一种利用秸秆生产乙醇的成型、辐照及酶解处理系统的制作方法

本发明涉及秸秆利用领域，尤其涉及一种利用秸秆生产乙醇的成型、辐照及酶解处理系统。

背景技术：

我国是一个能源严重缺乏但其需求量巨大的国家，目前使用的能源物质主要是石油、煤炭、天然气等。这些化石能源不仅储藏量有限，而且其大量使用也带来了严重的环境问题。发展清洁可再生能源刻不容缓。生物质能源是一种丰富的可再生能源，如果能得到合理利用，将可以大大减少对化石能源的过分依赖，在构建我国未来能源安全新系统中具有举足轻重的地位。

农作物秸秆是生物质能源的重要组成部分，其蕴含着巨大的能量。我国的农作物秸秆资源十分丰富，秸秆总产量达7亿多吨。但因其分布地域广，存在收获的季节性和差异性，且缺乏收集贮运技术和相配套的装备，因此大量秸秆得不到合理收集和利用而被大量焚烧，随之产生的污染问题已成为社会一大公害。秸秆原料中的天然纤维素和半纤维素均为多糖，经水解发酵可转化为乙醇、有机酸和其它可替代化石能源产品的化合物，因此对其进行合理的收集利用已成为当今研究的热点之一。

为了使秸秆原料适用于燃料乙醇的生产，传统的处理方式是将秸秆经机械粉碎或研磨成小颗粒的秸秆粉，其优点是操作简单易行，容易实施，但机械粉碎能耗大、对物料的脆性和水分含量有较高的要求，粉碎粒度也受到限制，从而导致生产成本难以控制，因此需要先进行改性预处理以改变其理化性状。研究人员在收集、处理、成本、能耗以及对环境影响的技术瓶颈方面对农作物秸秆进行了深入的研究，发现对秸秆原料进行预处理后可以很好地解决成本和能耗的问题，从而实现达到秸秆的高效利用。由此可见，秸秆的预处理方法是突破目前秸秆高效利用的关键之一。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明目的在于提供一种利用秸秆生产乙醇的成型、辐照及酶解处理系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种利用秸秆生产乙醇的成型系统，所述成型系统包括输送装置、剪切装置、成型装置和装料箱；所述输送装置包括一级输送机构、辊轮机构、二级输送机构以及三级输送机构，所述一级输送机构的输出端与所述辊轮机构的输入端连接，所述辊轮机构的输出端与所述二级输送机构的输入端连接，所述二级输送机构的输出端与所述成型装置的进料口连接，所述剪切装置位于所述二级输送机构的上方，所述成型装置的出料口位于所述三级输送机构的上方，所述装料箱位于所述三级传输机构上并能随其输送而经过所述成型装置的出料口的下方，该系统能够简单地将秸秆原料压缩成稳定不变形的秸秆块。

进一步的，所述一级输送机构、二级输送机构、三级输送机构均为传送带输送机构，所述输送装置还包括一平料辅助带，所述平料辅助带设置于二级输送带上方，位于所述辊轮机构和所述剪切装置之间且靠近所述辊轮机构，整个输送带配合平料辅助带能够起到防止秸秆端部翘起、调整并提高平整度和引导秸秆的作用，有利于后续剪切装置的剪切作业。

进一步的，所述剪切装置包括剪切机构，所述剪切机构包括切刀、连杆机构、电机和导轨，所述电机通过所述连杆机构与所述切刀实现动力传输，将其旋转运动转化为切刀的往复运动，所述导轨限制所述切刀的运动轨迹，所述切刀上设置有导向槽，所述导轨上设置有与所述导向槽匹配的导向机构，所述导向机构沿所述导向槽运动，采用该种机构不仅在剪切时能保证较大的剪切力，同时在回程时能快速返回。

