本发明涉及一种秸秆纤维素燃料乙醇预处理装置及处理方法，属于秸秆纤维素乙醇生产方法。
背景技术：
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中国是农业大国，是世界上秸秆资源最为丰富的国家之一。据调查统计，2010年全国秸秆理论资源量为8.4亿t，可收集资源量约为7亿t。但是，由于缺乏有效的处理方式，约有2.47亿t的秸秆被废弃或直接焚烧，不仅污染了环境，更是对资源的极大浪费。秸秆作为一种优质的生物质能，可替代部分化石能源，利用秸秆为原料生产纤维素燃料乙醇是解决秸秆焚烧使之替代化石能源的一种最有效途径。
玉米秸秆主要由植物细胞壁组成,细胞壁基本组成是纤维素、半纤维素、木质素,纤维素和半纤维素被木质素层层包裹,纤维素是一种由1000～10000个β2d2吡喃型葡萄糖单体以β21,42糖苷键连接的直链多糖,多个分子平行排列成丝状不溶性微小纤维,其基本组成单位是纤维二糖,是地球上最丰富的聚合物。而半纤维素主要是木糖及少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖组成,而木质素是以苯丙烷及其衍生物为基本单位构成的高分子芳香族化合物,对水解纤维素起到屏障作用。到目前为止,还未发现能利用木质素的单聚体来生产乙醇的微生物。半纤维素是c5糖的聚合物,较易水解为五碳糖,纤维素是c6糖的聚合物,较难水解为六碳糖,而木质素可以用来燃烧、产气和产生动力,也可以被转化为高附加值的燃料添加剂。以秸秆为原料是生产纤维素燃料乙醇必须将秸秆中纤维素、半纤维素、木质素的结晶体结构打破才能针对纤维素、半纤维素进行后续的酶水解操作，秸秆纤维素燃料乙醇产业的发展迫切需要一种高效节能的预处理设备。
目前秸秆纤维素燃料乙醇预处理主要通过液态高温水技术和蒸汽爆破法，液态高温水技术是指将物料置于高压状态的热水中(通过加压防止水在超过100℃时蒸发),温度为200℃～230℃,处理物料2min～15min,使物料的40%～60%溶解,可除去4%～22%的纤维素,35%～60%的木质素以及所有的半纤维素。将玉米秸秆粉碎至通过1/4英寸孔的筛子,调为固体含量为16%的浆料,在流体化的沙浴中加热,维持反应器在一定压力。在190℃反应15min效果最佳,之后在15fpu/g葡聚糖条件下,90%纤维素被水解为葡萄糖。此方法只能在较低固体含量(20%)对物料进行处理,且高流速需要大量的水,导致了预处理及后续处理的相当高的能耗,生产效率较低。
蒸气爆破法是指在0.169mpa～4.183mpa的压力下,用蒸气将物料加热到200℃～240℃,维持30s～20min,使高压蒸气渗透到物料内的空隙,半纤维素水解,同时木质素软化和部分降解。然后突然减压,物料内气相介质喷出瞬间急速膨胀,同时物料内的高温液态水迅速暴沸形成闪蒸,造成纤维素晶体和纤维束的爆裂,使物料从胞间层解离成单个纤维细胞,使木质素和纤维素分离。处理过程中产生的乙酸和其他酸也能够促进半纤维素的水解。蒸气爆破法的设备包括蒸气发生器、恒压反应器、接收器和冷凝器,反应器罐体是带有保温层的以便使温度保持恒定。把玉米秸秆放入反应器中。利用蒸气对玉米秸秆进行加热,加热后把反应器底部阀门打开,使反应器压力迅速降到大气压水平,固体及液体产物被收集到收集器底部的旋风分离器,气体产物通过收集器顶部进入冷凝器,在我国可采用北京林业大学赖文衡教授研究的间歇蒸气汽爆器对玉米秸秆进行爆破处理,经这种爆破器爆破的玉米秸秆,纤维素水解转化率超过70%,而且这种技术对环境影响轻微,汽爆废气中只含有少量可回收的糠醛。汽爆过程中加入稀硫酸或二氧化碳可以有效促进酶水解,减少抑制物的形成,使半纤维素去除量增多。将玉米秸秆蒸气爆破后,纤维素几乎不损失,木质素损失14.6%,酶解得率可达70.0%。南京林业大学建立了玉米秸秆间歇蒸气爆破预处理、纤维素酶水解和戊糖己糖同步发酵技术制取纤维乙醇的中试装置。水解得率为71.3%,还原糖利用率和乙醇得率分别为87.17%和0.43%。蒸气爆破法的优点是相对于传统的机械粉碎方法,要使物料达到同样的尺寸,蒸气爆破法可以节省70%的能耗,而且是一种无污染、不需回收物质的技术,但同时存在破坏而且由糖和木质素降解产生的一些物质对后续生物处理具有不利影响。
