一种植物纤维拆解系统
技术领域
本发明涉及一种植物纤维拆解系统，尤其是涉及一种用于工业乙醇制备的秸秆植物纤维拆解系统。
背景技术
焚烧秸秆严重污染环境，同时又给交通、民航带来安全隐患。为了切实解决我国农村焚烧秸秆的问题，把秸秆变成乙醇能源，不仅解决农村焚烧秸秆问题，而且可以为农民带来一定的经济效益。
工业乙醇用拆解植物纤维设备是近年来发展起来的用于处理农业废弃物秸秆的一种先进装备，它是秸秆再利用生产工业酒精等不可缺少的关键设备，这项技术最早始于1926年的蒸汽爆碎技术，当时为间歇法生产，主要是用于生产人造纤维板。从20世纪70年代开始，这项技术也被用于动物饲料的生产和从木材纤维中提取造纸木浆和特殊化学品甲醛的工业化中。80年代后，此项技术有很大的发展，使用领域也逐步扩大，加拿大Stake Technology公司与加拿大魁北克大学联合开发的连续蒸汽爆碎法生产技术及设备，已产生许多专利。但将此项技术用于低成本、低污染的酶法制取秸秆纤维素工业乙醇至今还没实现。这是由于长期以来受工业乙醇用植物纤维拆解设备的技术限制，未能实现秸秆拆解应用，因此人们不得不采用稀酸法或高耗能的横管式连续蒸煮器喷放设备制取工业乙醇用植物纤维，无法实现低成本、高得率、低污染的从农业废弃物秸秆中制取工业用纤维素，生产乙醇、生物基丁醇、生物质天然气等能源原料，所以对工业乙醇用植物纤维拆解设备的研制，是为突破乙醇用植物纤维拆解设备的技术瓶颈，为生物能源的发展提供先进装备保障。
中国专利200720187235.1公开了一种间歇蒸汽爆破装置，它涉及一种蒸汽爆碎技术。利用蒸汽爆碎技术原理，对纤维原料进行了充分的预处理，为后续的酶解提供了合适的原料。它包括蒸汽发生器、缓冲罐和汽爆罐，蒸汽从蒸汽发生器经缓冲罐输出至汽爆罐，它还包括接收罐，其物料进口与汽爆罐的物料出口连通。本蒸汽爆破装置，可用于固体多组分物料(玉米秸秆，麦秆等多种植物秸秆)的预处理，特别是木质纤维素原料的预处理，其汽爆产品是被当作当今最佳液体替代燃料的纤维素乙醇的前期半成品。其不足之处是，缺乏自动化控制系统、安全报警系统和连续上料系统，导致工艺不易控制、安全系数不高和效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种植物纤维拆解系统，解决植物纤维拆解中工艺不易控制、安全系数不高和效率较低问题。
秸秆原料中的主要成份为纤维素、半纤维素及木质素。给秸秆加高温蒸汽其内部必定发生物理化学变化，其中半纤维素部分要发生水解，木质素发生软化，秸秆内部横向纤维间联结强度要下降，细胞孔隙中充满着升温的压力蒸汽，使秸秆变得柔软可塑。那么研制的工业乙醇用植物纤维拆解设备的系统组成，就要符合秸秆被拆解的技术特征。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种植物纤维拆解系统，它包括空气精确控制加压机构、容纳被拆解植物纤维与压力空气混合在一起的加压腔、控制压力泄放的连续泄放开关机构、收集木质素、纤维素、半纤维素等结构组织的物料收集仓，精确升温的可以使植物秸秆内部结晶区等联接部分发生软化，降低秸秆组织结合力的热蒸发生器或热燥风发生装置；其特征在于：还在加压腔设置过压力报警安全装置；设置时间及参数检测的控制装置并连接空气精确控制加压机构、加压腔和连续泄放开关机构；还设置连续上料机构。
