纤维素乙醇原料的预处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种纤维素乙醇原料的预处理方法，其特征在于，该预处理方法包括以下步骤：步骤一、将纤维素原料添加至螺旋喂料器（20）中进行挤压脱水，以脱去所述纤维素原料中的至少一部分水份，并获得致密的料塞，该料塞中干物所占的重量比为20%至50%；步骤二、将所述料塞喂入一级蒸汽容器（30）中，然后打散，对打散后的纤维素原料进行一级蒸汽处理，所述一级蒸汽容器（30）中蒸汽的pH值小于7；步骤三、将一级蒸汽处理后的纤维素原料送入二级蒸汽容器（40）中进行二级蒸汽处理。利用本发明所述的预处理方法对纤维素原料进行预处理可以降低能耗，并且还能降低对纤维素原料进行蒸汽处理时生成的抑制物，提高纤维素和半纤维素的回收率。
【专利说明】纤维素乙醇原料的预处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纤维素乙醇的制造领域，具体地，涉及一种纤维素乙醇原料的预处理方法。
【背景技术】
[0002]能源和环境问题是实现可持续发展所必须解决的问题。从长远看液体燃料短缺将是困扰人类发展的大问题。在此背景下，生物质作为唯一可转化为液体燃料的可再生资源，正日益受到重视。所以生物质制液体燃料的技术很有发展前途，这中间又以生物质制燃料乙醇技术备受关注。现有工业化燃料乙醇生产均以糖或粮食为原料，其优点是工艺成熟，但是产量受原料的限制，难以长期满足能源需求。
[0003]从长远考虑，以纤维素(包括农作物秸杆、林业加工废料、甘蔗渣及城市垃圾等)为原料生产燃料乙醇，可能是解决原料来源和进行规模化生产的主要途径之一。我国有发展纤维素制乙醇的有利条件，每年仅农作物秸杆就有7亿多吨(干重)，而我国粮食资源并不丰富，因此将农林废弃物转化为燃料乙醇，形成产业化利用，非常适合我国的国情，从能源安全角度上看也是十分有利的，而且可消除由焚烧秸杆造成的环境问题。
[0004]在利用纤维素原料制造乙醇前，需要对粉碎的纤维素原料进行预处理，以获得纤维素和半纤维素。目前常采用的预处理方法包括利用螺旋喂料器进行对粉碎的纤维素原料进行挤压获得料塞后，对料塞进行蒸汽处理，蒸汽处理后通过连续或间歇泄压的方式将纤维素排出容器。
[0005]在蒸汽处理时需要的蒸汽压力和温度均较高(压力大约在1.3MPa以上，温度在1800C以上)。此时产生的抑制物(乙酸、糠醛等)较多，影响后续处理。
[0006]因此，如何降低对纤维素原料进行预处理时的蒸汽温度和压力本领域亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种纤维素乙醇原料的预处理方法，该预处理方法处理纤维素原料时所需的蒸汽温度和压力均较低，且能获得较高的纤维素和半纤维素回收率。
[0008]为了实现上述目的，本发明提供一种纤维素乙醇原料的预处理方法，其中，该预处理方法包括以下步骤:
[0009]步骤一、将纤维素原料添加至螺旋喂料器中进行挤压脱水，以脱去所述纤维素原料的至少一部分水份，从而获得致密的料塞，该料塞中干物所占的重量比为20%至50% ；
[0010]步骤二、将所述料塞喂入一级蒸汽容器中，然后打散，对打散后的纤维素原料进行一级蒸汽处理，所述一级蒸汽容器中蒸汽的PH值小于7 ;
[0011]步骤三、将一级蒸汽处理后的纤维素原料送入二级蒸汽容器中进行二级蒸汽处理。
[0012]优选地，所述螺旋喂料器的螺旋压缩比为3.0至4.5。[0013]优选地，在将所述纤维素原料添加至所述螺旋喂料器中之前，将所述纤维素原料与水或PH值小于7的溶液进行混合。
[0014]优选地，所述pH值小于7的溶液为硫酸溶液，该硫酸溶液的浓度为0.5%至10%。
[0015]优选地，所述纤维素原料与水或所述pH值小于7的溶液的重量之比为1:10至1:100。
[0016]优选地，所述一级蒸汽容器和所述二级蒸汽容器中的蒸汽压力均为0.7MPa至
