蒸汽爆破技术概述.docx

蒸汽爆破技术概述.docx

《蒸汽爆破技术概述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《蒸汽爆破技术概述.docx（7页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

蒸汽爆破技术概述

概述

1.1.1蒸汽爆破技术的特点

蒸汽爆破预处理是近年来发展起来的一种的预处理方法。

原料用蒸汽加热至180-235℃,维压一定时间，在突然减压喷放时，产生二次蒸汽，体积猛增，受机械力的作用，其固体物料结构被破坏。

蒸汽爆破法技术最早始于1926年，当时为间歇法生产，主要是用于生产人造纤维板。

从70年代开始，此项技术也被广泛用于动物饲料的生产和从木材纤维中提取乙醇和特殊化学品。

80年代后，此项技术有很大的发展，使用领域也逐步扩大，出现了连续蒸汽爆破法生产技术及设备，即加拿大StakeTechnology公司开发的连续蒸汽爆破法工艺及设备，并产生许多专利。

80年代后期，StakeTechnology公司，将此项技术应用于制浆造纸领域，它与加拿大魁北克大学共同研究，首先对杨木、后对许多非木材纤维原料进行了大量的蒸汽爆破试验，取得很好的效果。

在此基础上，开发研制了蒸汽爆破制浆技术和设备，并在制浆废液用于生产动物饲料技术方面也有深入的研究。

蒸汽爆破的几个优点可归纳如下：

（1）可应用于各种植物生物质，预处理条件容易调节控制。

（2）半纤维素、木质素和纤维素三种组分会在三个不同的流程中分离，分别为水溶组分、碱溶组分和碱不溶组分。

（3）纤维素的酶解转化率可达到理论最大值。

（4）经过蒸汽处理后的木质素仍能够用于其他化学产品的转化。

（5）半纤维素产生的糖可以被全利用，转化为液体燃料。

（6）汽爆过程中产生的发酵抑制物可通过控制汽爆条件而大大降低。

该预处理方法适用于硬木、软木、农业废弃物，如蔗渣、麦草、稻草、玉米秸杆和其他非纤维素原料等各种植物生物质，而且正在这方面发挥越来越大的作用。

汽爆的缺点是：

原料经汽爆后相对密度降低，体积增大，产生的发酵抑制物需要水洗去除。

1.1.2蒸汽爆破技术的主要内容

蒸汽爆破技术应用领域不断扩大，其研究内容也不断扩大。

蒸汽爆破技术的实施要有相应的配套设备，因此蒸汽爆破设备的研发是该技术的主要研究内容之一，性质相似的原料可通用相同的设备，对某些特殊的原料则需要特殊的汽爆设备。

由于所有蒸汽爆破工艺的共同点是短时蒸煮和高压爆破，因此蒸汽爆破过程的原理是所有工艺的共同研究内容。

不同物料的结构和性质不同，在处理中的变化不一致，因此物料汽爆前后的具体变化也是蒸汽爆破技术的主要研究内容之一。

如对蒸汽爆破法制浆主要研究不同制浆原料，包括不同软木、不同硬木、不同秸秆、废纸等的预浸处理工艺（添加或不添加化学试剂、添加化学试剂的量、预浸时间、温度、压力等），不同原料的蒸汽爆破过程（蒸汽压力、温度、维压时间、动力学研究等），不同原料蒸汽爆破前后的变化和蒸汽爆破的机理（包括原料纤维的聚合度、结晶度、超微结构如纤维骨架的变化、胞间层分离状况、半纤维素和木质素的变化、各种化学连接键的断裂和形成等等），不同原料蒸汽爆破后的制浆效果（包括纸浆的得率、强度、可漂性等）以及不同原料蒸汽爆破处理的经济性分析。

蒸汽爆破技术的研究内容除了上述的共性研究外，会随不同的用途有所侧重，如对蒸汽爆破法制备饲料，则主要是研究饲料汽爆前后的毒性、适口性、可消化性、经济性；对于蒸汽爆破法预处理发酵固体物料，则主要研究汽爆前后物料的发酵效果、发酵动力学变化和原因分析等。

