一种汽爆-酸介质协同作用的秸秆三素高效分离转化方法

1.本发明涉及化学工程领域，具体涉及一种汽爆-酸介质协同作用的秸秆三素高效分离转化方法及系统。


背景技术：

2.绿色、清洁、低碳的生物质是唯一能够大规模取代化石燃料的可再生绿色资源，具有不可替代的基础功能和战略地位。我国生物质秸秆年产量高达9亿吨，但普遍存在利用率低，产品附加值不高等问题。催化水解既可以实现秸秆的高值化利用，又可以减少碳排放，助推“双碳”目标的实现。生物质秸秆结构致密，性质非常复杂，难以直接水解，因此需要对秸秆进行预处理。
3.目前国内外大力研究的预处理方法，其中包括有汽爆法、化学试剂浸泡等预处理方法，这些方法都存在一些缺陷，如公开号cn103045656a的专利公开了一种汽爆秸秆物料技术，但单纯的汽爆技术汽爆压力较高，保压时间较长，且汽爆后半纤维素和纤维素的降解糖收率低；稀酸处理时酸用量大且处理时间长，浸渍一般需要5-12h。
4.因此开发处理时间短、低污染、低能耗、高转化率、低糖分损失率的秸秆三素预处理方法十分必要。


技术实现要素：

5.针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种汽爆-酸介质协同作用的秸秆三素高效分离转化方法及系统，其将稀酸与秸秆物料同时加入到反应釜中，通入高温高压蒸汽，高温高压的蒸汽将酸汽化带入纤维内部进行反应，稀酸能够提高蒸汽的渗入程度，促进半纤维素的解离，极大地缩短了反应时间，降低了酸用量、蒸汽用量与蒸汽压力，实现秸秆三素高效分离转化的同时也达到了节能减排的目的。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.一种汽爆-酸介质协同作用的秸秆三素高效分离转化系统，包括进料器、反应釜、蒸汽冷凝器、蒸汽发生器、进气阀、出料池和板框压滤机；
8.所述进料器下端连接有所述反应釜，反应釜内部安装有喷淋头，喷淋头与外部供酸管路连接，供酸管路上安装有喷淋阀；
9.所述反应釜上分别安装有蒸汽发生器和蒸汽冷凝器，反应釜与蒸汽发生器之间设有进气阀，通过其控制饱和蒸汽进入，所述反应釜与蒸汽冷凝器之间设有泄压阀，通过其控制冷凝液回收；
10.所述反应釜下端与出料池连接，所述出料池末端连接板框过滤机。
11.进一步地，所述出料池中盛有除盐水，用于与反应釜出料形成悬浮液。
12.本发明的另一个目的是提供一种汽爆-酸介质协同作用对秸秆三素进行处理的方法，包括以下步骤：
13.s1：将秸秆物料输送到进料器中，物料经过进料器的缓冲后进入反应釜中；
14.s2：同时打开喷淋阀，所述0.5-30wt％稀酸通过喷淋头连续喷淋到秸秆表面；
15.s3：打开进气阀，蒸汽发生器向反应釜通入饱和蒸汽，在饱和蒸汽与稀酸的共同作用下，秸秆物料发生三素分离转化；
16.s4：打开泄压阀，蒸汽进入到蒸汽冷凝器中回收热量，冷凝液通入秸秆水解池继续利用；泄压后秸秆物料由反应釜底部进入到出料池，与出料池中的水混合形成悬浮液；
17.s5：悬浮液进入板框压滤机进行压滤，压滤后固相进入水解工段进行水解，液相通入收集池，进行分离提纯得到低聚木糖等高附加值产品。
18.进一步地，所述步骤s3中所述汽爆保压时间为0-10min，反应蒸汽压力为0.5-1.5mpa。
19.进一步地，所述步骤s1的秸秆粒径为0-50mm。
20.进一步地，所述步骤s2稀酸包括硫酸、硝酸、盐酸。
21.本发明的有益效果在于：
22.1、一方面本发明将秸秆物料与稀酸同时加入到反应釜中，稀酸喷淋到生物质表面，使物料与酸充分混合，然后通过高温高压的蒸汽将酸汽化带入纤维内部进行反应，酸能够软化纤维并催化半纤维素水解，完全不需要前期进行稀酸浸泡，降解时间缩短了5-12h；