技术实现要素：
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本发明的目的是解决现有液态高温水技术和蒸汽爆破法的缺点，提供一种将二者相结合，蒸煮工艺参数具有可控性，确保产品质量，满足连续、均匀、定量的秸秆纤维素燃料乙醇预处理装置及处理方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种秸秆纤维素燃料乙醇预处理装置，其组成包括：螺旋喂料器，所述的螺旋喂料器包括外部筒体，所述的外部筒体右侧安装有蒸煮管，所述的外部筒体内设置有压缩螺旋轴，所述的压缩螺旋轴的一端与螺旋传动装置通过轴承连接，所述的压缩螺旋轴的另一端位于所述的外部筒体的环形栓塞筒内。
所述的外部筒体包括进料筒，所述的进料筒右侧与压缩锥形筒通过螺栓连接，所述的压缩锥形筒的右侧与所述的环形栓塞筒通过螺栓连接，所述的环形栓塞筒右侧与栓塞过渡筒通过螺栓连接，所述的栓塞过渡筒右侧与圆柱形内栓塞成型筒通过螺栓连接。
所述的秸秆纤维素燃料乙醇预处理装置，所述的蒸煮管上部设置有热水入口和高压蒸汽入口，所述的蒸煮管的右端分别安装有常闭止逆阀和栓塞辅助松散器，所述的蒸煮管的下部为料塞出口。
所述的秸秆纤维素燃料乙醇预处理装置，所述的压缩锥形筒末端压缩处下部具有滤液排放口，所述的栓塞过渡筒的上部和下部分别具有冷却水入口。
一种秸秆纤维素燃料乙醇预处理装置的处理方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：玉米秸秆原料通过销鼓计量器的进料口进入，经过计量后通过出料口排出；
步骤二：经计量的原料，由溜槽连接直接进入预压缩螺旋输送机；
步骤三：通过预压缩螺旋输送机的原料，堆积密度为95-100kg/m3，通过原料入口进入，依次经过输送段、压缩段、光轴段和栓塞过渡筒逐级压缩，螺旋喂料器工作时，滤液不断地排出，料塞干度48-50%，随后进入松散筒中经过料塞松散器松散后进入蒸煮管进行高压蒸汽蒸煮；
步骤四：当螺旋喂料器传动电机的电流小于设定的数值时说明料塞密度小于设定密度时为防止高压蒸汽反喷发生常闭式止逆阀打开辅助料塞生成，当螺旋喂料器传动电机的电流升高到已定数值，止逆阀推回原位，即料塞达不到要求的堆积密度600-650kg/m3，止逆阀将料塞的出口封闭辅助料塞生下经，达到料塞堆积密度600—800kg/m3后常闭式止逆阀门退回原位，秸秆料塞从料塞管落下料塞松散器松散，原料随后进入蒸煮管蒸煮；
步骤五：物料进入到蒸煮管时已经与蒸汽接触开始进入蒸煮过程，物料连续地进入蒸煮管，蒸煮温度190—210℃、蒸煮压力1.2—1.5mpa、蒸煮时间10—30min，传动链轮通过减速机以设定的速度旋转，并将物料缓慢推向物料出口，通过栓塞辅助松散器打散，原料进入缓冲管；
步骤六：缓冲管的工作压力为1.2-1.3mpa，工作温度约为190℃，缓冲管贮存合适料位的蒸煮后物料,保证后续螺旋卸料器卸料量的恒定，经过缓冲管的物料进入到螺旋卸料器中；
步骤七：螺旋卸料器由喷放阀设定喷放频率进行高浓度物料的卸料，螺旋卸料器工作压力为1.2-1.3mpa，工作温度约为190℃，物料随后进入喷放仓卸压离散；
步骤八：喷放仓喷放时由1.2-1.3mpa扩容减压至瞬间接近0.1mpa左右，物料沿喷放仓顶部分离室内筒体切向进入，离散物料生成纤维素。
所述的秸秆纤维素燃料乙醇预处理装置的处理方法，所述的步骤四的具体过程为：在原料供应量低于喂料量时会产生因料塞不紧密而反喷，在喂料螺旋磨损过多情况下，料塞不紧密，同样会引起反喷，常闭止逆阀和装有电磁阀的液压缸相连，正常运行时，阀门在缸体一侧，当螺旋喂料器传动电机的电流小于原定的数值时，即料塞达不到要求的紧度，这时电磁阀将阀门开启，推动活塞向前，止逆阀将料塞的出口封住，蒸煮管内的蒸汽不会产生反喷，当螺旋喂料器传动电机的电流升高到已定数值，这时电磁阀随即打开另一个阀门，活塞推回原位，常闭逆止阀门脱离料塞管的出口，料塞开始从料塞管落下，喂料系统开始恢复正常运行，在料塞离开料塞管后立即松散，原料随后进入蒸煮管。
