专利名称：梯度流化氨循环爆破法对植物秸秆去晶化的方法
技术领域：
本发明属于秸秆的生物化工领域，特别涉及一种梯度流化氨循环爆破法对植物秸秆去 晶化的方法，主要用于玉米秸秆、麦秆等多种植物秸秆的预处理。
背景技术：
未经处理的秸秆很难被微生物和酶水解，主要是因为构成秸秆细胞壁的木质纤维素的 结构较为复杂。木质纤维素主要包括纤维素、半纤维素、木质素三种组分，半纤维素和木 质素通过共价键联结成网络结构，将纤维素分子包埋其中，使酶不易与纤维素分子接触。 同时许多纤维素分子通过氢键连接共同组成结晶结构，使纤维素聚合物显示出刚性和高度 水不溶性，增加了酶解的困难。因此高效利用秸秆组分的关键在于通过对秸秆进行预处理， 部分去除木质素和半纤维素等成分，破坏纤维素的结晶结构，增加生物质材料的多孔性， 增加酶和原料的接触面积，提高酶的可及性，从而提高秸秆的酶解效率。
通过各种预处理方法，提高生物质纤维素糖转化率已在各领域得到广泛应用。目前的 预处理方法包括碱处理法，稀酸处理法，汽爆处理法等。这些方法在技术性与经济性方面 存在以下问题(1)在处理过程使部分糖降解，产生酸类，醛类物质，降低得糖率，抑制 后续发酵过程；(2)用化学方法处理完毕，不易从从产物中回收化学药品；(3)残留的化 学药品会抑制后续的发酵过程；(4)预处理和酶解后得糖率低，在经济上不可行。
美国Bruce E. Dale教授领导下的密歇根州立大学生物能源转化实验室，长期从事纤维 素预处理方向的研究，他们于上世纪80年代开发出一种利用液氨实现对秸秆爆破处理的 工艺——氨纤维爆破预处理工艺，简称AFEX工艺，并在AFEX工艺的设计和优化、参数 的控制和整体系统的整合方面一直处于世界领先水平。这一工艺使用高压液氨与秸秆反 应，加热并保温一段时间后突然减压，氨由液态变为气态实现秸秆爆破从而达到预处理效 果，它具有极少产生发酵抑制物、纤维素和半纤维素保存完好、可回收几乎全部氨、爆破 后残留的微量氨可作为糖发酵时的氮源等优点，是一种很有前途的秸秆预处理工艺。但是， 这种工艺也存在液氨成本较高、达到高压条件所需能耗较大、氨回收工艺的设备投资和能 耗较大、对硬木和软木处理效果较差、随着秸秆中木质素含量的升高处理效果变差等缺点。
发明内容
本发明的目的是针对现有AFEX工艺处理秸秆的不足，提供一种改进的利用梯度流化 氨循环爆破法对植物秸秆去晶化的方法，为生物质能源的开发利用提供一条新的途径。该 方法用流化的氨液(液氨或氨水)代替AFEX工艺中静滞的液氨以提高反应效率，可通过 调节氨的流量实现流化程度随时间的梯度变化，用氨水部分取代液氨从而降低成本，使整 套工艺更趋近实际生产应用的目标，有较大的应用潜力。
本发明提供的梯度流化氨循环爆破法对植物秸秆去晶化的方法中的装置包括秸秆粉 碎机、氨瓶、柱塞泵、氨液爆破反应罐、氨液缓冲罐、物料接收罐、固液分离器和氨回收 塔。氨液爆破反应罐上端经由柱塞泵与氨瓶连接，下端与氨液缓冲罐的上端通过管道连接，并通过爆破阀与其正下方的物料接收罐连接，氨液缓冲罐下端与柱塞泵通过管道连接，物 料接收罐与固液分离器和氨回收塔连接。
本发明提供的利用梯度流化氨循环爆破法对植物秸秆去晶化的方法包括以下步骤:.
