CN209352878U - 一种油菜秸秆资源化全质利用装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及生物化工领域，具体为一种油菜秸秆资源化全质利用装置。该装置包括锤式粉碎机（1）、螺旋热水洗涤器（3）、挤干机（4）、螺杆挤压闪蒸喷爆器（6）、提取机（9）和提取液膜组（10）；其中锤式粉碎机（1）通过皮带输送机一（2）与螺旋热水洗涤器（3）连接；螺旋热水洗涤器（3）与挤干机（4）连接；挤干机（4）通过皮带输送机二（5）与螺杆挤压闪蒸喷爆器（6）连接，螺杆挤压闪蒸喷爆器（6）依次通过泵一（7）、提取机（9）、高浓磨磨浆机（8）和提取液膜组（10）连接。该装置能够解决当前植物乙醇目标产物单一原料中其他成分未能被充分利用造成成本高、污染环境、不能大型工业化生产等问题。

Description

一种油菜秸秆资源化全质利用装置

技术领域

本实用新型涉及生物化工领域，具体为一种油菜秸秆资源化全质利用装置。

背景技术

随着生物质能源利用技术的发展，农作物秸秆已成为重要的生物质能资源。我国是世界第二大油菜种植国，油菜种植面积和油菜籽产量约占世界总量的20％。2013年我国油菜种植面积约为750万hm2，油菜籽产量达1400万t以上。种植油菜可在获得油菜籽的同时产生大量的油菜秸秆，因此，我国的油菜秸秆资源十分丰富。油菜秸秆中的纤维素含量比水稻、小麦秸秆中含量还高，油菜秸秆与水稻秸秆、小麦秸秆的组成如下表所示：

从表中的分析结果可以看出，不同种类秸秆的组分含量差异较大。3种秸秆中油菜秸秆的纤维素含量最高，在杆部含量高达52.99％，木质素含量也有较大的差异：油菜秸秆和小麦秸秆的木质素含量差异较小，也说明油菜秸秆含有较多纤维素，可用来发酵制备乙醇或造纸；其中半纤维素含量仍有20％左右，可用来制取木糖。油菜秸秆外表皮致密光滑，含有脂肪、蜡等弱介质层；整体容重0.3068g/cm～3。其主要化学成份(纤维素、半纤维素、木质素)接近于玉米杆、芦苇两种常见禾本科植物和杨木阔叶材。以2013年为例，油菜秸秆资源量仅四川省的可收集量为828万t。目前，油菜秆除少量作为粗饲料外，大部分被废弃或随意焚烧，严重污染了环境，造成巨大的资源浪费。若将其资源化、能源化利用，实现产业化发展，就能达到双赢的效果。

申请号201110244212.0“一种油菜杆纸浆的制备方法”公开了一种油菜杆纸浆的制备方法，该方法中记载以油菜杆、水、水蒸气、蒸煮液为原料，采用干湿法备料和横管连蒸技术生产油菜杆纸浆，通过油菜杆→切割机→水力碎草机→斜螺旋脱水机→销鼓计量器→预汽蒸螺旋→T型管→蒸煮管→卸料器→喷放锅提取等工序后制得成品，该生产方法的优点是：利用造纸通用设备，设备投资少、工艺简单、经济效益好、环境污染小、纸浆白度高、稳定性好且将油菜杆变废为宝，利国利民，生产的油菜杆纸浆是造纸的好原料。有关油菜秸秆提取木糖及发酵制乙醇的方法尚未见报道。

油菜秸秆是由纤维素、半纤维素、木质素等相互交织、结构复杂的功能超分子体。但目前众多关于纤维素乙醇的研究，主要考虑如何将原料中的纤维素部分高效转化为乙醇，使其产量最大化，较少考虑木质素等组分的高效利用。由于目标产品单一，导致纤维素乙醇产业难以突破技术经济关，不能实现大规模的产业化生产。此外，由于原料中其他成分未能被充分利用，在造成资源严重浪费的同时，造成环境污染并使生产成本增加，因而造成秸秆发酵制乙醇成本太高，不能大规模实现工业化生产。

发明内容

本实用新型主要目的是针对上述问题，提供一种油菜秸秆资源化全质利用装置。采用该装置，可解决当前植物乙醇目标产物单一原料中其他成分未能被充分利用造成成本高、污染环境、不能大型工业化生产等问题。