在植物纤维拆解设备的系统中，秸秆受压的加压腔是拆解设备的关键部分，为了使加压秸秆在突然泄压过程能顺利的降压，所述的加压腔内径应与出口内径一致，加压腔长度不超过其直径的3倍。
所述的设置时间及参数检测的控制装置；是采用循环压缩加压的工作模式，从开始至泄压全过程，将入料密度、左右移位、旋塞、提塞、定时进汽、关汽泄压、复位循环均在可编程控制下进行；对影响植物纤维拆解的关键工艺参数，压力、温度、时间等多工艺参数可进行独立设定；实现独立调整、控制，可根据需要进行任意工艺设定。以确定不同植物，如：秸秆、麻类、烟丝、小麦、葵花籽剥壳等植物纤维拆解而获得的最佳效果。
所述的加压腔采用2Cr13做承压腔材料。。
研究表明天然纤维素纤维大分子结构都是直线形长链结构，其链节特征可以是完全相同的或者是基本相同的，这些链节单基是葡萄糖剩基，是制取工业乙醇的最好原材料，在天然纤维素中其内部大分子结合力主要表现的是吸引力，纤维大分子之间依靠这些结合力的互相联系，形成各种凝聚状态，组成整根纤维组织，在常温下主要表现为两大状态，一类是排列整齐的结晶态，一类是无规则排列非晶态，秸秆纤维中大分子排列堆砌同时就存在着这两种状态，即某些局部区域呈结晶态，另一些局部区域呈现非晶态。典型的纯粹结晶物质，在解体时要吸收结晶潜热来克服较大的结合能，因此在固相到液相之间，有明显的稳定的转变点温度，而大分子不呈结晶态那样规则整齐排列的各种凝集态是无定形态的非晶态，纤维非晶态区域中，大分子排列比较紊乱，堆砌比较疏松，其中有较多的缝隙与孔洞，密度较低，一些大分子表面的基团距离较大，联系力较小，没有完全饱和，易于吸湿，并表现出力学强度较低，变形较大。秸秆纤维组织内非晶态的物理特性，在不同温度时还会呈现重大的差异，这种差异既表现在力学性能上、也表现在其他许多物理性能上(如密度、比热、介电系数、折射率等)，按其转变规律分为粘流态、高弹态、玻璃态等基本特征。
由于植物秸秆是多孔性物体，在植物秸秆内部和纤维之间存在着许多孔隙，孔隙内充满着空气，在巨原纤堆砌纤维中，巨原纤之间也存在着比巨原纤直径更大的缝隙和孔洞，巨原纤之间的联结也更松懈一些，甚至有的纤维主要靠其它物质(如多细胞纤维的胞间物质，如木质素)来联结。因此，在每根植物纤维中，存在着许多级结合体的结构，其中的结晶区和非晶区，不仅大小不同，而且排列方向也不尽相同，表现为各向异性。此外，还存在着许多级从几埃、几十埃、几百埃甚至几千埃的不同尺寸的缝隙和孔洞。因而纤维的各种力学性质都和植物秸秆内部纤维这些具体结构有着特种的关系，通过升温可以使植物秸秆内部结晶区等联接部分发生软化，结合力降低，便于物理力学加工。经过加压可以将压缩的空气渗进植物秸秆纤维组织内部缝隙和孔洞之间，这样被压进在植物秸秆纤维组织内部的气体在超过音速的短时间突发性释放后，其能量达到拆解植物秸秆纤维的分子间的结合，压力在秸秆内部最薄弱的强度地方分离成我们需要的纤维，使抱团的整体植物秸秆纤维被分离成绒球状的纤维，而这样的整体秸秆状态恰是木质素、纤维素、半纤维素等组织的分离生成一种理想的秸秆纤维状态，供转化工业酒精用的重要纤维材料，所以短时间突发性释放加压空气是拆解植物秸秆纤维最有效的方法，但释放加压空气时间过程极短，可视为秸秆纤维绝热拆解分离，秸秆纤维有效拆解分离功率Pe用下述公式表示。