0.9MPa。
[0017]优选地，所述一级蒸汽容器和所述二级蒸汽容器中的蒸汽温度均为165°C至175。。。
[0018]优选地，所述步骤二中，所述一级蒸汽处理持续的时间为2_30min。
[0019]优选地，该预处理方法还包括:步骤四、对所述二级蒸汽容器进行泄压，并将蒸汽处理后的纤维素原料排出，以获得纤维素和半纤维素。
[0020]优选地，在所述步骤四中，每间隔第一预定时间对所述二级蒸汽容器进行泄压，每次泄压持续第二预定时间。
[0021]优选地，所述第一预定时间为2s至20s,所述第二预定时间为2s至5s。
[0022]通过将纤维素原料挤压脱水成干物所占重量比为20%至50%的料塞后，可以一次处理更多的纤维素原料，并得到更多的纤维素。在二级蒸汽处理前，用PH值低于7的蒸汽对纤维素原料进行处理，有利于在汽爆前将纤维素原料中的氢键破坏，可以降低对所述纤维素原料的进行处理的蒸汽温度和蒸汽压力。从而可以降低能耗，并且还能降低对纤维素原料进行蒸汽处理时生成的抑制物，提高纤维素和半纤维素的回收率。
[0023]本发明的其他特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的【具体实施方式】一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中:
[0025]图1是本发明所述的纤维素乙醇原料的预处理方法所用到的系统。
[0026]附图标记说明
[0027]10绞龙输送机20螺旋喂料器
[0028]30一级蒸汽容器40二级蒸汽容器
[0029]50进料皮带机60螺旋推料器
[0030]70回料皮带80漂洗机
[0031]90脱水机
【具体实施方式】
[0032]以下结合附图对本发 明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0033]本发明提供一种纤维素乙醇原料的预处理方法，其中，该预处理方法包括以下步骤:
[0034]步骤一、将纤维素原料添加至螺旋喂料器20中进行挤压脱水，以脱去所述纤维素原料的至少一部分水份，从而获得致密的料塞，该料塞中干物所占的重量比为20%至50% ；
[0035]步骤二、将所述料塞喂入一级蒸汽容器30中，然后打散，对打散后的纤维素原料进行一级蒸汽处理，所述一级蒸汽容器30中蒸汽的pH值小于7 ;
[0036]步骤三、将一级蒸汽处理后的纤维素原料送入二级蒸汽容器40中进行二级蒸汽处理。
[0037]图1中所示的是进行所述预处理方法的系统。利用螺旋喂料器20将纤维素原料挤压成料塞的优点两个:一、可以在蒸汽处理时处理较多的物料；二、可以利用料塞封住一级蒸汽容器30中的蒸汽，并持续不断地将料塞送入一级蒸汽容器30中。对所述纤维素原料进行脱水有利于提高一次处理的纤维素原料的量，从而提高纤维素的总体回收率。
[0038]所述料塞喂入一级蒸汽容器30中之后被打散。可以在一级蒸汽容器30的入口的下方设置破碎装置(如，钩状物、针状物等)，使得所述料塞进入一级蒸汽容器中之后即可被打散。为了使一级蒸汽容器30中的pH值小于7的蒸汽与纤维素原料充分接触，优选地，可以在一级蒸汽容器30中设置绞龙，对进入一级蒸汽容器30中的纤维素原料进行的搅拌，使之与PH值小于7的蒸汽进行充分的接触。
[0039]利用pH值小于7的蒸汽对纤维素原料进行处理后，纤维素原料中的氢键被破坏，可以降低对二级蒸汽容器40中蒸汽的压力和温度的要求，即，在利用温度和压力相对较低的水蒸汽对一级蒸汽处理后的纤维素原料进行处理然后汽爆即可获得所需的纤维素和半纤维素。而且，经一级蒸汽处理后，二级蒸汽处理持续的时间也有所缩短。二级蒸汽容器40中的蒸汽压力和温度降低后，一方面蒸汽压力降低可以降低对二级蒸汽容器40本身的要求；另一方面，温度降低后，可以降低二级蒸汽处理时纤维素原料中的部分纤维素降解转变成抑制物(如，糠醛、乙酸等)，提高了获得的纤维素和半纤维素的纯度；再一方面，二级蒸汽处理时间缩短后，可以降低水蒸汽的用量，降低纤维素乙醇原料的预处理时的能耗。
