專利名稱：微波-汽爆同步耦合法對(duì)植物秸稈去晶化的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于秸稈的生物化工領(lǐng)域，特別涉及一種微波-汽爆同步耦合法對(duì)植物秸稈 去晶化的裝置，主要用于玉米秸稈、麥稈和甜高粱秸稈等多種植物秸稈的預(yù)處理。
背景技術(shù)：
未經(jīng)處理的秸稈很難被微生物和酶水解，主要是因?yàn)闃?gòu)成秸稈細(xì)胞壁的木質(zhì)纖維素的 結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。木質(zhì)纖維素主要包'括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素三種組分，半纖維素和木 質(zhì)素通過共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將纖維素分子包埋其中，使酶不易與纖維素分子接觸。 同時(shí)許多纖維素分子通過氫鍵連接共同組成結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使纖維素聚合物顯示出剛性和高度 水不溶性，增加了酶解的困難。因此高效利用秸稈組分的關(guān)鍵在于通過對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理， 部分去除木質(zhì)素和半纖維素等成分，破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，增加生物質(zhì)材料的多孔性， 增加酶和原料的接觸面積，提高酶的可及性，從而提高秸稈的酶解率。
汽爆是木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理較常用的方法。它是用高壓飽和蒸汽處理生物質(zhì)原料， 然后突然減壓，細(xì)胞中的水瞬時(shí)汽化，造成纖維素分子間晶體結(jié)構(gòu)解體，同時(shí)木質(zhì)素和半 纖維素對(duì)纖維素的保護(hù)作用遭到破壞，纖維素分子暴露出來，有利于后續(xù)酶解。汽爆法是 一種無污染、不需回收物質(zhì)的技術(shù)，用于處理硬木的經(jīng)濟(jì)性較好，可有效水解半纖維素， 但也存在一定的局限性，主要表現(xiàn)在設(shè)備費(fèi)用較高，反應(yīng)破壞了木聚糖的結(jié)構(gòu)，對(duì)木質(zhì)素 的分離不徹底，還可能積累糠醛、蟻酸等對(duì)微生物生長起抑制作用的物質(zhì)。
微波是一種波長在100 cm至1 mm范圍內(nèi)的電磁波(其頻率在300MHz至300GHz)。 微波處理是一種新型的木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理方法，它是用微波輻射物料，使物料內(nèi)部分 子互相碰撞、產(chǎn)生熱量，從而導(dǎo)致物料升溫，在高溫下發(fā)生酸催化的自水解反應(yīng)，從而部 分降解木質(zhì)素和半纖維素，增加纖維素的可及性和反應(yīng)活性，提高植物纖維素的酶解效率。 目前，對(duì)微波預(yù)處理技術(shù)的研究還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，尚無實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的報(bào)道。
在實(shí)際對(duì)植物秸稈原料進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，由于單一的處理方法很難達(dá)到預(yù)定的效果，往 往采用各種不同的組合方法，比較常見的組合方法有平行組合和順序組合兩種。如中國專 利CN 101148830A即公布了一種將汽爆與微波兩種方法順序組合對(duì)植物秸稈進(jìn)行預(yù)處理的 方法。
在此基礎(chǔ)上，遵循平行組合的思路，綜合微波技術(shù)加熱效率高和汽爆技術(shù)爆破的工藝 方法未見報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有汽爆技術(shù)和微波技術(shù)處理秸稈的各自的優(yōu)勢和不足，提 供一種微波-汽爆同步耦合法對(duì)植物秸稈去晶化的裝置，為生物質(zhì)能源的開發(fā)利用提供一條 新的途徑。
本實(shí)用新型提供的微波-汽爆同步耦合對(duì)植物秸稈去晶化的裝置包括秸稈粉碎機(jī)、物料 預(yù)浸器、電加熱蒸氣發(fā)生器、第一微波發(fā)生器和第二微波發(fā)生器、微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐、物料接收罐和固液分離器。
微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐通過加料閥與物料預(yù)浸器連接，物料預(yù)浸器與秸稈粉碎機(jī)連接。反應(yīng)罐分別通過兩個(gè)波導(dǎo)管與第一微波發(fā)生器和第二微波發(fā)生器連接，罐體底端和夾套分別通過管道與蒸汽發(fā)生器連接。反應(yīng)罐通過爆破閥與其正下方的物料接收罐連接，物料接收罐與固液分離器連接。
使用本實(shí)用新型進(jìn)行對(duì)植物秸稈去晶化的方法包括以下步驟