Pe=MSΔHSTS+M1ΔH1T1+MmΔHmTm]]>
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式中
M-T时间内膨胀的介质量；V-拆解物的体积；ΔH-拆解前后介质焓差；T-拆解时间；φ-拆解系数；α-拆解物料中气体所占的比例；
ρ-拆解物质的密度；s-(下标)分别代表汽相介质、l-高温液态水m-拆解物料。
在物料间隙中的饱和蒸汽的拆解系数φ接近于1，也就是说物料中的饱和蒸汽绝大部分以爆碎的方式膨胀。α代表物料中气体占的比例，液体比例大了，拆解效果就差。因此，物料中含水量对拆解作用影响较大。随着拆解压力增加，ρ值和ΔH就升高。汽相的焓低压时上升较快，在2.0MPa基本达到最大，因此，并非压力越高越好，压力过高，操作时间极短，更不易控制，单位体积液态水和相同温度下水蒸气的热焓值相比的确大得多，但它的膨胀系数极小。这部分的焓差需转化为蒸汽才有拆解作用。虽能减压闪蒸，由于汽化阻力太大，只有少量的汽化。因此，φ系数极小。而物料的膨胀系数更小，但它对拆解时间和放料口处汽相流失产生一定影响。放料口虽然越小，更多气体热能转化为动能，但放料时间加长，使较多气体在放料口流失。因此，放料口必须有一定比例。另外，物料的比表面积越小，即物料的尺寸大些，可减小放料口气体流失。
我们从整体植物秸秆加压后，其受压和释放两种状态的时间函数可又以区别整体植物秸秆是膨化还是拆解，这是因为受压秸秆在泄压过程中，秸秆中缝隙和孔洞的压力没有在规定的时间内瞬间完成泄压，其过程是一个较最小超临界压力拆解秸秆纤维的压力值略小，泄压过程是较超临界压力值要低，这就是秸秆膨化阶段，而秸秆膨化并没有达到秸秆纤维之间已经离开，拆解呈绒球状，通过对绒球纤维进一步观察可以看到在秸秆纤维表面覆盖着一层碎片状无定形物质，通过水洗和乙醇抽提后，秸秆纤维表面碎片可完全溶解，秸秆纤维表面变得光滑，表明秸秆纤维表面溶解的碎片主要源于木质素，这就是我们需要的秸秆被拆解状态，所以衡量被拆解状态可用时间函数方程(2)为：
τ=5.217VkS273TS---(2)]]>
式中：τ——充气与放气的时间常数s，k——绝热指数，水蒸汽：k＝1.33，S——汽缸密封口径(219mm)截面积mm2，V——气罐的容积L，Ts——气源绝对温度K
工业乙醇用植物纤维拆解设备加压或泄压，产生的声速区与亚声速区p，将这两阶段时间相加，式中：p1——初始绝对压力MPa，p*——临界压力，一般取p*＝0.192MPa，假设该型号拆解设备参数为：V＝11L，S＝37668mm2当Ts＝493K(220℃)，p1＝2.31783MPa(相对压力2.2MPa)时，则时间常数τ＝0.00085233s，t2＝0.0036768s，将以上两部分时间相加，即：t1+t2＝0.005075+0.003677＝0.008752s，由于两部分实际为相互渗透发生过程，即在汽缸拉开的过程已经在放气，而放气的同时汽缸也在不断拉开，因此，实际的爆出时间T应为：t1≤T≤t1+t2，即0.005075s≤T≤0.008752s，从上述计算数据可以看出拆解时间计算结果是在一个时间段，在这个时间段里我们将压力精确的控制在一个范围内，然后用泄压时间来控制拆解植物秸秆纤维程度，秸秆被拆解的理想状态是完全将木质素、纤维素、半纤维素分离，但实际上却很难办到，衡量拆解植物秸秆纤维程度只能以纤维得率多少来衡量，将秸秆纤维充分拆解，能增加纤维与酶反应接触比表面积，使转化乙醇量最大化。