所述的秸秆纤维素燃料乙醇预处理装置的处理方法，所述的步骤三中原料在压缩段的堆积密度为堆积密度285-300kg/m3，原料在光轴段的堆积密度为570-600kg/m3，原料在过渡筒中的堆积密度为600-650kg/m3。
有益效果：
1.本发明是一种秸秆纤维素燃料乙醇预处理装置及处理方法，依靠螺距空间体积的减少，使原料逐渐被压缩，被压缩了的原料在螺旋末端形成料塞，随着原料被螺旋推进，料塞连续形成，与此同时，前面的料塞被推进蒸煮管，达到既把常压下的原料连续推进蒸煮管，又能用料塞保证压力连续蒸煮器进料口的密封性，将其挤压成料塞，形成气封，气封压力为1.2-1.3mpa，然后在蒸煮管内通入1.3mpa蒸汽实现压力蒸煮，生产出合格的产品。
本发明流程简洁流畅，设备集中，便于操控，布置紧凑，设备占地面积少，蒸煮工艺参数具有可控性，确保产品质量。
本发明的销鼓计量器装配在壳体内，在一对齿轮的逆向传动下带动销鼓连续转动，原料从进料口下，经过销鼓体积计量后从出料口出来，从而达到计量的目的。
本发明设置预压缩螺旋输送机，原料推进过程中将计量后松散的物料重新排列组合，在出料口段螺距比例减小，填充量预压缩,物料容重提升，从而提高后续螺旋喂料器的产量。
本发明设置螺旋喂料器，喂料螺旋的结构上分成输送段、压缩段和光轴段三段，输送段起计量和喂料作用，它的设计确定了进料的能力，压缩段起输送、压缩物料和进行脱水、形成料塞和增加料塞密度的作用，光轴段的作用是提高料塞芯部的密度，以减少蒸煮管蒸汽与物料的反喷，螺旋叶工作面的后倾角是物料在螺旋压缩段中受到一个适当的径向力，增大物料与外壳内表面的摩擦力，防止物料打滑，螺旋喂料器工作时，滤液不断地排出，出料口原料干度48-50%。
本发明设置常闭逆止阀，用于防止蒸煮器内介质反喷，在原料供应量低于喂料量时会产生因料塞不紧密而反喷，在喂料螺旋磨损过多情况下，料塞不紧密，同样会引起反喷。一旦产生反喷就会阻碍蒸煮器的正常运行。
本发明设置蒸煮管，属于压力容器，蒸煮温度190—210℃、蒸煮压力1.2—1.5mpa、蒸煮时间10—30min，物料从常闭止逆阀进入到蒸煮管时已经与蒸汽接触开始进入蒸煮过程，物料连续地进入蒸煮管。传动链轮通过减速机以设定的速度旋转，并将物料缓慢推向物料出口，螺旋轴配有不等径不等距叶片在推进过程中同时起到良好的搅拌作用，使物料能均匀前进，减少生熟不匀现象。
本发明的的压力1.2-1.3mpa，温度约193℃，采用现需造栓技术避免了对纤维素、半纤维素的破坏，大幅度提高了产品收率，装置中没有空气进入，减少了醛酸的产生，降低了酶促反应抑制物的产生，有利于后续连续稳定运行。
本发明能够事项自动化连续生产，加大了栓塞密度，提高了蒸煮温度、压力，高密度栓塞制造将选用大直径螺旋压缩技术，并结合活塞压缩原理，合格栓塞的密度为600-650kg/m3。
本发明的压缩锥形筒前端的容量为115-125kg/m3，填充系数为0.6-0.7，压缩锥形筒后端的容量为285-300kg/m3，填充系数为1.0，环形栓塞筒的容量为570-600kg/m3，圆柱形内栓塞成型筒的容量为600-650kg/m3。
本发明的螺旋喂料器的物料含水量为60%，压缩筒及环形栓塞筒的防滑面积增加25%，具有足够的摩擦力将物料推进。
附图说明：
附图1是本发明的结构示意图；
附图2是附图1的a部放大图；
图中：1、螺旋传动装置；3、外部筒体；4、常闭止逆阀；5、栓塞辅助松散器；6、进料筒；7、压缩螺旋轴；8、压缩锥形筒；9、环形栓塞筒；10、栓塞过渡筒；11、圆柱形内栓塞成型筒；12、热水入口；13、高压蒸汽入口；14、滤液排放口；15、冷却水入口；16、蒸煮管；17、料塞出口。
具体实施方式：
实施例1：