將秸稈用粉碎機(jī)粉碎至粒徑為5-50 mm，用水預(yù)浸至含水量為10-40%，放入微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐中。對(duì)電加熱蒸汽發(fā)生器進(jìn)行預(yù)熱，將產(chǎn)生的150-235'C的飽和蒸汽分別通入微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐的筒體和夾套中，同時(shí)將第一微波發(fā)生器和第二微波發(fā)生器產(chǎn)生的的微波通過上、下兩個(gè)微波饋口引入反應(yīng)罐，從而保證微波較為均勻的作用于物料，秸稈對(duì)微波的比吸收率為100-9000W/ (kg干秸稈)。根據(jù)處理原料和工藝要求的不同，可通過控制第一微波發(fā)生器和第二微波發(fā)生器的啟閉實(shí)現(xiàn)微波連續(xù)或間歇作用于物料，其中間歇作用的方式為每隔l-2min作用l-4min恒定功率的微波。反應(yīng)2-15min后，開啟爆破閥門，秸稈物料在壓差作用下進(jìn)入物料接收罐，冷卻后送入固液分離器中分離并收集所得固體產(chǎn)品和液體產(chǎn)品。收集從微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐和物料接收罐排出的蒸汽，冷凝后加以回收利用，并用水管清洗反應(yīng)罐和物料接收罐。
所述的微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐的外部具有夾套和巖棉保溫層，實(shí)現(xiàn)保溫；蒸汽發(fā)生器分兩路連通反應(yīng)罐的筒體和夾套。
所述的第一微微波發(fā)生器和第二微波發(fā)生器分別連接微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐的上、下兩個(gè)微波饋口 。第一微波發(fā)生器和第二微波發(fā)生器所產(chǎn)生的微波分別通過微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐的上、下兩個(gè)微波饋口導(dǎo)入罐內(nèi)，每個(gè)微波饋口能夠承受300'C的高溫、5.0MPa的高壓。微波饋口的數(shù)量可反應(yīng)罐容積的不同而有所變化。
本實(shí)用新型第一次將微波預(yù)處理和蒸汽爆破預(yù)處理同步耦合起來對(duì)植物秸稈進(jìn)行去晶化，并設(shè)計(jì)出了一套能夠順利實(shí)現(xiàn)此工藝的裝置。這套裝置實(shí)現(xiàn)了微波對(duì)物料的均勻加熱，避免了因微波加熱不均勻而出現(xiàn)秸稈物料部分碳化的問題。該方法處理周期短，經(jīng)濟(jì)效能高，所處理物料的纖維素去晶化率和酶的可及性大為提高，從而使酶解率得到提高。
圖1是本實(shí)用新型的工藝裝置流程示意圖。圖2是使用本實(shí)用新型的主要工藝流程圖。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。
如圖所示，l.秸稈粉碎機(jī)，2.物料預(yù)浸器，3.電加熱蒸汽發(fā)生器，4.1第一微波發(fā)生器，4.2.第二微波發(fā)生器，5.微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐，6.物料接收罐，7.固液分離器
微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐5分別與電加熱蒸汽發(fā)生器3、第一微波發(fā)生器4.1和第二微波發(fā)生器4.2、物料接收罐6連接，主要作用是通過進(jìn)料口接收經(jīng)過秸稈粉碎機(jī)l粉碎和物料預(yù)浸器2用水預(yù)浸后的秸稈和來自電加熱蒸汽發(fā)生器3的蒸汽，同時(shí)接受微波發(fā)生器4.1和4.2產(chǎn)生并通過波導(dǎo)管導(dǎo)入的微波輻射，使秸稈與蒸汽在微波作用下反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后
4通過爆破閥將秸稈從反應(yīng)罐5爆破至物料接收罐6。
物料接收罐6與微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐5和固液分離器7連接，主要作用是接收來自反應(yīng)罐5的秸稈，冷卻后送入固液分離器7進(jìn)行固液分離。
操作步驟如下
1) 粉碎，將植物秸稈在秸稈粉碎機(jī)1中粉碎至粒徑為5-50mm;
2) 預(yù)浸，將粉碎后的秸稈物料在預(yù)浸器2中用水預(yù)浸至含水量為10-40%;
3) 加料，控制閥門開關(guān)將物料由進(jìn)料口加入微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐5;
4) 預(yù)熱，對(duì)電加熱蒸氣發(fā)生器3進(jìn)行預(yù)熱，產(chǎn)生150-235"C的飽和蒸汽；
5) 通氣，控制閥門開關(guān)將蒸氣發(fā)生器3中產(chǎn)生的溫度為150-235'C的飽和蒸汽分別通入反應(yīng)罐5的筒體和夾套中；
6) 作用微波，開啟第一微波發(fā)生器4.1和第二微波發(fā)生器4.2，對(duì)物料連續(xù)或間歇作用微波，秸稈對(duì)微波的比吸收率為100-9000W/(kg干秸稈)。其中間歇作用的方式為每隔l-2min作用l-4min不等的恒定功率的微波。；
7) 反應(yīng)，秸稈與蒸汽在設(shè)定溫度、壓力、微波功率和作用時(shí)間下反應(yīng),并保溫一定時(shí)間；
8) 汽爆，反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉第一微波發(fā)生器4.1、第二微波發(fā)生器4.2，開啟爆破閥，利用壓力差將物料瞬間擠出反應(yīng)罐5實(shí)現(xiàn)汽爆，汽爆后的物料進(jìn)入物料接收罐6;
