回转筒发酵秸秆碎料的物料动热及出料提醇研究

发布时间：2020-09-29 09:32

　　我国年产秸秆近10亿吨,但综合利用水平较低。清华大学研发“先进固态发酵技术”(ASSF)乙醇化回收秸秆碎料内的糖分,分离乙醇后的酒糟仍可用于传统的燃烧、还田、饲畜等,显著提高秸秆综合利用率,该技术待解决问题有:回转筒内秸秆碎料的运动、发酵放热和传热规律;秸秆碎料的动、热耦合的仿真模拟方法;发酵料中乙醇的低成本提取分离方法。为解决上述问题,设计实验室级回转筒先进固态发酵罐及其周向物料运动研究实验台等设备,并部分使用仿真软件,进行研究。研究思路如下:(1)秸秆碎料的物性参数测定;(2)回转筒内秸秆碎料的运动规律研究;(3)回转筒内秸秆碎料固态发酵放热规律研究;(4)回转筒内秸秆碎料固态发酵的动、热耦合仿真模拟方法开发;(5)提出一种低成本分离发酵料中乙醇的新方法并进行理论分析。(1)针对秸秆碎料物性测量,基于国标原理,设计制作实验台测定了秸秆碎料的主要力学、热学物性参数。这些参数是后续研究和仿真方法开发的基础。(2)针对筒内秸秆碎料运动规律的研究,分为筒体周向与轴向两方面。①周向:料床下部和中心容易积累发酵热杀死酵母菌,转动筒体翻动料床可均匀床温,筒内料发酵热均匀化速度可由筒内秸秆碎料的周向混合速度来研究。基于图像分析建立混合度指标Imix及完全混合时间tc指标,基于混合完全实验研究了不同工况下筒体周向上物料的混合速度。对扬料板存在与否的两种情形,都细致分析了物料的运动模式,对有扬料板情况还分析了扬料板对物料运动混合的作用机理。研究发现了无扬料板情况的料床回转周期tc,推导出只需知晓填充率和筒体转速便可预测tc的公式。对有扬料板情况,得出了最快混合扬料板方案为4×0.55R,并通过观察物料运动、混合摄像,细致分析了物料的运动模式、扬料板的作用机理,归纳成表。②轴向:物料在筒内的平均停留时间MRT和轴向扩散程度σR直接关系着发酵程度。采用完全输运实验,研究了环肋对其的影响,并得出最佳轴向输运时间的环肋方案为肋高0.55R,肋中心距50mm。(3)针对发酵放热规律研究,是因为发酵效率与P密切相关,可用P表征发酵效率。p受多因素影响,在简化情况下仅考察料含糖量S和料温T的影响。通过稳定发酵完全实验,考察料初始含糖量0.1或0.15、温度18℃或24℃的前提下,料床T、S分布,计算P,回归P与T和S的函数关系。(4)针对动、热耦合仿真方法开发,研究基于颗粒离散元软件EDEM进行。基于虚拟颗粒参数标定,使仿真料床的宏观运动(如休止角,周向混合速度等)与实验台料床的一致,建立了秸秆碎料的运动仿真方法。基于EDEM二次开发,将颗粒发酵放热模型、料导热模型编入运动仿真方案中,建立秸秆碎料的动、热耦合仿真方法。基于该仿真方法进行了工艺深入研究。(5)针对低成本分离发酵料中乙醇,提出一种基于平面热源的发酵料中乙醇提取新方法。基于热重实验和数据分析,回归、推导出理想情况下发酵料中乙醇的平面热源提取速率模型。结合生产成本等经济因素,构建出平面热源提取工艺的成本计算模型,得到最经济分离方案。计算结果表明,该分离方法比起现有的蒸汽分离法,可显著降低工艺成本。本文研究较好解决了 ASSF技术的存在的难题,启示了回转筒发酵罐的结构、工况和发酵后料中乙醇提取的优化方向,为促进ASSF技术进一步推广提供了支撑。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ920.6;TQ223.122
【部分图文】：

液态发酵

酵技术在我国开始用于能源领域。以秸秆碎料为固态发酵对象制造能源，则逡逑是２００５年以来的事。传统固态发酵工艺采用静态的固态发酵池、坑或罐进行逡逑生产，如图１－２所示。发酵方法为：将秸秆粉碎并适当补水，制作发酵基，逡逑与酵母菌混合，在厌氧环境中酵取粗乙醇，然后将粗乙醇精加工成燃料乙醇。逡逑固态发酵比液态发酵的速度慢，但工艺简单，对操作人员的技术水平要求不逡逑太高，设备简单，也不会产生污水。其主要限制是生产过程不连续，工人劳逡逑动强度大，生产环境恶劣。且发酵过程中料床静止不动，由于秸秆碎料热导逡逑率低、接触热阻大，料床内部容易积累发酵热而过度升温，高温会抑制酵母逡逑菌活性甚至杀死酵母菌，造成发酵效率长线波动，这也是古代酿酒所需时间逡逑长的原因［５］。即使采用搅拌叶片搅动料床以平衡温度，不仅搅拌效果和温度逡逑－２－逡逑

固态发酵

Ｗｆ邋ｒ逡逑图１－１液态发酵逡逑水解发酵，是将秸秆碎料浸泡在特定成分、温度的液体环境中，用水解逡逑酶将杆中的纤维素水解为单糖或多糖溶液，然后配置液态培养基进行液态发逡逑酵。它可将秸秆完全利用，是秸秆利用最彻底的一种方式，对杆中含糖量也逡逑没有任何要求，可利用秸秆种类最为广泛，并可利用木本植物。其主要限制逡逑为水解速度慢、活性高的水解酶的制备成本过高。该技术最为复杂，主要目逡逑标是降低酶合成的高昂成本。０前仅有极少数工厂用于燃料乙醇工业化生产逡逑（如意大利Ｍ＆Ｇ集团贝塔可再生能源公司）。这类乙醇发酵也称为第２代生逡逑物质乙醇工艺。逡逑固态发酵是微生物在潮湿、不溶于水的固体培养基质上直接进行发酵。逡逑我国从上世纪５０年代就开始研究固态发酵技术，当时主要使用粮食作为发酵逡逑基，主要用于酿酒、培养菌群及制造抗生素。７０年代开始有人研宄用红薯粉逡逑渣固态发酵制取柠檬酸等

微观形貌,碎料,秸杆,微观形貌

３６．７Ｓ％Ｘ逡逑ｗ逡逑图１－４目前为止，国内外对秸秆粉碎料的研究领域分布逡逑甜高粱杆粉碎料属非球形粘性生物质软颗粒物。它们是离散粒子的集群，逡逑是典型的复杂性科学系统；它们具有能量耗散性质，能量会通过颗粒的摩擦逡逑和碰撞而耗散它们具有复杂的凝聚态特性运动与流体、固体均不同。逡逑用电镜拍摄微观照片可观察到，颗粒表面存在平行的管胞结构，呈纤维状，逡逑髓断面可看到竖管Ｗ１，管胞轴向细胞链接紧密，周向相对宽松，如图１－５所逡逑示。故颗粒具有非各向同性的弹性，传热特性，介观和微观传热过程复杂，逡逑且秸秆在粉碎过程中容易形成杆状颗粒。此外，在秸秆粉碎过程中，细胞破逡逑碎导致液泡内含糖液体流出，附着在秸秆颗粒表面，糖溶液中丰富的Ｃ－Ｈ长逡逑链、羟基官能团、酮、醛

【参考文献】