蒸汽爆破技術(shù)基礎(chǔ)

1、蒸汽爆破技術(shù)基礎(chǔ)固體多組分物料結(jié)構(gòu)蒸汽爆破技術(shù)多用于固體多組分物料的預(yù)處理，特別是木質(zhì)纖維素原料。木質(zhì)纖維素原料一般含有纖維素、木質(zhì)素和半纖維素三大組分，約占固體物料總重量的80%。對(duì)于秸桿，其中纖維素含量一般為30-35%，半纖維素含量一般為25-30%，木質(zhì)素的含量一般為10%左右。對(duì)于木材，其中纖維素含量一般為45-50%，半纖維素含量一般為10-20%，木質(zhì)素的含量一般為25-30%。除三大類組分外，固體物料還含有蛋白質(zhì)、脂類、灰分、水分、果膠、低分子的碳水化合物等。其中秸稈的灰分含量一般在5%以上（稻草的灰分含量高達(dá)15%），灰分中60%以上為二氧化硅；木材的灰分含量一般在1%以下，

2、多數(shù)為0.3%0.5%（對(duì)絕干原料）。纖維素是不溶于水的均一聚糖，由葡萄糖基通過(guò)-1，4-葡萄糖苷鍵連接起來(lái)的鏈狀高分子化合物（圖1-1）。纖維素分子常排列在一起以聚集態(tài)存在，其中一部分排列比較整齊，有規(guī)則，呈現(xiàn)清晰的X-射線圖，這部分稱結(jié)晶區(qū)，排列不整齊，較松馳的部分稱無(wú)定形區(qū)，纖維素的晶體結(jié)構(gòu)常阻礙纖維素的降解。半纖維素是由兩種或兩種以上的單糖基組成的不均一聚糖，大部分帶有短的側(cè)鏈，構(gòu)成半纖維素的糖基主要有木糖、葡萄糖、甘露糖，阿拉伯糖，半乳糖及它們的各種衍生物，秸稈的半纖維素組成主要是聚阿拉伯糖基葡萄糖醛酸木糖。木質(zhì)素是一類由苯基丙烷結(jié)構(gòu)單元通過(guò)碳-碳鍵和醚鍵連接而成的具有三度空間結(jié)構(gòu)的

3、高分子聚合物。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素這三類物質(zhì)都是高分子化合物，有很高的穩(wěn)定性，不經(jīng)處理或降解很難被動(dòng)物直接吸收利用。圖1-1 纖維素分子鏈結(jié)構(gòu)式在細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)中，纖維素分子鏈有規(guī)則地排列聚集成原細(xì)纖維，由原細(xì)纖維進(jìn)一步組成微細(xì)纖維，微細(xì)纖維組成細(xì)小纖維，原細(xì)纖維之間填充著半纖維素，微細(xì)纖維周圍包裹著木質(zhì)素和半纖維素，且木質(zhì)素和半纖維素間存在化學(xué)連接。這樣在細(xì)胞壁中纖維素以微細(xì)纖維形式構(gòu)成纖維素骨架，木質(zhì)素和半纖維素以共價(jià)鍵方式交聯(lián)在一起，形成三維框架結(jié)構(gòu)，把微纖維束鑲嵌在里面。細(xì)胞壁的外邊，即兩個(gè)細(xì)胞之間的胞間層，主要由木質(zhì)素組成，少量為果膠，把兩個(gè)細(xì)胞粘接在一起。這樣，纖維素、半纖維素和木

4、質(zhì)素相互交織而形成復(fù)雜的難以降解的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)。汽相蒸煮物理化學(xué)變化木質(zhì)纖維素原料的主要成分為纖維素、半纖維素及木質(zhì)素。而蒸汽爆破主要是利用高溫高壓水蒸氣處理纖維原料，在高溫高壓水蒸汽的物理化學(xué)作用下，半纖維素部分水解，木素軟化、易降解，從而使木材橫向聯(lián)結(jié)強(qiáng)度下降，細(xì)胞孔隙中充滿高壓蒸汽，變得柔軟可塑。當(dāng)驟然減壓時(shí)，孔隙中的氣體急劇膨脹，產(chǎn)生爆炸，將木材放裂成細(xì)小的纖維束狀，從而實(shí)現(xiàn)原料的組分分離和結(jié)構(gòu)變化，這是由蒸汽溫度和弱酸(由半纖維素降解所產(chǎn)生的醋酸)共同作用的結(jié)果?？梢哉J(rèn)為，在蒸汽爆破過(guò)程中存在以下幾個(gè)方面作用。（1）類酸性水解作用及熱降解作用。蒸汽爆破過(guò)程中，高壓熱蒸汽進(jìn)入纖維原料中，

