一种用于秸秆原料综合利用预处理的连续蒸煮系统的制作方法

本实用新型涉及生物质原料加工技术领域，具体说是一种用于秸秆原料综合利用预处理的连续蒸煮系统。

背景技术：

目前，生物质原料生产燃料乙醇的连续蒸煮预处理装置，主要采用的是制浆造纸行业的通用装备横管连续蒸煮器；该技术源自瑞典，20世纪70年代引进我国，至今已有近50年的历史，目前仍然是主流连续蒸煮装置；为形成足够强度的料塞封堵蒸汽，实现连续运行，进入锥形料塞螺旋机前，不仅通过预热螺旋机对物料加热，还要喷入部分热的药液，使物料与化学品反应，部分低分子量木质素等物质降解，物料软化，密度达到140-160kg/m3，进入料塞螺旋机的物料密度、形态特性、滤液成分及性质、挤压脱水特性、在装置中的运行规律都与生物质燃料乙醇预处理方法出现很大差异；其料塞螺旋机，具有锥形的脱水机壳，锥形的变螺距、变叶片外径、变主轴根径的螺旋机主轴，秸秆原料压缩比一般不低于1:3.5，锥形的脱水机壳和锥体螺旋轴，配置动力极高，而且螺旋轴、机壳筛框筛鼓和料塞区管壁磨损严重，使用周期短，更换频繁，既增加了成本，又降低了生产效率；在料塞区后部，连接有一段扩散管，在两者之间设有备用的药液进口管，用于注入药液，使挤干的物料吸收化学品进行体积扩散并增加润滑作用；但增加的扩散管，同样是高紧度料塞，也增加了动力消耗；而且进料量波动时（秸秆物料与水的混合物是非均相介质，计量体积相同的介质内绝干物料的含量是不一致的，而且这种进料量波动还会产生累积效应），很容易在锥形螺旋的最小口径区域形成过干料区，且过干料区域会迅速扩大，使干结物料与料塞螺旋机筛框筛鼓的摩擦力剧增，当这种摩擦力总和大于进料端螺旋叶片的推动力，物料不再前行，设备堵塞，也就是所谓的物料打滑，只能排空整个连续蒸煮器的蒸汽，停机进行清理，即使焊有防滑条，也难以避免，甚至出现设备损毁事故；

对制浆造纸是行业来说，料塞区过长，还会加剧纤维内部的错位撕裂，损伤纤维，导致成浆强度下降；所以，起封堵蒸汽作用的是料塞管和扩散管两段的组合区；

对生物质处理过程来说，适当增加料塞区紧度和长度，取消扩散管区，增加纤维内部的错位撕裂，特别是损伤结晶区纤维，正是追求的目标；而且紧度增加，水分随之降低，可以节约蒸汽；

所以，制浆造纸行业连续蒸煮器的关键设备料塞螺旋机，在生物质原料生产燃料乙醇蒸煮预处理中，是不能使用的；

制浆造纸行业蒸煮秸秆物料，经过高温150-175℃、蒸汽压力0.6-0.85Mpa，长时间60-180min，大比例化学品对物料进行蒸煮处理，化学品约占物料的10-18%，并且是在T型进料管上部喷入，从料塞区进入的物料干度40-50%，迅速吸收化学品溶液，使物料含量降至25%左右，并发生化学反应，在高温和初期的高化学品含量状态下，反应进展较快，其中构成植物结构强度的木质素大量溶出，物料结构强度坍塌，疏松软化，具有一定的流动性，在圆筒形蒸煮管内被具有变径螺旋叶片的螺旋机推进前行并搅拌，至中间管完成蒸煮过程，物料纤维浓度只有12-15%，其他物质以溶解物或胶体物形式进入黑液，在卸料器加入稀黑液冷却降温后减压喷入喷放仓；

制浆造纸行业横管连续蒸煮器的螺旋叶片是变径变螺距的，叶片直径一段大一段小，并设有偏心叶片对进料进行搅拌，物料填充系数50-75%，管内壁设有防滑条，适合于物料含量25%左右，蒸煮后纤维浓度12-15%，并且分散成纸浆状态、具有良好流动性、介质均相的浆料；

