瞬时弹射式蒸汽爆破技术及其影响生物质转化机理的试验研究

发布时间：2018-05-26 11:02

本文选题：蒸汽爆破 + 瞬时弹射式蒸汽爆破　；参考：《河南农业大学》2015年博士论文

【摘要】：蒸汽爆破技术发端于八十多年前的人造纤维板生产。在近几十年的生物质转化技术研究中,发现其做为预处理手段有助于木质纤维素物质的水解发酵,并有能耗低、污染小、环境友好等优点,启发人们认识到这一预处理手段可能具有广阔的应用前景。但是,长期以来,由于对蒸汽爆破机理的研究较少,蒸汽爆破工艺以及蒸汽爆破装置的设计一直停留在传统造纸蒸煮工艺的阶段,以爆裂度为工艺筛选指标,用蒸煮喷放罐通过阀门开启模拟爆破过程,使蒸汽爆破效果长期停留在蒸煮水平上,蒸汽爆破的应用规模受到极大制约。在进入二十一世纪后由于理论研究没有进展使这一技术受到了很大质疑,甚至有专家提出以热水处理(HLW)技术及蒸汽处理(SP)技术取代汽爆技术,认为汽爆技术存在的意义已不大。基于对爆破本质的认真分析与认识,本研究总结了蒸汽爆破的技术特征,提出了“瞬时弹射式蒸汽爆破”(Instant Catapult Steam Explosion,ICSE)技术及其设备设计。通过固体表面特性、微观结构及理化特性试验,对ICSE技术与其它预处理技术的效果进行了对比,探索了ICSE预处理对生物质转化的作用机理,发现了一些能够反映蒸汽爆破真实含义的数据和现象。本研究主要内容包括:1)通过对汽爆过程的气体动力学与工程热力学的研究计算,认为蒸汽爆破过程做为一个能量快速转换的过程,与转换时间和转换能量密切相关。在爆出时间的推导过程中,提出了一种以活塞和汽缸为核心构件的蒸汽爆破装置模型,即ICSE技术模型。确定了准确反映爆破本质的技术指标:爆破时间与爆破功率密度,明确了一个过程可以被称之为蒸汽爆破的技术特征在于爆破冲击波及热功转换。计算结果表明:ICSE装置比传统爆破装置爆出时间缩短了123倍。试验表明:ICSE处理后的物料温度为55~60℃,明显低于高压蒸煮或喷放后的物料温度,实现了热功转换。2)提出了一整套ICSE技术原理下试验机与工业机的设计方案及原型机,总结了爆体构件的技术特征,制定了爆出口密封装置的设计要素。测定了ICSE样机的爆出时间及整机指标,结果表明:ICSE设备的整个爆出过程不超过12ms,与理论计算相吻合,达到了设计预期。3)研究了ICSE工艺对木质纤维素理化特性的影响。该研究采用NREL方法对270组汽爆工艺试验青贮玉米秸秆中的半纤维素、纤维素和木质素含量进行了测定。通过三素指标的变化,来衡量各工艺参数对汽爆效果的影响。试验表明:高压短时间会使爆后木质素含量最大程度降低。此外,发现了酸溶木质素以2.4MPa为局部阶跃点的现象,以及半纤维素在三个压力段中以140~160s为阶跃点的现象。综合三素变化规律,认为2.4MPa/140s是ICSE工艺的最佳结合点之一。4)研究了ICSE工艺参数对木质纤维素水解特性的影响。以不同的蒸汽压力、保压时间参数组合条件下对生物质秸秆进行爆破试验,然后通过对标准糖化条件下的水解液中六碳糖与五碳糖变化规律进行研究,验证优化爆破预处理工艺参数。研究表明:ICSE对促进六碳糖酶解效果有着一个最佳作用区域,该区域范围是:压力以2~2.4MPa为中心,保压时间以140~160s为中心;五碳糖浓度随保压时间延长而增加,汽爆压力段在1.8~2.0MPa范围内取得最理想水平。5)通过ICSE与热喷放、碱处理堆沤两种预处理方式的比较研究,探索了ICSE预处理对生物质物理特性、表面特性及微观结构的作用机理。研究中,对固体表面自由能、沉降特性及BET比表面积及孔径分布进行了试验,并进行了SEM形态学分析。其中,固体表面自由能试验表现了非常态结果:ICSE可使固体表面自由能达到71.1mJ/m2,相比热喷放提高20.3%,相比碱处理堆沤提高了25.7%,亲水指数达到10.0569 mJ1/2/m,明显改善了固体表面自由能特性;物料沉降特性试验表明:ICSE试样全部沉降,与之相比热喷放漂浮比例0.69:1,碱处理堆沤漂浮比2.13:1;SEM试验表明:爆破过程彻底改变了组织结构,使细胞壁完全断裂破碎;BET比表面积及孔径分布试验表明:ICSE试样比表面积达3.4471m2/g,相比热喷放提高57.4%,相比碱处理堆沤提高了263.0%,孔径孔容分布扩大。这些试验反映出ICSE有效提高了物料的固体表面自由能和亲水指数,增大了生物质比表面积和与水溶液的混溶性,展现出ICSE技术相对于其它预处理技术的优越性。6)研究了ICSE预处理对生物质理化特性的改变机理。研究方法包括X射线衍射试验、红外光谱试验及热重试验等。其中,X射线衍射试验表明:ICSE比热喷放物料结晶度下降了29.4%,比碱处理堆沤降低了26.1%,峰数减少,物质结构变化最为明显;红外光谱试验表明:ICSE样品谱线比其他样品谱线发生了更为明显位移,表明ICSE处理能够相对于其它预处理方式更加明显的改变有机官能团;热重试验表明:在ICSE处理下,最大失重速率比热喷放及碱堆沤两种预处理方式分别高19.7%和21.2%,热解终了时残留物的质量分数比热喷放及碱堆沤两种预处理方式分别低31.8%和26.4%。
[Abstract]:In this paper , the technology of steam explosion and its equipment design have been put forward in this paper . The results show that the technology of steam explosion is less than that of traditional blasting . In this paper , the effects of technological parameters on the chemical properties , surface properties and microstructure of biomass were studied . The results showed that the free energy , sedimentation characteristics and BET specific surface area and pore size distribution of ICSE were studied . The results showed that ICSE had a better effect on biomass physical properties , surface properties and microstructure . The experimental results show that ICSE can improve the solid surface free energy and hydrophilic index of the materials effectively , increase the biomass specific surface area and the miscibility with the aqueous solution , show that ICSE treatment can significantly change the organic functional group compared with other pretreatment methods .
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK6;TB41

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