为了实现以上发明目的，本实用新型的具体技术方案为：

一种油菜秸秆资源化全质利用装置，包括锤式粉碎机、螺旋热水洗涤器、挤干机、螺杆挤压闪蒸喷爆器、提取机和提取液膜组；其中，锤式粉碎机可将油菜秸秆粉碎至长度1-3cm，再经过除尘机去掉杂质和泥土，锤式粉碎机通过皮带输送机一与螺旋热水洗涤器连接，螺旋热水洗涤器洗去残留的泥土和水溶性色素物质，并将油菜秸秆进行软化；螺旋热水洗涤器与挤干机连接，通过挤干机使物料含水量为40-60wt％；挤干机通过皮带输送机二与螺杆挤压闪蒸喷爆器连接，利用螺杆挤压闪蒸喷爆器中的螺杆挤出机搓揉挤出物料并在螺杆挤出机的推动下向前移动推，由出口处喷出闪爆；控制温度140-220℃、压力1.4-3.0MPa、停留时间80s～150s；获得含木糖的喷爆物料；螺杆挤压闪蒸喷爆器依次通过泵一、提取机、高浓磨磨浆机和提取液膜组连接，即将喷爆物料用水配制成15～25wt％浓度的浆料，用泵一送入高浓磨磨浆机进行磨浆；再将磨好的浆料在提取机中用60-90℃热水进行逆流提取，再将提取液送至提取液膜组得到质量浓度为25％左右的木糖液，同时将纤维浆料压干至含水量50-60％。

作为优选，该装置还包括配料釜、混合器、连续水解器、压滤机、水解发酵罐和精馏塔；其中，提取液膜组与配料釜连接；配料釜与混合器连接；混合器通过泵二和连续水解器连接，连续水解器与压滤机连接，压滤机与水解发酵罐连接，水解发酵罐通过离心机与乙醇储罐连接，乙醇储罐通过泵三与精馏塔连接。该装置将前述得到的纤维浆料在配料釜中配成质量浓度为20-30％的纤维浆，同时在混合器中与质量浓度为1-2％的稀硫酸混合；经泵二打至连续水解器进行水解，水解后的物料通过压滤机压滤，压滤液与中提取液合并送至膜组，压滤机得到的滤渣进入水解发酵罐进行木质纤维素的酶解和葡萄糖的发酵，发酵液通过离心机分离，得到的乙醇发酵液进入乙醇储罐再用泵三打至精馏塔，得到植物乙醇。

作为优选，该装置还包括有机复合肥生产装置，储槽和膜处理器；离心机与有机复合肥生产装置连接；精馏塔与储槽连接后再通过泵四与膜处理器连接。离心机分出的滤渣通过有机复合肥生产装置用于生产有机复合肥；精馏塔底废液流入储槽再通过泵四打至膜处理器处理后水回用。

作为优选，所述的螺旋热水洗涤器为斜双斜螺旋结构，在螺旋热水洗涤器的上部设置水进入口，在其下方设置油菜秸秆进入口和洗涤水出口，水由上部进入，油菜秸秆由下方进入，螺旋热水洗涤器的外部设有夹套，通入蒸汽维持温度。螺旋热水洗涤器下部的洗涤水出口通过斜管沉降器沉降后与沉淀池连接，沉淀池通过泵五与螺旋热水洗涤器上部的进水口连接，用于洗涤原料。

作为优选，所述的挤干机为单螺旋挤干机。

作为优选，所述的螺杆挤压闪蒸喷爆器为变距螺杆挤压闪蒸喷爆器，利用螺杆挤出物料并在螺杆挤出机的推动下向前移动推，由出口处喷出闪爆。

作为优选，所述的提取液膜组依次由超滤膜、纳滤膜和反渗透膜组成，提取液膜组的出水口与提取机的进水口连接。

作为优选，所述的离心机为卧螺离心机，分出的发酵液送至精馏塔。

作为优选，所述精馏塔底部废液流入储槽，再由泵打至废水处理膜组，透过水返回水解发酵罐，循环再用。

本实用新型的积极效果体现在：

(一)、在秸秆同步糖化发酵过程中，由于纤维素酶解后生成的葡萄糖被同步发酵，消除葡萄糖对纤维素酶反应速率的反馈抑制影响，增强水解效率，降低酶的投入量，减少生产成本。同步酶解发酵工艺与传统的分步酶解发酵工艺相比，可提高收得率20％～30％，减少用水量30％。

(2)可实现对油菜秆资源的充分、有效利用，对油菜秆采用绿色爆破法制浆同时提取木糖后，进而发酵制备乙醇，从而降低纤维素乙醇产业化成本，既充分利用资源，又减少了对环境的污染。