生物质原料生产燃料乙醇蒸煮预处理过程，不加或加入少量化学品，处理时间短1-40min，处理蒸汽压力高0.5-3.0Mpa，物料固含量高20-50%，在蒸煮管内完全没有流动性，蒸煮处理过程中，构成植物结构强度的大分子木质素溶出少，物料降解少，虽然有部分半纤维素溶出，但微观结构强度降低不大，大部分物料还是以固态的非均相形式存在；螺旋机变径螺旋叶片直径较小的区段会堆存物料，推进搅拌物料的动力消耗也将急剧增加，很容易出现螺旋叶片与圆形蒸煮管内壁之间夹料，夹料量逐渐累积，夹料区段增加，夹料紧度增强，导致推进螺旋机卡死停机；

生物质原料生产燃料乙醇蒸煮预处理，与制浆造纸行业的制浆蒸煮过程有本质区别，物料的物理特性和化学特性也完全不同；

所以，制浆造纸行业的连续蒸煮器，在生物质原料生产燃料乙醇蒸煮预处理中，是不能使用的；

连续蒸煮器在秸秆原料生物质综合利用领域不能正常使用，导致工业化生产线无法正常运行；目前，国内有限的一条中试生产线使用的高价引进的连续蒸煮装置，包括美国和欧洲在内，全世界建成运行的纤维素乙醇工业化生产线，总共不超过10条，都是采用这种连续蒸煮装置，也都存在上述问题，正常开机率普遍低于40%，秸秆纤维素乙醇工业化推广基本处于停滞状态，严重制约了秸秆原料生物质综合利用产业的发展；

还有一种采用汽爆罐间歇处理的方式，物料直接装入罐内，通蒸汽至0.5-3Mpa，时间1-10min，然后迅速开启阀门泄压释放，实现蒸汽爆破，目的是利用蒸汽的热动力从内部撕裂破碎植物细胞结构，提高其比表面积，以提高酶解的可及率；并在高温下使半纤维素降解为戊糖；

这种汽爆方式，有以下缺点，一是秸秆物料装入罐内是相对静止的，生物质材料和其内部含有的在加热过程中不能对流的水分，都是热的不良导体，导热性很差，1-10min的短时间加热，并不能使内部的水分和植物体组织加热到均衡的表观温度，仪表显示的仅是物料外部的温度，物料内部由于导热不良，会出现明显的温度梯度差，即表压显示温度压力较高，但是秸秆物料内部温度较低，在减压释放中就不能实现预想的爆破效果；二是干度较高的植物组织结构内部的水分较少，不能产生足够的蒸汽爆破力，植物体的生理通道吸收水分，需要时间完成吸水渗透并实现润涨的过程，而且此过程还有溶出物溶的扩散过程，没有好的润涨，就不能实现好的爆破效果；三是短时间的高压加热，汽爆的物料外观外形尺寸很碎，但并不全是从组织结构内部产生的撕裂破碎，物料的微观比表面积并不增加很多，对酶制剂的可及率帮助不大；四是即使汽爆罐的初始喷爆压力很高，阀门开启时，首先大量蒸汽优先喷出，罐内压力迅速降低，大部分物料是在越来越低的压力状态下连续喷出的，不仅达不到预想的高温喷爆效果，而且物料均一性极差，对大工业化生产来说是无法接受的；五是这种汽爆罐装料密度很难达到100kg/m3，蒸汽消耗很高，装置利用率很低；六是间歇的运行方式，频繁的开启阀门装料，导致工作效率极低、劳动强度极大，无法实现工业化生产；七是频繁的常压开罐装料与迅速升温喷放，使罐体温度频繁剧烈变化，会产生金属疲劳，极易出现安全事故；

蒸煮预处理的目的，一是使植物组织结构中，除不能吸水润张的结晶纤维素部分外，其他可以吸水润涨的组织及微孔内，充分吸收水分，增加其结合水和吸附水的量，植物体内的水分在减压释放中，将热能转化为动能，体积急剧膨胀，产生爆破作用，撕裂植物微观组织；二是加热时间要保证导热不良的植物组织内部与外部温度基本一致，使植物体的生理通道吸收水分，完成渗透和溶出物溶的出扩散过程，实现更好的润涨，才能达到预想的爆破效果；三是同样压力差下，压力释放时间越短、单位时间内能量密度越高、爆破效果越好，最好的爆破作用，是频繁、少量、快速的泄压喷放；四是要减少和杜绝高温下发生的热化学反应，防止产生酶解发酵抑制物的产生。