9) 固液分離，將物料送入固液分離器7，分離并收集所得固體產(chǎn)品和液體產(chǎn)品；
10) 清洗，用水管清洗微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐5和物料接收罐6。應(yīng)用實(shí)施例1
將干玉米秸稈在秸稈粉碎機(jī)中粉碎至粒徑為10-20 mm,用水預(yù)浸至含水量為40 %，放入微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐中。對(duì)電加熱蒸汽發(fā)生器進(jìn)行預(yù)熱，待蒸汽溫度達(dá)到210'C，將飽和蒸汽分別通入反應(yīng)罐的筒體和夾套中。開啟微波發(fā)生器，對(duì)物料連續(xù)作用比吸收率為9000 W/ (kg干秸稈)的微波。物料在210 。C飽和蒸汽、比吸收率為9000W/ (kg干秸稈)的微波連續(xù)作用下反應(yīng)2min，然后關(guān)閉微波發(fā)生器，開啟爆破閥，利用壓力差將物料瞬間擠出反應(yīng)罐實(shí)現(xiàn)汽爆，汽爆后的物料進(jìn)入物料接收罐中，冷卻后送入固液分離器，分離并收集所得固體產(chǎn)品和液體產(chǎn)品，并用水管清洗微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐和物料接收罐。處理后
的秸稈的相對(duì)結(jié)晶度降低了 15.7%，酶解24h，酶解率達(dá)到76.7%，酶解48 h達(dá)到93.3 %。
應(yīng)用實(shí)施例2
將干玉米秸稈在秸稈粉碎機(jī)中粉碎至粒徑為30-40 mm，用水預(yù)浸至含水量為20 %，放入微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐中。對(duì)電加熱蒸汽發(fā)生器進(jìn)行預(yù)熱，待蒸汽溫度達(dá)到180。C,將飽和蒸汽分別通入反應(yīng)罐的筒體和夾套中。開啟微波發(fā)生器，對(duì)物料間歇作用比吸收率為600 W/ (kg千秸稈)的微波，作用方式為每隔2 min作用3 min的微波。物料在180 'C飽和蒸汽、比吸收率為600W/ (kg干秸稈)的微波間歇作用下反應(yīng)10min，然后關(guān)閉微波發(fā)生器，開啟爆破閥，利用壓力差將物料瞬間擠出反應(yīng)罐實(shí)現(xiàn)汽爆，汽爆后的物料進(jìn)入物料接收罐中，冷卻后送入固液分離器，分離并收集所得固體產(chǎn)品和液體產(chǎn)品，并用水管清洗微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐和物料接收罐。處理后的秸稈的相對(duì)結(jié)晶度降低了8.2%，酶解24h，酶解率達(dá)到65.7 %，酶解48 h達(dá)到86.3 %。
權(quán)利要求1、一種微波-汽爆同步耦合法對(duì)植物秸稈去晶化的裝置，其特征在于它包括秸稈粉碎機(jī)、物料預(yù)浸器、電加熱蒸氣發(fā)生器、第一微波發(fā)生器和第二微波發(fā)生器、微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐、物料接收罐和固液分離器；微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐通過加料閥與物料預(yù)浸器連接，物料預(yù)浸器與秸稈粉碎機(jī)連接，反應(yīng)罐分別通過兩個(gè)波導(dǎo)管與第一微波發(fā)生器和第二微波發(fā)生器連接，罐體底端和夾套分別通過管道與蒸汽發(fā)生器連接，反應(yīng)罐通過爆破閥與其正下方的物料接收罐連接，物料接收罐與固液分離器連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一微微波發(fā)生器和第二微波發(fā) 生器分別連接微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐的上、下兩個(gè)微波饋口。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐的外部具有 夾套和巖棉保溫層；蒸汽發(fā)生器分兩路連通反應(yīng)罐的筒體和夾套。
專利摘要本實(shí)用新型涉及微波-汽爆同步耦合法對(duì)植物秸稈去晶化的裝置。使用的裝置包括秸稈粉碎機(jī)、物料預(yù)浸器、蒸氣發(fā)生器、微波發(fā)生器、微波-蒸汽爆破反應(yīng)罐、物料接收罐和固液分離器。其方法是將秸稈物料放入反應(yīng)罐，通入150-235℃的飽和蒸汽，同時(shí)連續(xù)或間歇作用100-9000W/(kg干秸稈)的微波，反應(yīng)2-15min后開啟爆破閥，將秸稈爆破到物料接收罐，送入固液分離器分離并收集所得固體產(chǎn)品和液體產(chǎn)品。本實(shí)用新型首次將微波預(yù)處理和蒸汽爆破預(yù)處理同步耦合起來對(duì)植物秸稈進(jìn)行去晶化，并設(shè)計(jì)出了一整套裝置。該方法處理周期短，經(jīng)濟(jì)效能高，提高了纖維素去晶化率和酶的可及性，從而提高了秸稈的酶解率。
文檔編號(hào)D21C5/00GK201428086SQ20092009774
公開日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2009年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月13日
發(fā)明者于勝栓, 鋒 龐, 勇 康, 超 張 申請(qǐng)人:天津大學(xué)