第１９卷第４期　２０１１年１２月　纤维素科学与技术　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖ　１．１９　Ｎｏ．４　

Ｄｅｃ．２０１ｌ　

文章编号：１００４—８４０５（２０１１）０４．００５６．０６　

螺杆挤压连续汽爆装置预处理秸秆试验研究　

陈杰，　张秋翔水，　蔡纪宁，　李双喜，　冯坤　（北京化工大学机电工程学院，北京１０００２９）　

摘要：以玉米秸秆为原料，用螺杆挤压连续汽爆装置进行９组试验，考察了浸渍　条件、温度和停留时间对汽爆物组分含量的影响。试验结果表明：从半纤维素水解　程度以及汽爆物ｐＨ，考察不同浸渍条件的浸渍效果排序为预浸渍＞预喷淋浸渍＞直　接喷淋；采用螺杆挤压连续汽爆装置处理玉米秸秆，在直接喷淋３％稀Ｈ２ＳＯ　溶液、　温度１７０￣Ｃ、停留时间２５　ｍｉｎ的预处理条件下，半纤维素水解成戊糖的效果最好，　戊糖得率最高为７．７５％。　关键词：螺杆挤压连续汽爆；玉米秸秆；组分含量　中图分类号：ＴＱ３５２　文献标识码：Ａ　

秸秆是木质纤维素的一种，我国每年的产量为７亿吨左右　］。但这些秸秆仅有一小部分　经过技术处理被利用，大部分被废弃或随意焚烧，严重污染了环境，同时也造成了大量的浪　费Ｌ２Ｊ。近年来，玉米秸秆制乙醇技术发展迅速，其中蒸汽爆破技术作为玉米秸秆生产乙醇的　关键环节，越来越受人们的重视【３　］。　在国内，对于蒸汽爆破技术的研究，大部分都是在间歇式实验室级别的蒸爆机上进行的，　而在连续汽爆装置上进行试验的研究却少有报道。本课题组受中石化委托，研制出了适用于　工业化生产的螺杆挤压连续汽爆装置。本文以该装置为载体，结合化学试剂对玉米秸秆进行　预处理，研究螺杆挤压连续汽爆装置处理秸秆的效果，为制定玉米秸秆制乙醇工艺提供试验　数据。　

１材料与方法　１．１螺杆挤压连续汽爆装置　螺杆挤压连续汽爆装置如图１所示，其工作原理是：粉碎后的玉米秸秆在进料口处与喷　淋的稀硫酸溶液一起进入单螺杆挤出机，在防反喷阀的作用下形成料塞，料塞在单螺杆挤出　机的推动下向前移动。当料塞进入滞留器上方时，高温高压的蒸汽由入口处进入，迅速渗透　到物料内部，使物料温度迅速上升，物料组织内部压力与滞留器压力平衡。物料散落到滞留　器内，由滞留器内的螺带推动前进，通过控制螺带的转速，可以调节物料在滞留器内的停留　

收稿日期：２０１１－０６．１３　基金项目：中国石油化工股份有限公司资助项目（２１００４２）。　作者简介：陈杰（１９８７～），男，硕士；主要从事螺杆挤压连续汽爆技术的研究。　通讯作者：张秋翔，高级工程师；主要从事化工过程装备和流体密封技术等方面的研究。　第４期　陈杰等：螺杆挤压连续汽爆装置预处理秸秆试验研究　５７　时间。在输送过程中，经过一定的滞留时间，使半纤维素充分水解。物料到达喷放阀后，打　开喷放阀，瞬间减压，使压力从Ｏ．７～２　ＭＰａ瞬间减小至一个标准大气压，从而实现闪蒸的　作用，物料内部结构被破坏，纤维素、半纤维素和木质素分离。　

防反喷阀单螺杆机进料　

出料　图１螺杆挤压连续汽爆装置　

１．２试验材料　本研究采用北京大兴区当地收集的玉米秸秆，表ｌ为试验用玉米秸秆干物各组分含量。　

表１玉米秸秆干物组分含量　

１－３试验分组　本研究为了考察温度、停留时间和浸渍条件，共进行了９组试验，表２为各组试验的预　处理条件。试验采用三种浸渍条件：１）预喷淋浸渍。粉碎后的玉米秸秆进入单螺杆，同时　喷淋中性水或稀Ｈ２ＳＯ４溶液，经过单螺杆的脱水挤压后取出风干１２　ｈ，再进入螺杆挤压连　续汽爆装置；２）预浸渍。在装有稀Ｈ２ＳＯ４溶液的容器中加入粉碎后的玉米秸秆浸泡２～３　ｈ　后取出风干１２　ｈ，再进入螺杆挤压连续汽爆装置；３）直接喷淋。粉碎后的玉米秸秆进入螺　杆挤压连续汽爆装置的同时喷淋中性水或稀Ｈ２ＳＯ４溶液。　