附图说明

图1为本实用新型中所述油菜秸秆资源化全质利用装置的连接关系示意图。

图2为螺旋热水洗涤器中洗涤水的回收装置连接示意图。

图3为废水通过膜组件的连接示意图。

其中，1——锤式粉碎机、2——皮带输送机一、3——螺旋热水洗涤器、4——挤干机、5——皮带输送机二、6——螺杆挤压闪蒸喷爆器、7——泵一、8——高浓磨磨浆机、9——提取机、10——提取液膜组、11——配料釜、12——混合器、13——泵二、14——连续水解器、15——压滤机、16——水解发酵罐、17——离心机、18——乙醇储罐、19——泵三、20——精馏塔、21——储槽、22——泵四、23——膜组件、3-1——斜管沉降器、3-2——沉淀池、3-3——泵五。

具体实施方式

为了使本实用新型的发明内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本实用新型中所述的装置做进一步的阐述。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于下述实施例。

一种油菜秸秆资源化全质利用装置，如图1所示，其包括锤式粉碎机、螺旋热水洗涤器、挤干机、螺杆挤压闪蒸喷爆器、提取机和提取液膜组；其中，锤式粉碎机可将油菜秸秆粉碎至长度1-3cm，再经过除尘机去掉杂质和泥土，锤式粉碎机通过皮带输送机一与螺旋热水洗涤器连接，螺旋热水洗涤器洗去残留的泥土和水溶性色素物质，并将油菜秸秆进行软化；螺旋热水洗涤器与挤干机连接，通过挤干机使物料含水量为40-60wt％；挤干机通过皮带输送机二与螺杆挤压闪蒸喷爆器连接，利用螺杆挤压闪蒸喷爆器中的螺杆挤出机搓揉挤出物料并在螺杆挤出机的推动下向前移动推，由出口处喷出闪爆；控制温度140-220℃、压力1.4-3.0MPa、停留时间80s～150s；获得含木糖的喷爆物料；螺杆挤压闪蒸喷爆器依次通过泵一、提取机、高浓磨磨浆机和提取液膜组连接，即将喷爆物料用水配制成15～25wt％浓度的浆料，用泵一送入高浓磨磨浆机进行磨浆；再将磨好的浆料在提取机中用60-90℃热水进行逆流提取，再将提取液送至提取液膜组得到质量浓度为25％左右的木糖液，同时将纤维浆料压干至含水量50-60％。

该装置还包括配料釜、混合器、连续水解器、压滤机、水解发酵罐和精馏塔；其中，提取液膜组与配料釜连接；配料釜与混合器连接；混合器通过泵二和连续水解器连接，连续水解器与压滤机连接，压滤机与水解发酵罐连接，水解发酵罐通过离心机与乙醇储罐连接，乙醇储罐通过泵三与精馏塔连接。该装置将前述得到的纤维浆料在配料釜中配成质量浓度为20-30％的纤维浆，同时在混合器中与1-2％的硫酸混合；经泵二打至连续水解器进行水解，水解后的物料通过压滤机压滤，压滤液与中提取液合并送至膜组，压滤机得到的滤渣进入水解发酵罐进行木质纤维素的酶解和葡萄糖的发酵，发酵液通过离心机分离，得到的乙醇发酵液进入乙醇储罐再用泵三打至精馏塔，得到植物乙醇。

作为优选，该装置还包括有机复合肥生产装置，储槽和膜处理器；离心机与有机复合肥生产装置连接；精馏塔与储槽连接后再通过泵四与膜处理器连接。离心机分出的滤渣通过有机复合肥生产装置用于生产有机复合肥；精馏塔底废液流入储槽再通过泵四打至膜处理器处理后水回用。

作为优选，所述的螺旋热水洗涤器为斜双斜螺旋结构，在螺旋热水洗涤器的上部设置水进入口，在其下方设置油菜秸秆进入口和洗涤水出口，水由上部进入，油菜秸秆由下方进入，螺旋热水洗涤器的外部设有夹套，通入蒸汽维持温度。螺旋热水洗涤器下部的洗涤水出口通过斜管沉降器沉降后与沉淀池连接，沉淀池通过泵五与螺旋热水洗涤器上部的进水口连接，用于洗涤原料。