进一步的，所述剪切装置还包括剪切辅助机构，所述剪切辅助机构位于所述剪切机构两侧，所述剪切辅助机构包括一凸轮机构，该凸轮机构包括凸轮、滚子推杆、复位弹簧、弹簧固定套板、弹簧固定圆板和压料部件，所述弹簧固定圆板固定套接在所述滚子推杆的上端，所述滚子推杆活动套接在弹簧固定套板上，所述复位弹簧套接在所述滚子推杆上并通过所述弹簧固定套板和弹簧固定圆板限位，所述弹簧固定套板与机架连接，所述凸轮与所述滚子推杆接触，并结合所述复位弹簧将其旋转运动转化为所述滚子推杆的往复运动，所述滚子推杆的下端连接有所述压料部件，所述压料部件为半月牙形，采用该剪切辅助机构可以防止剪切机构在向下运动剪切秸秆时，秸秆两端上翘，破坏传送带上的其它平整好的秸秆，同时，能够防止切刀向上运动的过程中带起粘结的秸秆切断端部。

进一步的，所述成型装置包括挤压活塞和成型缸体，所述挤压活塞沿成型缸体上下运动，所述成型缸体侧面设置有一进料口，底端设置有导向槽，其内活动插接有一落料板，所述落料板通过往复运动完成所述成型缸体底面出料口的打开和关闭动作，所述装料箱底部设置有缓冲弹簧，该装置完成了秸秆的入料、成型和出料的全自动过程。

进一步的，还包括⁶⁰Co-γ辐照系统，其输入端与所述三级输送机构的输出端连接；所述⁶⁰Co-γ辐照系统包括辐照室，所述辐照室内设置有多块辐照源板，装有秸秆块的所述装料箱依次迂回曲折经过多块所述辐照源板。

进一步的，所述辐照源板为4块，呈两两平行、两两共面的方式设置在所述辐照室内，依次形成第一辐照区、第二辐照区、第三辐照区，第二辐照区位于两组共面的辐照源板中间,所述第一辐照区和第二辐照区位于所述第二辐照区的两侧，所述装料箱呈“S”形迂回曲折依次通过第一辐照区、第二辐照区、第三辐照区，通过“弱-强-弱”的辐照模式，显著提高了秸秆的纤维素结构的破坏程度以及破坏后的稳定程度。

进一步的，还包括依次连接的秸秆粉碎系统和电子束辐照系统，所述秸秆粉碎系统输入端与所述⁶⁰Co-γ辐照系统的输出端连接，所述电子束辐照系统与所述秸秆粉碎系统的输出端连接；所述电子束辐照系统包括“回”形迷宫通道，所述迷宫通道包括多个拐角，对秸秆颗粒进行辐照，更进一步提高了秸秆的纤维素结构的破坏程度，增加了秸秆颗粒内的还原糖。

进一步的，还包括酶解发酵系统，其与所述电子束辐照系统的输出端连接；包括酶解装置和发酵装置，所述酶解装置和所述发酵装置之间设置有第一核孔膜装置，所述发酵装置包括发酵室和乙醇收集室，所述发酵室和所述乙醇收集室之间设置有第二核孔膜装置，所述酶解装置包括自上向下依次连接的粗糖化室、细糖化室和酶回收室，所述粗糖化室和所述细糖化室之间设置有筛网，所述酶回收室和所述细糖化室之间设置有第三核孔膜装置，所述酶回收室能将其内酶液输送至所述粗糖化室，使用该种系统能够效率更高地得到纯度更高的乙醇初产物。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明将⁶⁰Co-γ辐照与电子束辐照相结合，不仅可以提高原料的处理量，还可以缩短处理时间，提高处理效率；

2.本发明中采用γ射线进行一次辐照处理的秸秆原料，能使其组织结构快速被破坏而提高秸秆的脆性使之易于粉碎，减少机械粉碎的能耗；

3.⁶⁰Co-γ辐照室源板以及材料辐照过程路径迂回次数均得到了增加，相应地，辐照强度和效率也都得到了提高；

4.电子束辐照系统由于迷道拐角次数较多，出口处剂量率较低，辐射屏蔽既经济又有效；

5.酶解发酵系统采用生物转化制备乙醇的分散、耦合、并行系统，解除了酶解、发酵过程产物的反馈抑制，同时，酶解和发酵均在最适条件下进行，提高了酶解糖得率、发酵乙醇得率；