因此，必须根据生物质原料综合利用蒸煮预处理的技术特性和物料特性，设计新的连续蒸煮系统，以适应生物质原料综合利用蒸煮预处理的工艺技术要求，实现连续稳定运行、降低动力消耗和蒸汽消耗，达到快速减压喷放撕裂物料的目的，并减少对蒸煮管内蒸汽压力产生波动的影响。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种用于秸秆原料综合利用预处理的连续蒸煮系统。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是一种用于秸秆原料综合利用预处理的连续蒸煮系统，包括斜螺旋脱水机、回料螺旋机和椭圆形蒸煮管，倾斜设置的斜螺旋脱水机上端底部的出料口与回料螺旋机一端的进料口连通，回料螺旋机中间部位的出料口则与双波轮计量机的进料端连通，回料螺旋机的另一端则设置有回流口，双波轮计量机的出料端则与带加热装置的预热螺旋机的进料端连通，预热螺旋机的进料端位于预热螺旋机的一端，预热螺旋机的另一端上下分别为反馈口和出料口，反馈口与反喷物料接收系统的进料端连通，预热螺旋机的出料口与料塞螺旋机中间部位顶部的进料端连通，料塞螺旋机一端的出料端则与T型进料管的其中水平一端连通，T型进料管的竖直部位则与两个串联在一起的且带有加热装置的椭圆形蒸煮管总进料端连通，两个椭圆形蒸煮管总的出料端则通过卸料中间管与弯管喷放装置的进料端连通。

斜螺旋脱水机包括设置在斜螺旋脱水机体较低一端上方的脱水机进料口和脱水机进料口下方的漏斗形滤液出口，斜螺旋脱水机体内的螺旋轴上设置有斜螺旋脱水机螺旋叶片，斜螺旋脱水机螺旋叶片的下方斜螺旋脱水机体内支撑有带有筛板的脱水筛框，斜螺旋脱水机体较高的一侧底部则开有脱水机出料口，脱水机出料口上方还设置有观察口，斜螺旋脱水机螺旋叶片在其减速电机的驱动下带动物料斜向上向脱水机出料口运动。

回料螺旋机的回料螺旋机体一端开有开口向上的回料进料口，回料螺旋机体中间下方开有回料出料口，回料螺旋机体的另一端底部则为回流口，回料螺旋机的螺旋叶片在减速电机带动下带动物料向回料出料口和回流口方向运动。

双波轮计量机包括倒锥形的缓冲料槽和与缓冲料槽下端连通的双波轮计量机壳体，双波轮计量机壳体内设置有通过减速电机驱动转动的波轮转鼓，每个波轮转鼓的外侧分别支撑有位于波轮转鼓上的弧形挡板，每个波轮转鼓的底部还分别设置有与波轮转鼓相切的波轮转鼓刮刀，缓冲料槽上端开口为计量机进料口，双波轮计量机壳体下端开口则为计量机出料口。

预热螺旋机的机体一端为预热螺旋机进料口，另一端则在底部及上部分别开有预热螺旋机出料口和反馈口，预热螺旋机的螺旋叶片在减速机驱动下将物料向预热螺旋机出料口和反馈口方向输送，预热螺旋机的机体内底部还设置有与外界蒸汽发生装置连通的预热螺旋机蒸汽进口，其中预热螺旋机出料口和反馈口一端的预热螺旋机的螺旋轴上还设置有垂直于螺旋轴的拨料棒。