作为优选，所述的挤干机为单螺旋挤干机。

作为优选，所述的螺杆挤压闪蒸喷爆器为变距螺杆挤压闪蒸喷爆器，利用螺杆挤出物料并在螺杆挤出机的推动下向前移动推，由出口处喷出闪爆。

作为优选，所述的提取液膜组依次由超滤膜、纳滤膜和反渗透膜组成，提取液膜组的出水口与提取机的进水口连接。

作为优选，所述的离心机为卧螺离心机，分出的发酵液送至精馏塔。

一般每制取1吨乙醇，大概会产生12吨的乙醇废液，为避免对环境的污染，精馏塔底部废液流入储槽，再由泵打至废水处理膜组，透过水返回水解发酵罐，循环再用。

实施例1：

(1)油菜秸秆用锤式粉碎机粉碎，其核心工作器件是锤片和筛板，工作时，锤片开始做高速旋转运动，不断击打秸秆，使其结构遭到破坏，符合1-3cm要求的油菜杆通过筛板孔排出，锤片依然持续地击打不符合要求的秸秆，当秸秆被破碎到符合要求，继而从筛孔排出，进行除尘，去掉杂质与尘土；除尘后的油菜秸秆，仍夹带有部分土及其它杂质，为了除掉这些杂质及软化油菜杆，以利于爆破，用85℃的热水，在螺旋洗涤机中进行逆流洗涤，洗涤机为斜螺旋，水由上部进入，油菜秸秆由下方进入，温度由洗涤机外部夹套通入蒸汽维持。热水洗涤后的油菜秸秆，用单螺旋挤干机挤干，使物料含水50％；洗涤水经处理后回用洗涤原料。

(2)上述挤干的物料送入螺杆挤压喷爆器内，通过控制螺杆的转速调节物料在体内的停留时间150s；螺杆喷爆机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密封、增压和升温。控制温170℃、压力1.7MPa；当物料到达出口时，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，半纤维素被降解为木糖，获得含木糖的喷爆物料；洗涤水经处理后回用。

(3)含有木糖的喷爆物料用水配制成20％浓度的浆料，搅拌均匀，用泵打入高浓磨进行磨浆，将纤维磨细使木糖更充分溶解出来。磨好的浆料进入木糖提取机中用80℃热水进行逆流提取，将其中木糖提取出来，同时提取机将提取木糖后的纤维进行洗涤，挤压至含水量50-60％。逆流提取液，采用微滤膜、纳滤膜，反渗透膜组得到含量25％的精制木糖液。

(4)含水量80％的纤维料配成15％的纤维浆，用1.2％的稀硫酸进行水解，使得原料中的半纤维素水解充分，有利于后步的水解发酵；水解温度120℃，时间45min。水解后的物料，进行压滤，滤渣用清水洗至PH值5；压滤液与前面的提取液合并提取木糖。

(5)提取木糖后的含纤维15％的物料，调节pH值为4.8，加入纤维素酶和酵母，加入量分别为、纤维素酶用量7.5IU/g(绝干原料计)，树干毕赤酵母菌用量35IU/g(绝干原料计)，生产周期55h，进行同步糖化发酵，得到乙醇发酵液。乙醇发酵液经卧式离心机固液分离，分出的液体通过精馏得到成品乙醇。乙醇产率50％。离心机分出的固态油菜杆发酵剩余物主要成分为木质素，配合钾、铁、磷、尿素等按常规方法制备缓释复合肥。

一般每制取1吨乙醇，大概会产生12吨的乙醇废液，为避免对环境的污染，采用膜技术处理后回用。

本设备与传统设备发酵制乙醇消耗、成本对比见下表：

实施例2

油菜秸秆用锤式粉碎机粉碎，其核心工作器件是锤片和筛板，工作时，锤片开始做高速旋转运动，不断击打秸秆，使其结构遭到破坏，符合1-3cm要求的油菜杆通过筛板孔排出，锤片依然持续地击打不符合要求的秸秆，当秸秆被破碎到符合要求，继而从筛孔排出，进行除尘，去掉杂质与尘土；除尘后的油菜秸秆，仍夹带有部分土及其它杂质，为了除掉这些杂质及软化油菜杆，以利于爆破，用85℃的热水，在螺旋洗草机中进行逆流洗涤，洗草机为斜螺旋，水由下部进入，油菜秸秆由上方进入，温度由洗草机外部夹套通入蒸汽维持。热水洗涤后的油菜秸秆，用单螺旋挤干机挤干，使物料含水50％；洗涤水经处理后回用于洗涤原料。