6.本发明充分利用了现有废弃的秸秆资源，为秸秆资源的增值再利用提供了新的途径，同时减轻了农业面源污染和因焚烧造成的环境污染；

7.本发明中利用成型系统将秸秆打捆成型，实现秸秆的快速、规则打包；并将打包好的秸秆块体装入装料箱中，每箱装入上下两块秸秆块体，辐照一圈后进行上下换层，以减少辐照不均匀度。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例公开的乙醇生产综合系统示意图；

图2是本发明实施例公开的成型系统示意图；

图3是本发明实施例公开的剪切辅助机构示意图；

图4是本发明实施例公开的剪切机构示意图；

图5是本发明实施例公开的成型装置示意图；

图6是本发明实施例公开的⁶⁰Co-γ辐照系统示意图；

图7是本发明实施例公开的秸秆粉碎系统示意图；

图8是本发明实施例公开的电子束辐照系统示意图；

图9是本发明实施例公开的秸秆酶解发酵系统示意图；

图10是本发明实施例公开的乙醇精馏系统、分子筛吸附系统示意图。

图例说明：

1、成型系统；11、剪切装置；111、剪切辅助机构；1111、压料部件；1112、弹簧固定套板；1113、复位弹簧；1114、弹簧固定圆板；1115、滚子推杆；1116、凸轮；112、剪切机构；1121、电机；1122、切刀；1123、导轨；1124、连杆机构；12、成型装置；121、挤压活塞；122、成型缸体；1221、落料板；1222、进料口；1223、导向槽；13、装料箱；14、输送装置；140、一级输送机构；141、平料辅助带；142、三级输送机构；143、二级输送机构；144、辊轮机构；

2、⁶⁰Co-γ辐照系统；21、辐照室；22、辐照源板；231、第一辐照区；232、第二辐照区；233、第三辐照区；

3、秸秆粉碎系统；31、粉碎机；32、吸料风机；33、旋风分离器；

4、电子束辐照系统；41、电子束辐照室；42、电子束发生器；43、辐照通道；

5、酶解发酵系统；51、酶解装置；511、粗糖化室；512、细糖化室；513、酶回收室；514、筛网；515、第三核孔膜装置；52、发酵装置；521、发酵室；522、乙醇收集室；523、第二核孔膜装置；53、第一核孔膜装置；

6、乙醇精馏系统；61、蒸馏罐；611、精馏段；612、提馏段；62、蒸汽发生装置；

7、分子筛吸附系统；71、过热器；72、分子筛；73、冷凝器；74、成品酒精罐。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明实施例公开了一种乙醇生产综合系统，如图1至图10所示。该综合系统包括成型系统1、⁶⁰Co-γ辐照系统2、秸秆粉碎系统3、电子束辐照系统4、酶解发酵系统5、乙醇精馏系统6和分子筛吸附系统7，成型系统1的输出端连接⁶⁰Co-γ辐照系统2的输入端，⁶⁰Co-γ辐照系统2的输出端连接秸秆粉碎系统3的输入端，秸秆粉碎系统3的输出端连接电子束辐照系统4的输入端，电子束辐照系统4的输出端连接酶解发酵系统5的输入端，酶解发酵系统5的输出端连接乙醇精馏系统6的输入端，乙醇精馏系统6的输出端连接分子筛吸附系统7的输入端。而各系统之间优选采用自动化传送带连接，以实现该系统整体的自动控制，减少人工操作，其连接先后关系如图1所示。其中：

本实施例中的成型系统1包括输送装置14、剪切装置11、成型装置12和装料箱13；成型系统1的主要功能是利用输送装置14自动地将秸秆原料通过剪切装置11剪切成小段后输送入成型装置12，在成型装置12中挤压成型为秸秆块后将秸秆块自动装入装料箱13当中。输送装置14包括一级输送机构140、辊轮机构144、二级输送机构143以及三级输送机构142，上述的输送机构可以采用多种自动输送方式，在本实施例中，优选的，一级输送机构140、二级输送机构143、三级输送机构142均为传送带输送机构。