5、并滲入纖維內(nèi)部的空隙。由于水蒸氣和熱的聯(lián)合作用產(chǎn)生纖維原料的類酸性降解以及熱降解，低分子物質(zhì)溶出，纖維聚合度下降。（2）類機(jī)械斷裂作用。在高壓蒸汽釋放時(shí)，已滲入纖維內(nèi)部的熱蒸汽分子以氣流的方式從較封閉的空隙中高速瞬間釋放出來(lái)，纖維內(nèi)部及周圍熱蒸汽的高速瞬間流動(dòng)，使纖維發(fā)生一定程度上的機(jī)械斷裂。這種斷裂不僅表現(xiàn)為纖維素大分子中的鍵斷裂，還原端基增加，纖維素內(nèi)部氫鍵的碎壞，還表現(xiàn)為無(wú)定形區(qū)的碎壞和部分結(jié)晶區(qū)的碎壞。（3）氫鍵碎壞作用。在蒸汽爆破過(guò)程中，水蒸氣滲入纖維各孔隙中并與纖維素分子鏈上的部分羥基形成氫鍵。同時(shí)高溫、高壓、含水條件又會(huì)加劇對(duì)纖維素內(nèi)部氫鍵的碎壞，游離出新的羥基，增加了纖維素分子

6、內(nèi)的氫鍵。分子內(nèi)氫鍵斷裂的同時(shí)，纖維素被急速冷卻至室溫，使得纖維素超分子結(jié)構(gòu)被“凍結(jié)”，只有少部分的氫鍵重組。這樣使溶劑分子容易進(jìn)入片層間，而滲入的溶劑進(jìn)一步與纖維素大分子鏈進(jìn)行溶劑化，并引起殘留分子內(nèi)氫鍵的碎壞，加速了葡萄糖環(huán)基的運(yùn)動(dòng)，最后導(dǎo)致其它晶區(qū)的完全碎壞，直至完全溶解。（4）結(jié)構(gòu)重排作用。在高溫、高壓下，纖維素分子內(nèi)氫鍵受到一定程度的碎壞，纖維素鏈的可動(dòng)性增加，有利于纖維素向有序結(jié)構(gòu)變化。同時(shí)，纖維素分子鏈的斷裂，使纖維素鏈更容易再排列。一般認(rèn)為汽爆破過(guò)程中，半纖維素發(fā)生部分自水解作用轉(zhuǎn)化成單糖和低聚物，而木質(zhì)素則降解成糖類和酚類低聚物。高溫條件下，半纖維素鏈上水解下來(lái)的乙?；梢?/p>

7、酸又加劇了半纖維素的糖苷鍵和木質(zhì)素上酯鍵的水解。因此，在一定范圍內(nèi)處理強(qiáng)度越大，則半纖維素的水解以及木質(zhì)素的降解的程度越大，組分分離的效果越明顯。蒸汽爆破過(guò)程具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的植物原料在高壓(0.83.4MPa)、高溫(180240 oC)介質(zhì)下汽相蒸煮，半纖維素和木質(zhì)素產(chǎn)生一些酸性物質(zhì)，使半纖維素降解成可溶性糖，同時(shí)復(fù)合胞間層的木質(zhì)素軟化和部分降解，從而消弱了纖維間的粘結(jié)。然后，突然減壓，介質(zhì)和物料共同作用完成物理的能量釋放過(guò)程。物料內(nèi)的汽相介質(zhì)噴出瞬間急速膨脹，同時(shí)物料內(nèi)的高溫液態(tài)水迅速暴沸形成閃蒸，對(duì)外作功，使物料從胞間層解離成單個(gè)纖維細(xì)胞。汽爆可分成兩個(gè)階段，首先是汽相蒸煮，高壓蒸汽滲透到

