在一个测温采集站中，每个采集站利用以太网连接到计算机并各自显示在电气箱（2）的压力表盘上面，保证检测到的压力数据的可靠性。
5.根据权利要求1所述的工业级自动化连续汽爆系统，其特征在于：所述缓冲层（15）为聚苯乙烯、聚氯乙烯加工而成具有疏水作用的泡沫塑料，倾斜角度40-70°，有效消除噪音和辅助冲洗装置使得物料顺利排出，电动液压柱（18）底部及主体由防水塑料筒体密封在缓冲层中，伸缩柱由可伸缩防水保护套密封，防止液体与杂质对装置造成破坏。
6.一种使用权利要求1所述工业级自动化连续汽爆系统的汽爆方法，其特征在于步骤为：
a、控制电动液压柱（18）将底部多级密封层（13）将汽爆室（5）底部出口密封，密封后填料前需要经过打压检查是否漏气；
b、打开进料口（7）加入物料和反应介质后关闭并进行高压密封；
c、启动蒸汽发生装置（3），并利用蒸汽分配及加压开关（4）将加压蒸汽通过管路分配进入各个蒸汽开关（6）蒸汽进入汽爆室（5）达到设定压力后保压；
d、整个汽爆室高度平均分为3-6个平面，压力感应单元（9）以同一高度3-6个的数分布，实时采集不同高度段压力并发送至到电气箱（2）进行多段压力的整合并修正得到相对准确的反应压力，弥补出现单个压力感应单元无法准确反应压力的缺陷；
e、根据预设设置启动电动搅拌装置（10）进行搅拌，每30-60s搅拌一次，搅拌时间20-50s，搅拌速率5-10r/min，以确保物料被蒸汽充分浸润；
f、达到预设的汽爆反应时间后汽爆反应结束，打开泄压阀（14），电动液压柱（18）带动底部多级密封层（13）下降，汽爆室（5）内结束汽爆的物料自然坠落并顺着底部多级密封层（13）与缓冲层（15）的倾斜角从出料口（17）排出。
7.根据权利要求6所述的汽爆方法，其特征在于：所述汽爆室（5）内承受的最大压力为15-20MPa，并满足低压、中压、高压汽爆反应，内壁防腐蚀耐磨满足碱性介质的反应。
8.根据权利要求6所述的汽爆方法，其特征在于：当汽爆室（5）内物料排出大部分的同时，进水口（11）打开进水，利用汽爆室（5）内的高压冲洗组件（12）对汽爆室（5）内壁进行高压清洗，冲洗喷头倾斜角度30-45°，以3-12的数量平均分布在装置内同一平面。
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