总之，蒸汽爆破技术应包括不同固体物料蒸汽爆破作用原理及其组分分离机制、固体物料蒸汽爆破工艺、蒸汽爆破固体物料的应用和蒸汽爆破设备等。

1.1.3蒸汽爆破技术的进展与发展趋势

蒸汽爆破技术最早由Mason发明并用于制浆过程，称为Maonite法。

他采用蒸汽作为操作流体，在压力和温度558k时把废材变成适合生产建筑纸板的纸浆。

目前蒸汽爆破技术用于制浆已经工业化，成为该技术应用最广，研究最为深入的一个领域。

在Masonite工艺基础上，人们对蒸汽爆破制浆进行了大量的改进。

其中的Stake和Kokta方法都是先预浸物料（这一点是Masonite工艺所没有的），然后在高温高压下短时汽蒸，最后爆破。

不同之处是，前者在更高的压力（后期压力约3Mpa）下连续爆破作业（每4分钟喷放一次），木质素处于流动状态，有利于纤维分离。

值得指出的是，迄今为止Stake工艺（图）发展最为成熟，它涉及到的半纤维素自动水解概念，即木材一经蒸煮，其中半纤维素水解形成有机酸游离出来并对木材主要组分的分级起催化作用。

其它重要的爆破工艺还有Iotech和Siropulper，它们主要用于木材利用的前处理。

短时蒸煮，高压爆破是所有工艺的共同点，也是蒸汽爆破技术制浆不同于其它制浆方法的地方。

目前除了采用蒸汽和惰性气体加压的工艺外，有些研究还采取了别的一些加压方式，如注入SO2、NH3或CO2+H2O等，都取得了良好的效果。

蒸汽爆破技术引向纸浆生产和废纸处理后的研究成果极其令人注目。

以蔗渣、稻草、麦草、玉米秸秆、麻皮/杆、竹子和废纸脱墨为对象的研究表明，草类爆破浆得率高强度好能耗低。

蔗渣爆破浆强度较好，磨浆能耗与化学机械浆（CMP）相当但比化学预热机械浆（CTMP）得多，得绿（%）和白度较低，但漂白性能良好。

蒸煮温度或压力对浆料得率和断裂长影响较大但对撕裂度影响甚小。

非木材浆得率较低的原因，Mamers等认为是洗涤损失。

Kokta等对阔叶木、针叶木和它们的混合材进行了爆破浆的大量研究。

试验多数用Na2SO3作为主要预浸药剂在Stake-tech间歇反应器中进行，温度范围是190-200℃，其中还包括N2加压和半工业化试验。

主要结论归纳如下：

爆破浆得率高（90%以上），与常规化学机械浆（CMP/CTMP）比较，强度性能良好，接近KP浆，磨浆能耗更低（减少40-60%），白度和不透明度稍低，但漂白性能良好而且返黄率低。

对于蒸汽爆破浆显著提高纸浆强度并降低磨浆能耗的结论，KOkta的解释是，用高于木素软化点（153-186）的温度和高压处理木片令其软化后再爆破解离，一方面有利于达到同一游离度时降低能耗，另一方面磨浆能耗降低，切断减少，有助改善浆的质量。

Chaudhuri的研究也支持这个观点。

但是，Law关于黑云杉爆破浆的研究却得出了不同结论：

蒸汽爆破后纤维从胞减层分离且无明显损伤，只有在较高的温度（>200℃）和较长的蒸煮时间（9min）下，爆破浆的磨浆能耗和强度性能才有可能显示出优越性。

由此引发了一场关于“黑云杉是否适合爆破制浆”的争论。

Law等人后来的研究又认为，蒸汽爆破处理并不能使纤维分离，纤维束的形成只不过是喷放口和收集槽机械碰撞作用于高度软化木片的结果；与常规化学机械浆比较，爆破浆撕裂度增加，但磨浆能耗并不降低，得率也下降。