一种秸秆纤维素燃料乙醇预处理装置，其组成包括：螺旋喂料器，所述的螺旋喂料器包括外部筒体3，所述的外部筒体右侧安装有蒸煮管16，所述的外部筒体内设置有压缩螺旋轴7，所述的压缩螺旋轴的一端与螺旋传动装置1通过轴承连接，所述的压缩螺旋轴的另一端位于所述的外部筒体的环形栓塞筒9内。
所述的外部筒体包括进料筒6，所述的进料筒右侧与压缩锥形筒8通过螺栓连接，所述的压缩锥形筒的右侧与所述的环形栓塞筒通过螺栓连接，所述的环形栓塞筒右侧与栓塞过渡筒10通过螺栓连接，所述的栓塞过渡筒右侧与圆柱形内栓塞成型筒11通过螺栓连接。
实施例2：
根据实施例1所述的秸秆纤维素燃料乙醇预处理装置，所述的蒸煮管上部设置有热水入口12和高压蒸汽入口13，所述的蒸煮管的右端分别安装有常闭止逆阀4和栓塞辅助松散器5，所述的蒸煮管的下部为料塞出口17。
实施例3：
根据实施例1或2所述的秸秆纤维素燃料乙醇预处理装置，所述的压缩锥形筒末端压缩处下部具有滤液排放口14，所述的栓塞过滤筒的上部和下部分别具有冷却水入口15。
实施例4：
一种秸秆纤维素燃料乙醇预处理装置的处理方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：玉米秸秆原料通过销鼓计量器的进料口进入，经过计量后通过出料口排出；
步骤二：经计量的原料，由溜槽连接直接进入预压缩螺旋输送机；
步骤三：通过预压缩螺旋输送机的原料，堆积密度为95-100kg/m3，通过原料入口进入，依次经过输送段、压缩段、光轴段和栓塞过渡筒逐级压缩，螺旋喂料器工作时，滤液不断地排出，料塞干度48-50%，随后进入松散筒中经过料塞松散器松散后进入蒸煮管进行高压蒸汽蒸煮；
步骤四：当螺旋喂料器传动电机的电流小于设定的数值时说明料塞密度小于设定密度时为防止高压蒸汽反喷发生常闭式止逆阀打开辅助料塞生成，当螺旋喂料器传动电机的电流升高到已定数值，止逆阀推回原位，即料塞达不到要求的堆积密度600-650kg/m3，止逆阀将料塞的出口封闭辅助料塞生下经，达到料塞堆积密度600—800kg/m3后常闭式止逆阀门退回原位，秸秆料塞从料塞管落下料塞松散器松散，原料随后进入蒸煮管蒸煮；
步骤五：物料进入到蒸煮管时已经与蒸汽接触开始进入蒸煮过程，物料连续地进入蒸煮管，蒸煮温度190—210℃、蒸煮压力1.2—1.5mpa、蒸煮时间10—30min，传动链轮通过减速机以设定的速度旋转，并将物料缓慢推向物料出口，通过栓塞辅助松散器打散，原料进入缓冲管；
步骤六：缓冲管的工作压力为1.2-1.3mpa，工作温度约为190℃，缓冲管贮存合适料位的蒸煮后物料,保证后续螺旋卸料器卸料量的恒定，经过缓冲管的物料进入到螺旋卸料器中；
步骤七：螺旋卸料器由喷放阀设定喷放频率进行高浓度物料的卸料，螺旋卸料器工作压力为1.2-1.3mpa，工作温度约为190℃，物料随后进入喷放仓卸压离散；
步骤八：喷放仓喷放时由1.2-1.3mpa扩容减压至瞬间接近0.1mpa左右，物料沿喷放仓顶部分离室内筒体切向进入，离散物料生成纤维素。
实施例5：
根据实施例4所述的秸秆纤维素燃料乙醇预处理装置的处理方法，所述的步骤四的具体过程为：在原料供应量低于喂料量时会产生因料塞不紧密而反喷，在喂料螺旋磨损过多情况下，料塞不紧密，同样会引起反喷，常闭止逆阀和装有电磁阀的液压缸相连，正常运行时，阀门在缸体一侧，当螺旋喂料器传动电机的电流小于原定的数值时，即料塞达不到要求的紧度，这时电磁阀将阀门开启，推动活塞向前，止逆阀将料塞的出口封住，蒸煮管内的蒸汽不会产生反喷，当螺旋喂料器传动电机的电流升高到已定数值，这时电磁阀随即打开另一个阀门，活塞推回原位，常闭逆止阀门脱离料塞管的出口，料塞开始从料塞管落下，喂料系统开始恢复正常运行，在料塞离开料塞管后立即松散，原料随后进入蒸煮管。
实施例6：
根据实施例4或5所述的秸秆纤维素燃料乙醇预处理装置的处理方法，所述的步骤三中原料在压缩段的堆积密度为堆积密度285-300kg/m3，原料在光轴段的堆积密度为570-600kg/m3，原料在过渡筒中的堆积密度为600-650kg/m3。