将秸秆用粉碎机粉碎并预浸后，放入氨液爆破反应罐中。用柱塞泵从氨瓶中将10-50ml 氨液/ (g干秸秆)的氨液(液氨或氨水)输送至反应罐，2-10ml氨液/ (g干秸秆)的氨液 输送至氨液缓冲罐，使循环氨载荷(所加入的氨液质量与干秸秆质量之比)达到12-60 ml 氨液/ (g干秸秆)。调节阀门，由柱塞泵提供动力，使氨不断在柱塞泵、氨液爆破反应罐 和氨液缓冲罐之间单向循环流动，从而实现反应罐中物料的流化，循环氨流量为10-50ml 氨液/ (g干秸秆.min)，并可通过调节氨的流量实现流化程度随时间的梯度变化。同时向 反应罐的夹套中通入饱和蒸汽加热至反应温度70-10(TC,反应压力3.2-6.2MPa，反应并保 温2-15min。反应结束后，柱塞泵停止工作，调节阀门将氨液爆破反应罐中的氨排放至氨 液缓冲罐，然后关闭两罐间的阀门，打开爆破阀，秸秆中的残留氨迅速挥发实现爆破。反 应罐中的物料在压差作用下进入物料接收罐，冷却后送入固液分离器中分离并收集所得固 体产品和液体产品。收集氨液缓冲罐中的氨液和物料接收罐中的氨气，通入氨回收塔中实 现氨的回收再利用。通入氮气吹除管路和氨液爆破反应罐、氨液缓冲罐、物料接收罐中的 残余氨。
上述中的所有蒸汽管路和氨液爆破反应罐、氨液缓冲罐、氨回收塔均用岩棉包裹实现 保温。
上述中的反应罐与氨液缓冲罐的连接管路中，反应罐出口处设有滤网，以阻止物料随 循环氨一同流出。
上述中的氨回收塔的塔顶操作温度和塔底操作温度分别为10 4(TC和120~140°C。 本发明提出了一种新型的梯度流化氨循环爆破法对植物秸秆去晶化的方法，并设计出 了一套能够顺利实现此工艺的装置。这套装置保证了物料在流化状态下与氨充分反应，并 可实现流化程度随时间的梯度变化，较之AFEX工艺中静滞的液氨提高了反应效率。用氨 水部分代替液氨进行反应也提高了工艺的经济性能。该方法处理周期短，经济效能高，所 处理物料的酶的可及性大为提高，从而使酶解率得到提高，整套工艺更趋近实际生产应用 的目标，有较大的应用潜力。
图1是本发明的工艺装置流程示意图。 图2是现有AFEX的主要工艺流程图。 图3是本发明的主要工艺流程图。
具体实施例方式
结合附图对本发明作进一步描述。
如图所示，l.粉碎机，2.氨瓶，3.柱塞泵，4.氨液爆破反应罐，5.氨液缓冲罐，6.物料 接收罐，7.固液分离器，8.氨回收塔。
柱塞泵3位于氨瓶2与氨液爆破反应罐4之间，同时通过管道与氨液缓冲罐5连接， 主要作用是将氨瓶2中的氨液或氨液缓冲罐5中的循环氨输送至氨液爆破反应罐4。氨液爆破反应罐4分别与柱塞泵3、氨液缓冲罐5和物料接收罐6连接，主要作用是 通过进料口接收经过粉碎机1粉碎后的秸秆和来自柱塞泵3的氨液，氨液与秸秆在其中进 行反应；氨液流出反应罐后进入氨液缓冲罐5，又被柱塞泵3输送回反应罐4，从而实现 氨的循环；反应结束后通过爆破阀将秸秆从反应罐4爆破至物料接收罐6。
物料接收罐6与氨f爆破反应罐4、固液分离器7和氨回收塔8连接，主要作用是接 收来自反应罐4的秸秆，'冷却后送入固液分离器7进行固液分离，残余氨则通入氨回收塔 8进行回收再用。
操作步骤如下
1) 粉碎预浸，将植物秸秆在秸秆粉碎机1中粉碎至粒径为l-20mm，然后用清水预浸 至含水量为10-60%;
2) 加料，控制阀门开关将秸秆由进料口加入氨液爆破反应罐4;
3) 通氨，用柱塞泵3从氨瓶2中将氨载荷为10-50 ml氨液/ (g干秸秆)的氨液(液 氨或氨水)输送至反应罐4， 2-10ml氨液/ (g干秸秆)的氨液输送至氨液缓冲罐5， 使循环氨载荷达到12-60 ml氨液/ (g干秸秆)；