[0040]为了使一级蒸汽容器30中的蒸汽pH值小于7，可以在一级蒸汽容器30中加入酸(如，稀硫酸)或酸酐(如二氧化硫)。
[0041]为了在步骤一中获得干物重量比为20%至50%的料塞，优选地，螺旋喂料器20的螺旋压缩比可以为3.0至4.5。
[0042]干物在料塞中所占的比例越大，则可以对一级蒸汽容器30的入口密封更紧密，防止一级蒸汽容器30中的蒸汽逸出。并且，料塞中干物比例越大，能够处理的纤维素原料越多。
[0043]在所述步骤一之前，还可以将粉碎的纤维素原料添加至漂洗机80中进行漂洗，然后将漂洗过的纤维素原料送入脱水机中进行脱水。随后可以将脱水后的纤维素原料送至进料皮机50中，由进料皮带机50将纤维素原料送入绞龙输送机10中，然后再由绞龙输送机10将纤维素原料送入螺旋喂料器20中。未及时从绞龙输送机10的出料口进入螺旋喂料器20的物料可以通过绞龙输送机10的回料口到达回料皮带70，并由该回料皮带70送回脱水机90。
[0044]为了降低所述步骤二中一级蒸汽处理的蒸汽温度和蒸汽压力或进一步降低所述步骤三中二级蒸汽处理的蒸汽温度和蒸汽压力，优选地，在将所述纤维素原料添加至所述螺旋喂料器20中之前，可以将所述纤维素原料与水或pH值小于7的溶液进行混合。
[0045]将纤维素原料与水混合后可以将纤维素原料的木质素软化，有利于降低一级蒸汽处理和二级蒸汽处理时的蒸汽温度和压力。
[0046]而利用pH值小于7的溶液可以对纤维素原料进行预处理，先破坏纤维素原料中的一部分氢键，也利于降低一级蒸汽处理和二级蒸汽处理时的蒸汽温度和压力。例如，可以在漂洗机80中添加酸溶液，或者可以在绞龙输送机10中添加酸溶液。
[0047]在本发明中，所述pH值小于7的溶液可以为酸溶液(例如，磷酸溶液、)所述pH值小于7的溶液为硫酸溶液，该硫酸溶液的浓度为0.5%至10%。选择此浓度的稀硫酸溶液既可以破坏纤维素原料中的氢键，而且可以降低处理后产生的污水的处理难度。
[0048]在本发明中，所述纤维素原料与水或所述pH值小于7的溶液的重量之比可以为1:10 至 1:100。
[0049]在进行所述步骤二时，一级蒸汽容器30中的蒸汽压力可以为0.7MPa至0.9MPa。在进行所述步骤三时，二级蒸汽容器40中的蒸汽压力可以为0.7MPa至0.9MPa。在本发明中的二级蒸汽容器40中蒸汽压力低于不进行一级蒸汽处理时的二级蒸汽容器中的蒸汽压力(不进行一级蒸汽处理时，二级蒸汽容器中的蒸汽压力须达到1.3MPa至1.7MPa)。
[0050]在进行所述步骤二时，一级蒸汽容器30中的蒸汽温度可以为165°C至175°C，在进行所述步骤二时，所述二级蒸汽容器40中的蒸汽温度也可以为165°C至175°C。在本发明中的二级蒸汽容器40中蒸汽温度低于不进行一级蒸汽处理时的二级蒸汽容器中的蒸汽温度(不进行一级蒸汽处理时，二级蒸汽容器中的蒸汽温度须达到180°C以上)。
[0051]为了减少蒸汽的用量，降低能耗，并达到理想的处理效果(即，破坏纤维素原料中的部分氢键)，优选地，所述步骤二中，所述一级蒸汽处理持续的时间为2-30min。一级蒸汽处理时间越长，二级蒸汽处理时所需的蒸汽压力和蒸汽温度越低，获得的纤维素和半纤维素越多、抑制物越少。
[0052]在进行完所述步骤三之后，需要对二级蒸汽处理后的纤维素原料进行汽爆。即，所述预处理方法还包括:步骤四、对二级蒸汽容器40进行泄压，并将蒸汽处理后的纤维素原料排出，以获得纤维素和半纤维素。二级蒸汽容器40瞬间泄压可以打开纤维素原料的结构，使半纤维素部分降解，部分纤维素暴露在表面。