料塞螺旋机的机体一端与T型进料管连通，料塞螺旋机的机体内设置有通过减速电机驱动的螺旋叶片，且料塞螺旋机螺旋叶片在减速电机的驱动下使物料向T型进料管一侧移动，其中料塞螺旋机螺旋叶片的输出末端上下分别连通有料塞螺旋机反喷口和漏斗形的料塞螺旋机挤出液出口，料塞螺旋机螺旋叶片的末端与螺旋转轴一体的光轴连接，光轴部位的料塞螺旋机的机体形成料塞区，料塞螺旋机挤出液出口部位的机体内侧壁上还设置有筛框，T型进料管与料塞螺旋机相对的一端设置有气缸，气缸的活塞杆与堵在料塞螺旋机出料端上的防反喷阀头固定连接，T型进料管上端分别设置有蒸汽进口管和备用液体进口管。

椭圆形蒸煮管包括蒸煮管椭圆形管体和内部通过减速电机驱动的螺旋叶片组成，椭圆形蒸煮管的螺旋叶片上边缘与蒸煮管椭圆形管体内顶部之间留有上部间隙处，椭圆形蒸煮管的螺旋叶片下边沿与蒸煮管椭圆形管体内底部之间留有下部间隙处，椭圆形蒸煮管蒸汽管位于蒸煮管椭圆形管体底部，并与蒸煮管椭圆形管体内连通，两个椭圆形蒸煮管通过椭圆形蒸煮管连接管连通形成串联结构，且椭圆形蒸煮管连接管部位的椭圆形蒸煮管螺旋轴上分别设置有出料口拨料棒，椭圆形蒸煮管的进料端设置有与T型进料管出料端连通的膨胀节，蒸煮管椭圆形管体的顶部设置有多个仪表安装孔、手孔以及一个备用排气口。

弯管喷放装置的喷放弯管下端以及中间部位分别通过阀座安装有用于控制该部位通断的第一锥形阀芯和第二锥形阀芯，第一锥形阀芯和第二锥形阀芯之间的喷放弯管部位形成喷放室，第一锥形阀芯和第二锥形阀芯分别通过固定连接的阀杆与外界的间歇传动机构传动连接。

其中，斜螺旋脱水机出料干度7-20%，料塞螺旋机出料料塞干度45-55%，蒸煮温度143-200℃，蒸煮压力0.3-1.2Mpa，蒸煮时间10-40min，弯管喷放装置喷放频率10-60次/min，喷放物料干度20-50%；

螺旋输送机将含水物料送至斜螺旋脱水机，斜螺旋脱水机脱水筛框104筛孔Φ1-5mm，螺旋叶片的螺旋主轴安装在筛框内，螺旋主轴是不变径的，螺距压缩比为0-50%，安装倾角0-35º；

双波轮计量机实现对物料体积的计量；

预热螺旋机通过两侧蒸汽进口于对经过的物料进行加热至70-90℃，可以软化物料并排出介质中的空气，物料密度80-120kg/m3，有利于形成紧密的料塞，在出料口的上部，有管道连接反喷口至喷物料接收系统；

料塞螺旋机的螺旋叶片的主轴以悬臂形式，在带有脱水筛板的筛框筛鼓内旋转，转速30-90r/min，从进料口到出料口料塞区没有支撑点，螺旋主轴不变径不变螺距，圆筒形脱水筛框筛鼓不变径，滤水孔3-10mm，脱水区上部有管道连接反喷口至反喷物料接收系统；再向前是料塞区，是没有螺旋叶片的光轴段，光轴直径为料塞区直径的25-35%，长度为料塞区直径的100-170%；

T型进料管，上部有进气管，下部是与蒸煮管连接的进料管，与料塞螺旋机料塞区连接的一侧是T型进料管的进料口，另一侧是气动压缩气缸和活塞杆，活塞杆连接防反喷阀头，用于在料塞紧度不能封堵蒸汽时，向前压缩封闭T型进料管的进料口，并在开机初期压缩形成合适紧度的料塞，正常运行时，料塞连续进入，料塞紧度足以封堵蒸汽，活塞杆带动防反喷阀头推到另一侧；