Heitner也得到了类似结论，一致否认了爆破浆与常规CMP/CTMP比较能耗大减和质量剧增一说。

Heitner还认为爆破浆磨浆能耗仅是得率的函数，这一点同Kokta认为的磨浆能耗是但不仅是得率的函数的试验结论又相抵触。

争论促进了对蒸汽爆破技术在制浆方面更细致的研究。

人们发现在高温（>200℃）汽蒸过程中，水解速度较磺化速度更快以致很难保持90%以上的高得率；相同得率下，汽爆浆比CMP离子含量低得多，或者说离子含量相当时，爆破浆得率较低。

Heitner和Law甚至还认为，只有当浆中总离子含量达到150-180mmol/kg时，化学处理对CMP和爆破浆浆料性能影响的差别才比较明显；无论是阔叶木还是针叶木，浆中总离子含量越低，磨浆阻力越大。

但是，研究者早已在预浸处理问题上达成一致，从理论上讲，主要预浸药剂Na2SO3既起到抗氧化作用，又磺化木素使纤维表面亲水基团数量增加；添加少量NaOH既有助于木片润胀，又能避免或减轻酸性水解的发生，因此Na2SO3/NaOH的预浸匹配是合理的。

蒸汽爆破技术在制造预水解将和木材综合利用方面受到的重视和起的作用越来越大。

蒸汽爆破技术已经广泛用于动物饲料加工，尤其是草食动物粗饲料的加工。

刘东波等用小鼠对汽爆秸秆的饲用安全性进行测试，通过急性毒性试验、小鼠骨髓细胞微核试验、小鼠骨髓细胞染色体畸变试验和鼠伤寒沙门氏菌营养缺陷回复突变试验证明，秸秆汽爆后安全无毒，可以作为动物饲料，消化率大大提高，汽爆后产生的寡糖糖可以作为动物肠道有益菌双歧杆菌和乳酸杆菌的碳源和生长因子，可促进动物肠道有益菌群的增殖，阻止病原菌定植，刺激免疫反应，增强动物免疫机能，具有益生素的功能。

目前利用蒸汽爆破技术加工动物饲料已经达到工业化。

利用蒸汽爆破技术处理秸秆后，进行同步糖化发酵制备燃料酒精，已经成为目前研究的主要内容之一。

秸秆经过蒸汽爆破之后，其酶解率可达80-90%，比未经汽爆的秸秆酶解率提高了60-70%。

蒸汽爆破法处理木质纤维原料的机理既是研究的重点，又是研究的难点。

植物纤维原料主要是由纤维素、半纤维素和木质素构成。

研究表明，半纤维素在汽蒸过程中迅速水解为低分子酸类碎片，木质素在高温高压下软化并发生一定程度的降解，纤维素则较少降解并保持其结晶性。

稻麦草、蔗渣和杨木爆破浆纤维形态和表面结构的电镜观察认定，纤维在胞间层分离，纤维骨架发生了润胀，并且木素溶后在纤维表面发生凝聚和再分布。

木质素降解主要是由β-O-4醚键的均裂造成的，定量化分析表明，木素结构中60%的β-醚键在汽蒸中发生断裂，其中包括羟基的减少，羰基、α，β-不饱和键和C-C键的形成。

在纤维素超微结构方面，X-射线衍射和核磁共振（NMR）对比研究表明，纤维素结晶度和微细纤维宽度都明显增加，这可能是纤维素分子重新定向排列导致无定形区转化的结果。

上述大多是针对木材，仍然是先用化学药品预处理木片，在进行爆破。

这样，仍然需加入大量化学药品，造成环境污染。

笔者基于秸秆与木材在化学组成和结构差异，提出对秸秆不加任何化学药品的低压汽爆技术。

我们利用汽爆技术开发出了清洁制浆、大麻清洁脱胶、秸秆制备腐植酸和活性低聚木糖等新一系列创新方法，并研制出3M3和5M3具快开门口的汽爆罐[6]，申请了多项国家发明专利。