4) 流化，调节阀门，由柱塞泵3提供动力，使氨不断在柱塞泵3、氨液爆破反应罐4 和氨液缓冲罐5之间单向循环流动，从而实现反应罐4中物料的流化，循环氨流 量为10-50ml氨液/ (g干秸秆 min)，并可通过调节氨的流量实现流化程度随时 间的梯度变化；
5) 加热，将蒸汽通入反应罐4的夹套，将物料和氨加热至70-10(TC;
6) 反应，物料与氨液在70-100'C、 3.2-6.2MPa、 10-50ml氨液/ (g干秸秆)、10-50ml 氨液/ (g干秸秆.min)的条件下反应并保温2-15min;
7) 排液，反应结束后，柱塞泵3停止工作，调节阀门，将氨液爆破反应罐4中的氨 排放至氨液缓冲罐5，然后关闭两罐间的阀门；
8) 氨爆，开启爆破阀，秸秆中的残留氨迅速挥发实现爆破。反应罐4中的物料在压 差作用下进入物料接收罐6;
9) 固液分离，物料冷却后送入固液分离器7中，分离并收集所得固体产品和液体产 a
10) 氨回收，收集氨液缓冲罐5中的氨液和物料接收罐6中的氨气，通入氨回收塔8 中实现氨的回收再利用；
11) 吹除，通入氮气吹除管路和氨液爆破反应罐4、氨液缓冲罐5、物料接收罐6中的 残余氨；
12) 清洗，用水管清洗氨液爆破反应罐4和物料接收罐6。 实施例1
将干玉米秸秆在秸秆粉碎机中粉碎至粒径约为8-10mm，用水预浸至含水量为60%， 放入氨液爆破反应罐，用柱塞泵按25ml氨液/ (g干秸秆)的液氨输送至氨液爆破反应罐， 5ml氨液/ (g干秸秆)的液氨输送至氨液缓冲罐，使循环氨载荷达到30 ml氨液/ (g干秸 秆)。调节阀门，由柱塞泵提供动力，使液氨不断在柱塞泵、氨液爆破反应罐和氮液缓冲罐之间循环流动，循环氨流量为25ml氨液/ (g干秸秆，min)，此时反应罐内的秸秆物料 处于聚式流化状态。向反应器夹套中通入蒸汽将物料加热至9(TC。反应5min后，柱塞泵 停止工作，调节阀门，将氨液爆破反应罐中的液氨排放至氨液缓冲罐，然后关闭两罐间的 阀门。开启爆破阀，秸秆中的残留氨迅速挥发实现爆破。反应罐中的物料在压差作用下进 入物料接收罐，冷却后送入固液分离器分离并收集所得固体产品和液体产品。收集氨液缓 冲罐中的氨液和物料接收罐中的氨气，排入氨回收塔中实现氨的回收再利用。通入氮气吹 除管路和氨液爆破反应罐、氨液缓冲罐、物料接收罐中的残余氨，并用水管清洗氨液爆破 反应罐和物料接收罐。处理后的秸秆的相对结晶度降低了 17.3%，酶解24h，酶解率达到 75.3%，酶解48h达到94.5%。 实施例2
将干玉米秸秆在秸秆粉碎机中粉碎至粒径为l-3mm，用水预浸至含水量为40%，放入 氨液爆破反应罐，用柱塞泵将40ml氨液/ (g干秸秆)的氨水输送至氨液爆破反应罐，8ml 氨液/ (g干秸秆)的氨水输送至氨液缓冲罐，使循环氨载荷达到48ml氨液/ (g干秸秆)。 调节阀门，由柱塞泵提供动力，使氨水不断在柱塞泵、氨液爆破反应罐和氨液缓冲罐之间 单向循环流动，循环氨流量为37.5ml氨液/(g干秸秆，min)，此时反应罐内的秸秆物料处 于均匀流化状态。向反应器夹套中通入蒸汽将物料加热至10(TC。反应5min后，将循环氨 流量由37.5 ml氨液/ (g干秸秆'min)减小至25 ml氨液/ (g干秸秆*min)，继续反应5min。 反应结束后，柱塞泵停止工作，调节阀门，将氨液爆破反应罐中的氨水排放至氨液缓冲罐， 然后关闭两罐间的阀门。开启爆破阀，秸秆中的残留氨迅速挥发实现爆破。反应罐中的物 料在压差作用下进入物料接收罐，冷却后送入固液分离器分离并收集所得固体产品和液体 产品。收集氨液缓冲罐中的氨液和物料接收罐中的氨气，排入氨回收塔中实现氨的回收再 利用。通入氮气吹除管路和氨液爆破反应罐、氨液缓冲罐、物料接收罐中的残余氨，并用 水管清洗氨液爆破反应罐和物料接收罐。处理后的秸秆的相对结晶度降低了 21.7%,酶解 24h，酶解率达到79.7%，酶解48h达到98.50/。。