其中，一级输送机构140的输出端与辊轮机构144的输入端连接，辊轮机构144的输出端与二级输送机构143的输入端连接，二级输送机构143的输出端与成型装置12的进料口1222连接，剪切装置11位于二级输送机构143的上方，成型装置12的出料口位于三级输送机构142的上方，装料箱13位于三级输送机构142上并能随其输送而经过成型装置12的出料口的下方。此外，在辊轮机构144的出口端，还设置有一平料辅助带141，平料辅助带设置于二级输送机构143的上方，且位于辊轮机构144和剪切装置11之间，当经过辊轮机构144初步压实的秸秆原料从其输出端进入二级输送机构143时，平料辅助带141能够起到防止秸秆端部翘起、调整并提高平整度和引导秸秆的作用，有利于后续剪切装置11的剪切作业。而剪切装置11包括剪切辅助机构111和剪切机构112，其中剪切机构112是基于曲柄滑块机构运动的原理，该机构的切削执行端在行程末端能达到切削力的最大，同时速度最低，有利于切削秸秆时防止切刀过大冲击导致原料碎屑飞溅。如图3和图4所示，剪切机构112包括切刀1122、连杆机构1124、电机1121和导轨1123，电机1121通过连杆机构1124与切刀1122连接，将其旋转运动转化为切刀1122的上下往复运动以完成对秸秆的切断，导轨1123限制切刀1122的运动轨迹，切刀1122上设置有导向槽，导轨1123上设置有与导向槽匹配的导向机构，导向机构沿导向槽运动。为了防止剪切机构112在向下运动剪切秸秆时，秸秆两端上翘，破坏传送带上的其它平整好的秸秆，同时，为了防止切刀1122向上运动的过程中带起粘结的秸秆切断端部，该剪切装置11还设置有一剪切辅助机构111，如图3所示，剪切辅助机构111设置于剪切机构112两侧，剪切辅助机构111主要由一凸轮机构组成，包括凸轮1116、滚子推杆1115、复位弹簧1113、弹簧固定套板1112、弹簧固定圆板1114和压料部件1111，弹簧固定圆板1114固定套接在滚子推杆1115的上端，滚子推杆1115活动套接在弹簧固定套板1112上，复位弹簧1113套接在滚子推杆1115上并通过弹簧固定套板1112和弹簧固定圆板1114限位，弹簧固定套板1112与机架连接，滚子推杆1115的下端连接有压料部件1111，凸轮1116与滚子推杆1115始终保持接触，并结合复位弹簧1113将其旋转运动转化为滚子推杆1115的往复运动，在本实施例中，压料部件1111为开口朝向传送带的半月牙形状，该形状结构更有利于压紧秸秆。进一步，本实施例的成型装置12包括挤压活塞121和成型缸体122，其主要作用是将被切断的秸秆挤压成预定形状，挤压活塞121沿成型缸体122上下运动，其中，在本实施例中，挤压活塞121的上下运动采用液压装置驱动，其可以产生较大的挤压力，更有利于与秸秆的变形成块。成型缸体122侧面设置有一进料口1222，二级输送机构143的输送带将切断的秸秆从该进料口1222送入，成型缸体122上下面开口，底端设置有导向槽1223，其内活动插接有一落料板1221，落料板1221通过连接一齿轮齿条机构实现其往复运动完成成型缸体122底面的打开和关闭动作，成型的秸秆即可落入装料箱13，为了缓冲秸秆块落入装料箱13时的冲击力，装料箱13底部设置有缓冲弹簧。

成型系统1的工作过程为：首先将秸秆原料放置于一级输送机构140上，经其传送至辊轮机构144，经过辊轮机构144的压实后，进入二级输送机构143，并且通过平料辅助带141的调整后通过剪切装置11的下方，此时，剪切机构112两端的剪切辅助机构111先向下运动，当其压料部件1111压好固定秸秆后，切刀1122向下运动切断秸秆，即将秸秆切断为预设的长度，然后切刀1122回退向上运动离开秸秆，剪切辅助机构111然后向上运动。二级输送机构143将切断后的秸秆从成型装置12的进料口1222输入，待其检测到预设重量或者体积后挤压活塞121向下运动将秸秆挤压成块，静止数秒使秸秆成型紧固，防止或者减少弹性回变。此时，装料箱13按照预定的程序恰好经过并停留在成型缸体122底部开口的下端，此时，齿轮齿条机构拉出落料板1221，打开成型缸体122底部开口，成型后的秸秆块即落入装料箱13中，并随三级输送机构142的传送带输送至⁶⁰Co-γ辐照系统的入口处。