23.2、另一方面，稀酸能够提高蒸汽的渗入程度，汽爆预处理的时间由10-30min缩短至0-10min，反应蒸汽压力由汽爆预处理的1.0-2.0mpa降低至0.5-1.5mpa；同时高温高压蒸汽使纤维进一步机械破裂，提高纤维吸附能力，促进半纤维素木质素水解；蒸汽与酸协同作用使得酸用量和蒸汽用量与蒸汽压力都大幅降低，实现秸秆三素高效分离转化的同时也达到了节能减排的目的；
24.3、本发明反应条件温和、操作简单、产率高，固相中主要是断裂的纤维素和木质素以及少量未解离的半纤维素，液相通入收集池，液相主要为半纤维素水解产物，其产物更多的是低聚木糖，还会有痕量水解更彻底的木糖、葡萄糖、阿拉伯糖等单糖，进行分离提纯得到低聚木糖等高附加值产品。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明实施例1提供的是一种汽爆-酸介质协同作用的秸秆三素高效分离转化系统的结构示意图；
27.附图标记说明：
28.1、进料器；2、喷淋阀；3、反应釜；4、泄压阀；5、蒸汽冷凝器；6、蒸汽发生器；7、进气阀；8、出料池；9、板框压滤机。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.实施例1
31.如图1所示，一种汽爆-酸介质协同作用的秸秆三素高效分离转化系统，包括进料器1、喷淋阀2、反应釜3、泄压阀4、蒸汽冷凝器5、蒸汽发生器6、进气阀7、出料池8、板框压滤机9。
32.进料器1下端连接反应釜3，反应釜3内部安装有喷淋头，喷淋头与外部供酸管路连接，供酸管路上安装有喷淋阀2。反应釜3上分别安装有蒸汽发生器6和蒸汽冷凝器5，反应釜3与蒸汽发生器6之间设有进气阀7，通过其控制饱和蒸汽进入，所述反应釜3与蒸汽冷凝器5之间设有泄压阀4，通过其控制冷凝液回收。
33.反应釜3下端与出料池8上端连接，出料池8末端连接板框过滤机9，出料池8中盛有除盐水，用来与反应釜出料形成悬浮液。
34.实施例2
35.本发明利用上述装置实现汽爆-酸介质协同作用对秸秆三素进行处理的方法，包括以下步骤：
36.将秸秆(0-50mm粒径)物料输送到进料器1中，物料经过进料器1的缓冲后进入反应釜3中，同时打开喷淋阀2，稀酸(0.5-30％)通过喷淋头连续喷淋到秸秆表面；之后蒸汽发生器6向反应釜3通入饱和蒸汽，在饱和蒸汽与稀酸的共同作用下，秸秆物料发生三素分离转化；最后蒸汽通过泄压阀4进入到蒸汽冷凝器5中回收热量，冷凝液通入秸秆水解池继续利用；泄压后秸秆物料由反应釜3底部进入到出料池8，与出料池8中的水混合形成悬浮液。之后悬浮液进入板框压滤机9进行压滤，压滤后固相进入水解工段进行水解，固相中主要是断裂的纤维素和木质素以及少量未解离的半纤维素，液相主要为半纤维素水解产物，因反应条件较温和，其产物更多的是低聚木糖(本发明的目标产物)，还会有痕量水解更彻底的单糖(木糖、葡萄糖、阿拉伯糖等物质)，液相通入收集池，进行分离提纯得到低聚木糖等高附加值产品。即可实现半连续半间歇的汽爆-酸介质协同作用处理秸秆三素的过程。
37.所述稀酸包括硫酸、硝酸、盐酸，最优的，所述稀酸为硫酸。
38.本发明将秸秆物料与稀酸同时加入到反应釜3中，酸喷淋到生物质表面，使物料与酸充分混合，然后通过高温高压的蒸汽将酸汽化带入纤维内部进行反应，酸能够软化纤维并催化半纤维素水解，完全不需要前期进行稀酸浸泡，降解时间缩短了5-12h。
39.同时，稀酸能够提高蒸汽的渗入程度，由汽爆预处理的10-30min缩短至0-10min，反应蒸汽压力由汽爆预处理的1.0-2.0mpa降低至0.5-1.5mpa。同时高温高压蒸汽使纤维进一步机械破裂，提高纤维吸附能力，促进半纤维素木质素水解。蒸汽与酸协同作用使得酸用量和蒸汽用量与蒸汽压力都大幅降低，实现秸秆三素高效分离转化的同时也达到了节能减排的目的。
40.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。