8、物料內(nèi)的空隙，使半纖維素降解成可溶性糖，同時(shí)木質(zhì)素軟化和部分降解，降解纖維連結(jié)強(qiáng)度，為爆破過(guò)程提供選擇性的機(jī)械分離。其次是爆破過(guò)程，利用汽相飽和蒸汽和高溫液態(tài)水兩種介質(zhì)共同作用于物料，瞬間完成的絕熱膨脹過(guò)程，對(duì)外作功。在爆破過(guò)程中，膨脹的氣體以沖擊波的形式作用于物料，使之物料在軟化條件下產(chǎn)生剪切力變形運(yùn)動(dòng)。由于物料變形速度較沖擊波速度小得多，使之多次產(chǎn)生剪切，使纖維有目的分離。二者相輔相成，汽相蒸煮條件的選擇決定著汽爆目的性。汽相蒸煮的溫度和蒸煮時(shí)間之間存在交互作用，根據(jù)Arrhenius定律，溫度每升高10，熱化學(xué)反應(yīng)的速率加倍，溫度的升高從而可縮短蒸煮時(shí)間，但爆破機(jī)械作用只有在汽相蒸煮臨界

9、點(diǎn)以上才能發(fā)揮出來(lái)。蒸汽爆破能耗.1 耗汽量爆破過(guò)程的蒸汽消耗在下列幾個(gè)方面：一為將設(shè)備預(yù)熱到爆破溫度。為保證在第一次爆破時(shí)能夠達(dá)到預(yù)定的爆破壓力和溫度，設(shè)備必須先進(jìn)行預(yù)熱。由于加熱從室溫開(kāi)始，所以耗汽量很大，而預(yù)熱后再次爆破耗汽就大大減少；二為原料及水份的升溫，水的比熱大，含水率越高耗汽越多；三為蒸汽通過(guò)物料的孔隙以濾流的方式伴隨物料漏出的蒸汽。塑化的物料壓得很緊，物料間的孔隙率很小，通過(guò)的蒸汽量也很少；四為物料內(nèi)細(xì)胞孔隙中所含的蒸汽。這部份蒸汽的驟然膨脹，產(chǎn)生爆炸效果，但蒸汽的密度比物料小得多，這部分蒸汽量也不大；五為設(shè)備熱損失，這和物料在設(shè)備內(nèi)的停留時(shí)間有關(guān)。連續(xù)爆破時(shí)第一項(xiàng)可以忽略，半

10、連續(xù)爆破時(shí)設(shè)備溫度有波動(dòng)。但其熱量大部分也可由物料吸收，扣除這些因素后，每kg風(fēng)干物料消耗蒸汽量約為0.6kg左右，當(dāng)然預(yù)浸的濕物料，或加水煮后再爆都將使耗汽量有所增加。若將爆后釋放的常壓蒸汽收集起來(lái)用于預(yù)熱物料則將使汽耗下降，釋放汽還可預(yù)熱鍋爐給水，作為采暖等生活用熱溫。.2爆破功率分析 由于爆破過(guò)程時(shí)間極短，可視為絕熱膨脹。有效爆破功率（Pe）是以時(shí)間度量的有效爆破功。因此，Pe可用下式表示。其中 M -T時(shí)間內(nèi)膨脹的介質(zhì)量5H-爆破前后介質(zhì)焓差T-爆破時(shí)間F-爆破系數(shù)a-爆破物質(zhì)所占的比r-爆破物質(zhì)的密度 s, l, m -(下標(biāo))分別代表汽相介質(zhì)，高溫液態(tài)水和爆破物料從上述公式中可定性說(shuō)明幾個(gè)問(wèn)題。(1) 汽相介質(zhì)在物料間隙中的飽和蒸汽的爆破系數(shù)F接近于1，也就是說(shuō)物料中的飽和蒸汽絕大部分以爆破的方式膨脹。a代表物料中氣體占的比例，液體比例大了，爆破效果就差。因此，物料中含水量對(duì)爆破作用影響較大。上述實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。隨著爆破壓力增加，r值和H就升高。據(jù)物性手冊(cè)介紹，汽相的焓低壓時(shí)上升較快，在2.0Mpa基本達(dá)到最大。因此，并非壓力越高越好，另外，壓力過(guò)高，操作時(shí)間極短，更不易控制。(2) 液態(tài)介質(zhì)單位體積液態(tài)水和相同溫度下水蒸氣的熱焓值(r.H)相比的確大得多，但它的膨脹系數(shù)極小。這部分的焓差需轉(zhuǎn)