本实施例中的⁶⁰Co-γ辐照系统2包括辐照室21、辐照源板22，辐照室21整体为水泥浇筑，防止辐射能量外泄，其中辐照室为迷道式迂回曲折设计，防止在装料箱13进入和输出时，从辐照室21内部外泄辐射能量，多块辐照源板22设置在辐照室21的内部，为了充分辐照装料箱13的秸秆，本实施例中，辐照源板22的数量为4块，呈两两平行、两两共面的方式设置在辐照室21内，从而形成第一辐照区231、第二辐照区232、第三辐照区233，第二辐照区232位于两组辐照源板22中间，装料箱13呈“S”形迂回曲折经过第一辐照区231、第二辐照区232、第三辐照区233，经过第一辐照区231时，由于位于辐照源板22的边缘部，辐照强度较小，秸秆内部结构开始初步破坏，进而进入第二辐照区232，由于位于两排辐照源板22中央，辐照强度大，秸秆内部结构开始剧烈破坏，当经过第三辐照区233时，破坏的结构得以保持，抑制了反弹，通过“弱-强-弱”的辐照模式，显著提高了秸秆的破坏程度以及稳定程度，而采用“S”形路线，每个装料箱13可以往复10次以上的经过辐照源板22，从而使预处理更加充分。

本实施例的秸秆粉碎系统3包括依次连接的粉碎机31、吸料风机32和旋风分离器33，经辐照处理后的秸秆块经输送进入粉碎机31进行粉碎形成秸秆粉末，经过粉碎后的秸秆粉末包括粉尘和秸秆颗粒，其中秸秆颗粒才是下一步工序所需要的原料，为此秸秆粉末需要进行分离，在本实施例中，在粉碎机31的出料口接入一个吸料风机32，通过其抽吸产生负压，将秸秆粉末输送至旋风分离器33，旋风分离器33分离得到秸秆颗粒并输送至电子束辐照系统4。

本实施例的电子束辐照系统4包括电子束辐照室41和电子束发生器42，电子束辐照室41整体由水泥浇筑，其内设有迷道式辐照通道43，自动传送带将秸秆颗粒自动送入并送出，秸秆颗粒依次通过电子束发生器42的扫描盒接收进一步的辐照处理。其中，在试验中发现，在秸秆颗粒的辐照通道43中，每增加一个拐角，即增加一次散射，出口处的辐射剂量率就会下降一个量级以上。因此，将辐照通道43设计为多拐角的迷宫通道，这样的辐照室布局基本没有增加额外成本，同时能够保证工作人员以及公众人身安全，在本实施例中，辐照通道43设计为“回”形迷宫通道，该迷宫通道包括6个拐角，经过该6个拐角后，出口处的辐射剂量率即可以达到安全标准。

经过辐照的秸秆颗粒进入下一道工序的酶解发酵系统5内。目前核孔膜技术由于核孔膜的滤孔孔径均一，而且滤膜本身是电介质薄膜，不存在滤膜本身对滤液的污染，是精密过滤和筛分粒子的理想工具，尤其在除去悬浮固体颗粒、脂肪、大分子蛋白质具有优异的效果。因此，在本实施例中，酶解发酵系统5包括连接的酶解装置51和发酵装置52，酶解装置51和发酵装置52之间设置有第一核孔膜装置53，其孔径大小只允许经过酶解后产生的可溶性糖通过，同时进一部削弱了可溶性糖由于浓度的增大对酶的抑制作用。发酵装置52包括发酵室521和乙醇收集室522，乙醇收集室522与乙醇精馏系统6连接，发酵室521和乙醇收集室522之间设置有第二核孔膜装置523，其孔径大小只允许酵母细胞和发酵后产生的乙醇分子能通过，同时也削弱了发酵室521内由于乙醇浓度增加而对酵母细胞的抑制作用。酶解装置51包括自上向下依次连接的粗糖化室511、细糖化室512和酶回收室513，粗糖化室511和细糖化室512之间设置有筛网514，该筛网514将需要溶解的秸秆颗粒以及不能溶解的杂质与酶解的主要发生场所细糖化室512隔离，以便于进一步酶解以及防止堵塞第一核孔膜装置53，酶回收室513和细糖化室512之间设置有第三核孔膜装置515，第三核孔膜装置515的核孔膜孔径大小只允许细糖化室512中的酶通过，进一步将酶回收室513内的酶溶液泵回至粗糖化室511，实现酶的循环利用。