椭圆形蒸煮管，椭圆形蒸煮管的螺旋叶片上边缘与蒸煮管椭圆形管体内顶部之间留有上部间隙处，上部间隙处为圆形螺旋叶片直径的10-35%；圆形螺旋叶片的中心轴在椭圆形筒体底部圆弧的中心点上，全部螺旋叶片是圆形且外径一致，转速0-2r/min；椭圆形蒸煮管的螺旋叶片下边沿与蒸煮管椭圆形管体内底部之间留有下部间隙处，下部间隙处的间隙3-30mm；圆形螺旋叶片螺距不小于T型进料管底部进入椭圆形蒸煮管的进口直径，两个椭圆形蒸煮管的圆形连接管直径不小于圆形螺旋叶片螺距的60-100%，螺距是圆形螺旋叶片直径的50-80%；卸料中间管一端与椭圆形蒸煮管出口连接，另一端与弯管喷放装置连接；

弯管喷放装置，第一锥形阀芯和第二锥形阀芯在间歇传动机构带动下间歇开启，第一锥形阀芯关闭时，第二锥形阀芯开启，使弯管喷放装置上部进入与卸料中间管压力和介质相同的物料，第二锥形阀芯关闭，与第一锥形阀芯之间形成一个封闭的空间，是喷放室，压力和介质与卸料中间管相近，第一锥形阀芯开启，两个阀门之间封闭的介质沿管道喷出，快速减压释放实现喷爆，然后第一锥形阀芯关闭，第二锥形阀芯开启，进入下一个循环；每次喷出的体积相比蒸煮管体积较小，且蒸煮管连续补入蒸汽，蒸煮管压力波动较小；少量高频率的喷放，同样的降压值，缩短释放时间，可提高爆破效果。

综上所述本实用新型的一种秸秆原料综合利用预处理的连续蒸煮系统，具有运行稳定、物料无堵塞、连续性强、能耗低、效率高等优点；便于实现自动化控制，可大幅提高生产效率，降低生产成本、提高产量，特别适合于工业化大规模生产应用，从而可促进生物质综合利用推广和应用。

附图说明

图1是本实用新型的主视结构示意图；

图2是本实用新型的侧视结构示意图；

图3是本实用新型斜螺旋脱水机的结构示意图；

图4是本实用新型回料螺旋机的结构示意图；

图5是本实用新型双波轮计量机的结构示意图；

图6是本实用新型预热螺旋机的结构示意图；

图7是本实用新型料塞螺旋机的结构示意图；

图8是本实用新型弯管喷放装置的结构示意图；

图9是本实用新型椭圆形蒸煮管的侧视结构示意图；

图10是本实用新型椭圆形蒸煮管的主视结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型做进一步地说明。

如图1-10所示，一种用于秸秆原料综合利用预处理的连续蒸煮系统，包括斜螺旋脱水机1、回料螺旋机2和椭圆形蒸煮管6，倾斜设置的斜螺旋脱水机1上端底部的出料口与回料螺旋机2一端的进料口连通，回料螺旋机2中间部位的出料口则与双波轮计量机3的进料端连通，回料螺旋机2的另一端则设置有回流口201，双波轮计量机3的出料端则与带加热装置的预热螺旋机4的进料端连通，预热螺旋机4的进料端位于预热螺旋机4的一端，预热螺旋机4的另一端上下分别为反馈口401和出料口，反馈口401与反喷物料接收系统8的进料端连通，预热螺旋机4的出料口与料塞螺旋机5中间部位顶部的进料端连通，料塞螺旋机5一端的出料端则与T型进料管9的其中水平一端连通，T型进料管9的竖直部位则与两个串联在一起的且带有加热装置的椭圆形蒸煮管6总进料端连通，两个椭圆形蒸煮管6总的出料端则通过卸料中间管10与弯管喷放装置7的进料端连通。

斜螺旋脱水机1包括设置在斜螺旋脱水机体较低一端上方的脱水机进料口101和脱水机进料口101下方的漏斗形滤液出口102，斜螺旋脱水机体内的螺旋轴107上设置有斜螺旋脱水机螺旋叶片103，斜螺旋脱水机螺旋叶片103的下方斜螺旋脱水机体内支撑有带有筛板的脱水筛框104，斜螺旋脱水机体较高的一侧底部则开有脱水机出料口105，脱水机出料口105上方还设置有观察口106，斜螺旋脱水机螺旋叶片103在其减速电机的驱动下带动物料斜向上向脱水机出料口105运动。