本发明的有益效果：由于采用在加压腔设置过压力报警安全装置；设置时间及参数检测的控制装置并连接空气精确控制加压机构、加压腔和连续泄放开关机构；还设置连续上料机构。控制装置对影响植物纤维拆解的关键工艺参数可进行独立设定；实现独立调整、控制，可根据需要进行任意工艺设定。并具有安全、操作简便的特点。
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
附图说明
图1为植物纤维拆解系统构造框图。
具体实施方式
实施例1，如图1所示，一种植物纤维拆解系统，它包括空气精确控制加压机构、容纳被拆解植物纤维与压力空气混合在一起的加压腔、控制压力泄放的连续泄放开关机构、收集木质素、纤维素、半纤维素等结构组织的物料收集仓，精确升温的可以使植物秸秆内部结晶区等联接部分发生软化，降低秸秆组织结合力的热蒸发生器或热燥风发生装置；其特征在于：还在加压腔设置过压力报警安全装置；设置时间及参数检测的控制装置并连接空气精确控制加压机构、加压腔和连续泄放开关机构；还设置连续上料机构。
在植物纤维拆解设备的系统中，秸秆受压的加压腔是拆解设备的关键部分，为了使加压秸秆在突然泄压过程能顺利的降压，所述的加压腔内径应与出口内径一致，加压腔长度不超过其直径的3倍。
所述的设置时间及参数检测的控制装置；是采用循环压缩加压的工作模式，从开始至泄压全过程，将入料密度、左右移位、旋塞、提塞、定时进汽、关汽泄压、复位循环均在可编程控制下进行；对影响植物纤维拆解的关键工艺参数，压力、温度、时间等多工艺参数可进行独立设定；实现独立调整、控制，可根据需要进行任意工艺设定。以确定不同植物，如：秸秆、麻类、烟丝、小麦、葵花籽剥壳等植物纤维拆解而获得的最佳效果。
所述的加压腔采用2Cr13做承压腔材料。。
本乙醇用植物纤维拆解设备的适用范围，包括由植物种籽上获得的纤维，如木棉等；由植物果实上获得的纤维，如椰子纤维等；由植物茎秆韧皮中获得的纤维，如苎麻、大麻、罗布麻等；由植物茎秆鞘壳中获得的纤维，如棕榈鬃等；由植物叶中或得的纤维，如剑麻、菠萝麻等以及农业废弃物植物秸秆，如麦草纤维等，如经济作物皇竹草纤维等。
我们对麦草进行拆解，并对拆解后的麦草秸秆纤维形态进行观察。
通过观察所示麦草试样照片，发现麦草秸秆呈绒球状或称烟丝状，秸秆被拆解后有结块纤维束，再仔细观察发现是麦草结，说明秸秆从根部到秸秆头部存在着不同强度区域，如麦草结较麦草头部两者在被拆解过程中，其超临界压力值会不同，这一点在低于超临界压力值时可看到带有未处理完全的粗大纤维束，说明分门别类处理秸秆对秸秆原料精制成为具有一定纯度的各种组分秸秆纤维的重要；试验时将维压时间缩短，有时拆解后的秸秆纤维中会夹带部分生料；如果把压力值提到较高时，被拆解后麦草纤维色呈棕色丝状，有时呈褐泥状。说明压力和高温蒸汽会使秸秆纤维的颜色发生变化，这与不同工艺参数处理有很大关系，特别与起始物料的pH值相关性最大，这说明物料中的发色团与pH值相关，pH值越低，物料越深。而发色团的产生主要由木质素引起的，也证明了在加压蒸汽拆解秸秆纤维过程中不仅半纤维素水解溶出，而且木质素也发生了很大变化。