[0053]在本发明的步骤四中，可以每间隔第一预定时间t对所述二级蒸汽容器40进行泄压，每次泄压持续第二预定时间t2。二级蒸汽容器40上设置有喷放阀，通过控制喷放阀的打开和关闭可以控制每次泄压所经历的第二预定时间t2，以及相邻两次泄压所间隔的第一预定时间tl。所述第一预定时间tl越短，生产效率越高。并且，所述喷放阀打开时所持续的第二预定时间越短，则从二级蒸汽容器内溢出的蒸汽越少，从而不会二级蒸汽容器40内的压力产生大的影响。优选地，第一预定时间tl可以为2s至20s，第二预定时间t2可以为2s 至 5s。
[0054]优选地，可以在二级蒸汽容器40的出口处设置螺旋推料器60，从而便于将蒸汽处理后的纤维素原料从二级蒸汽容器40中推出。
[0055]以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0056]另外需要说明的是，在上述【具体实施方式】中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0057]此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
【权利要求】
1.一种纤维素乙醇原料的预处理方法，其特征在于，该预处理方法包括以下步骤: 步骤一、将纤维素原料添加至螺旋喂料器(20)中进行挤压脱水，以脱去所述纤维素原料的至少一部分水份，从而获得致密的料塞，该料塞中干物所占的重量比为20%至50% ；步骤二、将所述料塞喂入一级蒸汽容器(30)中，然后打散，对打散后的纤维素原料进行一级蒸汽处理，所述一级蒸汽容器(30)中蒸汽的pH值小于7 ； 步骤三、将一级蒸汽处理后的纤维素原料送入二级蒸汽容器(40)中进行二级蒸汽处理。
2.根据权利要求1所述的预处理方法，其特征在于，所述螺旋喂料器(20)的螺旋压缩比为3.0至4.5。
3.根据权利要求1所述的预处理方法，其特征在于，在将所述纤维素原料添加至所述螺旋喂料器(20)中之前，将所述纤维素原料与水或pH值小于7的溶液进行混合。
4.根据权利要求3所述的预处理方法，其特征在于，所述pH值小于7的溶液为硫酸溶液，该硫酸溶液的浓度为0.5%至10%。
5.根据权利要求4所述的预处理方法，其特征在于，所述纤维素原料与水或所述pH值小于7的溶液的重量之比为1:10至1:100。
6.根据权利要求1所述的预处理方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述一级蒸汽容器(30)和所述二级蒸汽容器(40)中的蒸汽压力均为0.7MPa至0.9MPa。
7.根据权利要求6所述的预处理方法，其特征在于，所述一级蒸汽容器(30)和所述二级蒸汽容器(40)中的蒸汽温度均为165°C至175°C。
8.根据权利要求7所述的预处理方法，其特征在于，所述步骤二中，所述一级蒸汽处理持续的时间为2-30min。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的预处理方法，其特征在于，该预处理方法还包括:步骤四、对所述二级蒸汽容器(40)进行泄压，并将蒸汽处理后的纤维素原料排出，以获得纤维素和半纤维素。
10.根据权利要求9所述的预处理方法，其特征在于，在所述步骤四中，每间隔第一预定时间(tl)对所述二级蒸汽容器(40)进行泄压，每次泄压持续第二预定时间(t2)。
11.根据权利要求10所述的预处理方法，其特征在于，所述第一预定时间(t)为2s至20s,所述第二预定时间(t2)为2s至5s。
【文档编号】D21C5/00GK103898788SQ201210572124
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年12月25日 优先权日:2012年12月25日
【发明者】岳国君, 李北, 李春玲, 魏拥辉, 李 杰, 孙岩, 王广霞, 彭霞, 林海龙, 武国庆, 邓立康, 许克家, 杜伟彦, 高尚 申请人:中粮营养健康研究院有限公司, 中粮生化能源（肇东）有限公司, 中粮集团有限公司