权利要求
1、一种梯度流化氨循环爆破法对植物秸秆去晶化的方法，其特征在于包括的步骤1)将植物秸秆在秸秆粉碎机(1)中粉碎至粒径为1-20mm，并在预浸器(2)中预浸至含水量为10-60％；2)将秸秆加入氨液爆破反应罐(4)，并用柱塞泵(3)将氨瓶(2)中的氨液先后输送至反应罐(4)和氨液缓冲罐(5)，通过氨循环及调节氨的流量实现秸秆随时间的梯度流化，将蒸汽通入反应罐(4)的夹套中加热至设定温度并保温；3)在设定反应条件下反应并保温，将反应罐(4)中的氨液排放至氨液缓冲罐(5)，开启爆破阀实现物料的爆破，爆破后的秸秆物料进入物料接收罐(6)，冷却后送入固液分离器(7)分离并收集所得固体产品和液体产品，反应后的残余氨通入氨回收塔(8)进行回收再利用。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)所述的反应条件为温度为 70-100°C，压力为1.5-4.0MPa，循环氨载荷所加入的氨液质量与干秸秆质量之比为 12-60mL/g干秸秆，循环氨流量为10-50mL/g干秸秆 min，反应时间为2-15min。
3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)所述的秸秆随时间梯度流化 的实现方式为反应罐(4)中的氨不断流入氨液缓冲罐(5)，并由柱塞泵(3)提供动力 将氨输送回氨液爆破反应罐(4)，从而实现氨的单向循环流动，以此实现秸秆的流化，秸 秆随时间的流化梯度通过调节循环氨的流量实现。
4、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应罐(4)与氨液缓冲罐(5) 的连接管路中，反应罐(4)出口处设有滤网，以阻止物料随循环氨一同流出。
5、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)所述的回收氮的主要设备为 氨回收塔(8)，塔顶操作温度和塔底操作温度分别为10 40。C和120 14(rC。
6、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氨液爆破反应罐(4)的外部具有 夹套和岩棉保温层；蒸汽通入夹套中对反应罐(4)进行加热。
7、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤l)的所述的含水量为60%。
8、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)的反应温度为90-10(TC。
全文摘要
本发明涉及梯度流化氨循环爆破法对植物秸秆去晶化的方法。本发明中的装置包括秸秆粉碎机、氨瓶、柱塞泵、氨液爆破反应罐、氨液缓冲罐、物料接收罐、固液分离器和氨回收塔。其方法是将秸秆粉碎并用水预浸至含水量为10-60％，放入反应罐，用柱塞泵将氨液(液氨或氨水)先后输送至反应罐和氨液缓冲罐，通过氨循环及调节氨的流量实现秸秆随时间的梯度流化，同时用蒸汽将反应罐加热至70-100℃。反应2-15min后从反应罐排出氨液，将物料爆破到物料接收罐，冷却后送入固液分离器分离并收集所得固体产品和液体产品，回收反应后的氨。本发明的方法更趋近实际生产应用的目标，有较大的应用潜力。
文档编号D21C5/00GK101613972SQ20091006971
公开日2009年12月30日 申请日期2009年7月13日 优先权日2009年7月13日
发明者于胜栓, 锋 庞, 勇 康, 超 张 申请人:天津大学