上述挤干的物料送入螺杆挤压喷爆器内，通过控制螺杆的转速调节物料在体内的停留时间150s；螺杆喷爆机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密封、增压和升温。控制温180℃、压力1.9MPa、当物料到达出口时，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，半纤维素被降解为木糖，获得含木糖的喷爆物料；洗涤水经处理后回用。含有木糖的喷爆物料用水配制成20％浓度的浆料，搅拌均匀，用泵打入高浓磨进行磨浆，将纤维磨细使木糖更充分溶解出来。磨好的浆料进入木糖提取机中用80℃热水进行逆流提取，将其中木糖及其它抑制水解发酵的有害物质例如乙酸等提取出来，同时提取机将提取木糖后的纤维进行洗涤，控制PH6-7，挤压至含水量,80-90％。逆流提取液，采用微滤膜、纳滤膜，反渗透膜组得到含量25％的精制木糖液。含水量50-60％的纤维料配成15％的纤维浆，用1.2％的硫酸进行水解，使得原料中的半纤维素水解充分，有利于后步的水解发酵；水解温度120℃，时间45min。水解后的物料，进行压滤，滤渣用清水洗至PH值5；压滤液与前面的提取液合并提取木糖。提取木糖后的含纤维15％的物料，调节PH值为4.8，加入纤维素酶和酵母，加入量分别为、纤维素酶用量7.5IU/g(绝干原料计)，树干毕赤酵母菌用量35IU/g(绝干原料计)，生产周期55h，进行同步糖化发酵，得到乙醇发酵液，乙醇发酵液经卧式离心机固液分离，分出的液体通过精馏得到成品乙醇。乙醇产率52％。离心机分出的固态油菜杆发酵剩余物主要成分为木质素，配合钾、铁、磷、尿素等按常规方法制备缓释复合肥。

一般每制取1吨乙醇，大概会产生12吨的乙醇废液，为避免对环境的污染，采用废水膜处理技术处理后回用。

需要说明的是，对于前述的各个实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、ROM、RAM等。

以上所披露的仅为本实用新型较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种油菜秸秆资源化全质利用装置，包括锤式粉碎机(1)、螺旋热水洗涤器(3)、挤干机(4)、螺杆挤压闪蒸喷爆器(6)、提取机(9)和提取液膜组(10)；其特征在于：锤式粉碎机(1)通过皮带输送机一(2)与螺旋热水洗涤器(3)连接；螺旋热水洗涤器(3)与挤干机(4)连接；挤干机(4)通过皮带输送机二(5)与螺杆挤压闪蒸喷爆器(6)连接，螺杆挤压闪蒸喷爆器(6)依次通过泵一(7)、提取机(9)、高浓磨磨浆机(8)和提取液膜组(10)连接。

2.如权利要求1所述油菜秸秆资源化全质利用装置，其特征在于：该装置还包括配料釜(11)、混合器(12)、连续水解器(14)、压滤机(15)、水解发酵罐(16)和精馏塔(20)；其中，提取液膜组(10)与配料釜(11)连接，配料釜(11)与混合器(12)连接，混合器(12)通过泵二(13)和连续水解器(14)连接，连续水解器(14)与压滤机(15)连接，压滤机(15)与水解发酵罐(16)连接，水解发酵罐(16)通过离心机(17)与乙醇储罐(18)连接，乙醇储罐(18)通过泵三(19)与精馏塔(20)连接。

3.如权利要求1所述油菜秸秆资源化全质利用装置，其特征在于：该装置还包括有机复合肥生产装置，储槽(21)和膜组件(23)；离心机(17)与有机复合肥生产装置连接；精馏塔(20)与储槽(21)连接后再通过泵四(22)与膜组件(23)连接。

4.如权利要求1所述油菜秸秆资源化全质利用装置，其特征在于：所述的螺旋热水洗涤器(3)为斜双斜螺旋结构，在螺旋热水洗涤器(3)的上部设置水进入口，在其下方设置油菜秸秆进入口和洗涤水出口，螺旋热水洗涤器(3)的外部设有夹套。

5.如权利要求4所述油菜秸秆资源化全质利用装置，其特征在于：所述螺旋热水洗涤器(3)下部的洗涤水出口通过斜管沉降器(3-1)沉降后与沉淀池(3-2)连接，沉淀池(3-2)通过泵五(3-3)与螺旋热水洗涤器(3)上部的进水口连接。

6.如权利要求1所述油菜秸秆资源化全质利用装置，其特征在于：所述的螺杆挤压闪蒸喷爆器(6)为变距螺杆挤压闪蒸喷爆器。

7.如权利要求1所述油菜秸秆资源化全质利用装置，其特征在于：所述的提取液膜组(10)依次由超滤膜、纳滤膜和反渗透膜组成，提取液膜组(10)的出水口与提取机(9)的进水口连接。

8.如权利要求2所述油菜秸秆资源化全质利用装置，其特征在于：所述离心机(17)为卧螺离心机。