回料螺旋机2的回料螺旋机体一端开有开口向上的回料进料口202，回料螺旋机体中间下方开有回料出料口203，回料螺旋机体的另一端底部则为回流口201，回料螺旋机2的螺旋叶片在减速电机带动下带动物料向回料出料口203和回流口201方向运动。

双波轮计量机3包括倒锥形的缓冲料槽301和与缓冲料槽301下端连通的双波轮计量机壳体302，双波轮计量机壳体302内设置有通过减速电机驱动转动的波轮转鼓303，每个波轮转鼓303的外侧分别支撑有位于波轮转鼓303上的弧形挡板304，每个波轮转鼓303的底部还分别设置有与波轮转鼓303相切的波轮转鼓刮刀305，缓冲料槽301上端开口为计量机进料口306，双波轮计量机壳体302下端开口则为计量机出料口307。

预热螺旋机4的机体一端为预热螺旋机进料口402，另一端则在底部及上部分别开有预热螺旋机出料口403和反馈口401，预热螺旋机4的螺旋叶片在减速机驱动下将物料向预热螺旋机出料口403和反馈口401方向输送，预热螺旋机4的机体内底部还设置有与外界蒸汽发生装置连通的预热螺旋机蒸汽进口404，其中预热螺旋机出料口403和反馈口401一端的预热螺旋机4的螺旋轴上还设置有垂直于螺旋轴的拨料棒405。

料塞螺旋机5的机体一端与T型进料管9连通，料塞螺旋机5的机体内设置有通过减速电机驱动的螺旋叶片，且料塞螺旋机5螺旋叶片在减速电机的驱动下使物料向T型进料管9一侧移动，其中料塞螺旋机5螺旋叶片的输出末端上下分别连通有料塞螺旋机反喷口501和漏斗形的料塞螺旋机挤出液出口502，料塞螺旋机5螺旋叶片的末端与螺旋转轴一体的光轴503连接，光轴503部位的料塞螺旋机5的机体形成料塞区504，料塞螺旋机挤出液出口502部位的机体内侧壁上还设置有筛框505，T型进料管9与料塞螺旋机5相对的一端设置有气缸506，气缸506的活塞杆507与堵在料塞螺旋机5出料端上的防反喷阀头508固定连接，T型进料管9上端分别设置有蒸汽进口管509和备用液体进口管5010。

椭圆形蒸煮管6包括蒸煮管椭圆形管体601和内部通过减速电机驱动的螺旋叶片组成，椭圆形蒸煮管6的螺旋叶片上边缘与蒸煮管椭圆形管体601内顶部之间留有上部间隙处602，椭圆形蒸煮管6的螺旋叶片下边沿与蒸煮管椭圆形管体601内底部之间留有下部间隙处603，椭圆形蒸煮管蒸汽管604位于蒸煮管椭圆形管体601底部，并与蒸煮管椭圆形管体601内连通，两个椭圆形蒸煮管6通过椭圆形蒸煮管连接管605连通形成串联结构，且椭圆形蒸煮管连接管605部位的椭圆形蒸煮管6螺旋轴上分别设置有出料口拨料棒606，椭圆形蒸煮管6的进料端设置有与T型进料管9出料端连通的膨胀节607，蒸煮管椭圆形管体601的顶部设置有多个仪表安装孔608、手孔609以及一个备用排气口6010。

弯管喷放装置7的喷放弯管701下端以及中间部位分别通过阀座702安装有用于控制该部位通断的第一锥形阀芯703和第二锥形阀芯704，第一锥形阀芯703和第二锥形阀芯704之间的喷放弯管701部位形成喷放室705，第一锥形阀芯703和第二锥形阀芯704分别通过固定连接的阀杆707与外界的间歇传动机构708传动连接。

本实用新型工作流程：切断洗涤后的秸秆物料，依次进入斜螺旋脱水机、回料螺旋机、双波轮计量机、预热螺旋机、料塞螺旋机和T型进料管、椭圆形蒸煮管、卸料中间管，完成蒸煮过程，通过弯管喷放装置中喷出；反喷物料接收系统用于接收意外情况下反喷的物料和蒸汽。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。