由于酶解发酵系统5的乙醇收集室522中的乙醇溶液乙醇浓度较低，同时还含有其它成分，需要进一步提纯，为此将其泵入本实施例中的乙醇精馏系统6，其包括蒸馏罐61和蒸汽发生装置62，蒸馏罐61接收乙醇收集室522输送的乙醇初产物，包括上部的精馏段611和下部的提馏段612，乙醇初产物从精馏段611和提馏段612之间进入蒸馏罐61内部，蒸汽发生装置62的输送端与蒸馏罐的侧壁连接，其回收端与蒸馏罐61的底部连接，蒸汽发生装置62将从蒸馏罐61底部流回的乙醇初产物加热沸腾产生高温乙醇蒸汽再送入蒸馏罐实现蒸馏。蒸馏罐61的顶部与分子筛吸附系统7连接。

为了进一步去除乙醇中的水分子而得到无水乙醇，在上述乙醇精馏系统6的输出端连接一本实施例中的分子筛吸附系统7，其包括通过管道和阀门依次连接的过热器71、分子筛72、冷凝器73和成品酒精罐74，分子筛72包括分子筛A塔和分子筛B塔，一用一备。过热器71连接蒸馏罐61，从蒸馏罐61出来的乙醇蒸汽在过热器71加热成高温乙醇蒸汽通过分子筛，乙醇蒸汽中的水分子通过分子筛填料层过程中，因分子筛的微孔对水分子有很强的亲和力，就将水分子吸附在微孔中，吸附以后的乙醇蒸汽经过冷凝、冷却以后得到浓度为99.5％Vol以上的无水乙醇。在吸附过程中，分子筛A塔吸附接近饱和时，自动切换至分子筛B塔进料吸附，此时分子筛A塔转入脱附过程，从而使整个综合系统可以不间断的工作。

整个乙醇生产综合系统的工作过程如下：首先，成型系统1将原料挤压成预定形状的秸秆块，输出的秸秆块在⁶⁰Co-γ辐照系统2内完成辐照预处理，经⁶⁰Co-γ辐照系统2辐照并输出的秸秆块在秸秆粉碎系统3中粉碎成秸秆颗粒，秸秆粉碎系统3输出的秸秆颗粒在电子束辐照系统4内完成第二次辐照处理，经过电子束辐照系统4辐照处理的秸秆颗粒在酶解发酵系统5内酶解发酵生成乙醇初产物，酶解发酵系统5输出的乙醇初产物在乙醇精馏系统6中生成乙醇—水蒸汽，最后通过分子筛吸附系统7，其将通过的乙醇精馏系统6输出的乙醇—蒸汽中的水分吸收，输出最终产物无水乙醇。

本发明辐照室⁶⁰Co-γ源板数目、材料辐照过程路径迂回次数均较现有平台有所增加，提高了辐照处理的强度和效率；本发明电子束辐照室迷道拐角较多，而每增加一次拐角，就增加一次电子束反散射，最终出口处剂量率水平显著降低，而本设计基本无额外增加成本，因此是一种既经济又有效的辐射屏蔽的模型；本发明酶解发酵系统采用生物转化制备乙醇的分散、耦合、并行系统，解除了酶解、发酵过程产物的反馈抑制，同时，酶解和发酵均在最适条件下进行，提高了酶解糖得率、发酵乙醇得率。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。