由于汽爆过程中不添加任何化学药品，消除了污染源；在汽爆过程中所降解的半纤维素，可使之资源化，生产高附加值的双歧生长因子。

因此，从根本上解决汽爆的污染问题。

大幅度降低了生产成本。

目前无污染汽爆技术在秸秆综合利用、烟草加工、造纸工业、中草药提取和麻纤维清洁脱胶等行业应用前景广阔。

另外，天然固体物料一般是多组分混合或按照一定结构组成物料，也称之固相多组分物料。

包括木质纤维素原料（木材、秸秆）、动物废弃物（废弃羊毛、皮革碎料等）、中草药原料、丝茧、固体垃圾等。

如要清洁利用这些固相多组分物料，必须从原料结构组分清洁分离入手，才能实现这些物料循环高效利用，单一利用其中一种组分，其他组分不能有效分离，就会造成二次环境污染问题。

蒸汽爆破技术是通过气相蒸煮、机械分离来完成的，它可实现固相多组分物料的清洁经济分离，在木质纤维素原料、动物废弃物、中草药原料、丝茧、固体垃圾等处理中得到有效利用。

1.1.4蒸汽爆破的应用领域

蒸汽爆破技术经过几十年的研究，已逐渐发展到不同国家，用于不同原料的预处理上，并应用于不同领域。

在制糖业中，蒸汽爆破技术用于生产木糖和木糖醇，可大大简化糖液净化操作；在造纸业中，应用最为广泛，与目前广泛应用的化学预热机械浆（CTMP）和化学机械浆（CMP）等制浆方法相比，蒸汽爆破制浆具有能耗低、污染低、得率高的优点；在饲料行业中，蒸汽爆破处理的植物纤维可作为反刍动物和大猪的饲料，可大大提高饲料的消化率，并且能增加动物的采食量；在建材业上，蒸汽爆破处理干法制天然纤维板与传统纤维板制造工艺比较，可大大缩短工艺过程，降低生产成本。

汽爆后的木材纤维束（WFB）对水泥水化和防止混合物完全固化，有较强的阻滞作用。

糖分析显示，爆破WFB的糖含量高于未爆破的木材，比气干的和水浸泡过的木材分别增加20倍和l0倍。

分解的多聚糖成为主要因素，在抑制水泥固化中扮演重要的角色。

因此，高性能的液体色谱分析证明爆破的WFB萃取物中，多聚糖分子重量的主峰出现向低聚合范围漂移，氯化镁被确认为是制约抑制剂影响的化学添加剂，添加剂的用量为2％～3％和4％～5％可使水泥快速固化，4％氯化镁和2％氧化钙的复合化学添加剂，有明显的加速水泥固化作用。

在我国，研究者在80年代也开始对蒸汽爆破技术进行研究，并应用于制浆、饲料发酵剂木质纤维素原料预处理等领域。

华南理工大学詹怀宇、黄干强等分别对杨木、蔗渣、毛竹采用蒸汽爆破技术制浆，并对汽爆激昂进行了各种性能分析。

北京林业大学赖文衡、潘定如等对3种速生毛白杨、桦木、马尾松、麦草等的蒸汽爆破处理作了研究，并探讨了影响爆破功率的主要因素。

中国科学院过程工程研究所陈洪章、李佐虎等则对麦草、大麻、中草药、烟草等的蒸汽爆破处理作了研究，分析并探讨了蒸汽爆破过程和原理，并对汽爆麦草浆的性能、大麻的脱胶效果、中药有效成分的提取率等进行了研究；陈洪章等还利用蒸汽爆破技术以秸秆为原料制备低聚木糖，南京林业大学的洪枫、单谷等在这方面也作了尝试。

浙江大学陈育如、南京化工大学欧阳平凯等则利用蒸汽爆破技术处理麦草应用于微生物分解及无胶纤维板制造。

北京理工大学邵自强采用蒸汽爆破技术处理纯纤维素用于提高起化学反应性能研究。

蒸汽爆破技术作为植物纤维预处理的一项新技术，随着研究的深入，相信在植物纤维的高效分离和纤维素预处理活化领域、固体废弃物处理等领域中，会得到更多的关注和更广泛的应用。