固体秸秆物料的拆解必须用秸秆纤维拆解装备，对于秸秆组织成份研究表明其纤维素含量为30％-35％，半纤维素含量为25％-30％，木质素的含量为10％左右。对于木材，其中纤维素含量为45％-50％，半纤维素含量为10％-20％，木质素的含量为25％-30％。除三大类组分外，固体物料还含有蛋白质、脂类、灰分、水分、果胶、低分子的碳水化合物等。其中秸秆的灰分含量在5％以上(稻草的灰分含量高达15％)，灰分中60％以上为二氧化硅；木材的灰分含量在1％以下，多数为0.3％-0.5％(对绝干原料)。
我们把200g秸秆用本发明制作的设备进行拆解，得到纤维56g，半纤维43g，木质素41g，其它物质70g(含水分)。实验的数据证明本发明的可行性。
在秸秆的纤维素分子链胞壁结构中，纤维素分子链有规则地排列聚集成原细纤维，由原细纤维进一步组成微细纤维，微细纤维组成细小纤维，原细纤维之间填充着半纤维素，微细纤维周围包裹着木质素和半纤维素，且木质素和半纤维素间存在化学连接。这样在细胞壁中纤维素以微细纤维形式构成纤维素骨架，木质素和半纤维素以共价键方式交联在一起，形成三维框架结构，把微纤维束镶嵌在秸秆物料里面。而在细胞壁的外边，即两个细胞之间的胞间层，由木质素和少量的果胶，把两个细胞粘接在一起。这样，纤维素、半纤维素和木质素相互交织而形成复杂的难以降解的细胞壁结构。
这样在固体秸秆物料的拆解过程中，说明加湿热蒸汽使固体秸秆物料内部细胞壁结构将发生物理化学变化，其秸秆中的半纤维素部分发生水解，木质素软化变得易降解，从而使木材横向联结强度下降，秸秆细胞孔隙中充满高压蒸汽，秸秆变得柔软可塑，当拆解过程中骤然减压时，孔隙中的气体急剧膨胀，压力急剧向外扩张，其压力值达到某品种秸秆最小拆解力时，便将秸秆胀裂成细小的纤维束状，实现秸秆物料的结构组分分离，增加湿热蒸汽是辅助固体秸秆物料更容易被拆解成纤维素、半纤维素和木质素三组分，固体秸秆物料内部将主要表现以下四种技术特征：
(1)由于水蒸气和热的联合作用，固体秸秆物料内部将产生类酸性降解以及热降解，低分子物质溶出，纤维聚合度下降。
(2)由于在拆解过程中高压蒸汽释放时，已渗入纤维内部的热蒸汽分子以气流的方式从秸秆物料内部的空隙中高速瞬间被释放出来，急剧膨胀热蒸汽产生高速瞬间流动，使纤维发生一定程度上的机械断裂。这种断裂不仅表现为纤维素大分子中的键断裂、还原端基增加、纤维素内部氢键的碎坏，还表现为无定形区的碎坏和部分结晶区的碎坏。
(3)秸秆物料在加压蒸汽拆解过程中，由于水蒸气渗入纤维各孔隙中并与纤维素分子链上的部分羟基形成氢键。但高温、高压、含水条件又会加剧对纤维素内部氢键的碎坏，游离出新的羟基，增加纤维素分子内的氢键。分子内氢键断裂的同时，纤维素被急速冷却至室温，使得纤维素超分子结构被“冻结”，只有少部分的氢键重组。这样使溶剂分子容易进入片层间，而渗入的溶剂进一步与纤维素大分子链进行溶剂化，并引起残留分子内氢键的碎坏，加速了葡萄糖环基的运动，最后导致其他晶区的完全碎坏，直至完全溶解。
(4)结构重排作用在高温、高压下，纤维素分子内氢键受到一定程度的碎坏，纤维素链的可动性增加，有利于纤维素向有序结构变化。同时，纤维素分子链的断裂，使纤维素链更容易再排列，因此拆解后的秸秆纤维，如不及时抽提秸秆纤维会再次发生僵硬、粘联等现象。