表２预处理条件　５８　纤维素科学与技术　第１９卷　１．４试验指标　本试验主要研究玉米秸秆螺杆挤压连续汽爆处理后纤维素和半纤维水解成糖分的含量，　故测定汽爆物中的纤维素、半纤维素、己糖和戊糖的含量。　

２结果与分析　２．１处理强度　２．１．１　考虑温度和停留时间的处理强度　、　温度和停留时间是影响汽爆效果的重要因素，Ｏｖｅｒｅｎｄ等使用处理强度反映蒸汽爆破的　程度（以下称为ｌｇＲｏ），具体计算见公式（１）［　一　。　

ｌｇＲｏ＝ｌｇ｛ｆ’×ｅｘｐ［（ｆ—　ｆ）／１４．７５］）　（１）　式中，ｌｇＲｏ为处理强度；ｆ’为停留时间（ｍｉｎ）；ｔ为预处理温度（℃）；　ｆ为参考温度（１００￣Ｃ）。　

２．１．２考虑温度、停留时间和ｐＨ的处理强度　Ｃｈｕｍ等　又引入汽爆物的ｐＨ作为第三个参数（以下称为ＣＳ），按公式（２）计算。　ＣＳ＝ｌｇＲ０一ｐＨ　（２）　

２．２试验结果　图２显示不同预处理条件下汽爆物的组分含量的测定分析结果。　

＼　纤维素咖半纤维素圈圈己糖圈豳戊糖　

ｌ—　６＿　Ｉ＿　８＿　ｌ—　１　２　３　４　５　６　７　８　９　Ｎｏ．　

图２汽爆物各组分含量（对绝干原料）　

＼　ｌｇＲ０　１ＩＩ３　ｌｇ　对汽爆物组分含量的影响　

根据公式（１）可算出各组试验条件的ｌｇＲ０，再根据汽爆物的ｐＨ和公式（２）计算出　ｃＳ，表３为各个试验条件下的ｌｇＲｏ、ＣＳ和ｐＨ值。　

表３处理强度和ｐＨ　第４期　陈杰等：螺杆挤压连续汽爆装置预处理秸秆试验研究　５９　２．３　ｌ　。对汽爆物组分含量的影响　分析玉米秸秆在预喷淋浸渍１％Ｈ２ＳＯ４溶液的条件下的３号、４号和５号试验结果，图　３为汽爆物在不同ｌｇＲ０下的组分含量。从图３看出，汽爆物处理强度从２．８４提高至３．２５时，　纤维素、半纤维素、己糖和戊糖含量下降，各个组分的变化程度均不显著；随着处理强度的　提高，纤维素和半纤维素水解程度略微提高。这表明，在停留时间８　ｍｉｎ时，温度从１７０￣Ｃ　上升至１８０￣Ｃ，汽爆物内部纤维结构打开不充分，纤维素和半纤维素水解程度低。　

２．４　ＣＳ对汽爆物组分含量的影响　２．４．１　不同浸渍条件的浸渍效果　为了考察浸渍效果，分析３号、６号、７号试验结果，分别采用预喷淋浸渍、预浸渍、　直接喷淋１％稀Ｈ２ＳＯ４溶液的浸渍条件。从图２中看出，半纤维素含量６号最低，３号次之，　７号最高；戊糖含量６号最高，３号和７号差别不大，但３号略高。这表明，汽爆物半纤维　素的水解程度６号最好，３号较７号明显。因此，从半纤维素的水解程度评价这三种浸渍条　件的浸渍效果，其排序为预浸渍＞预喷淋浸渍＞直接喷淋。　从表３比较这三组试验结果的ｐＨ值，６号汽爆物的ｐＨ最低，７号最高。因此，从汽爆　物的ＤＨ评价这三种浸渍条件的浸渍效果，其排序为预浸渍＞预喷淋浸渍＞直接喷淋。　综上所述，以１％稀Ｈ２ＳＯ４溶液为浸渍剂，采用本文的三种浸渍条件，对玉米秸秆浸渍　效果的排序为预浸渍＞预喷淋浸渍＞直接喷淋。　值得注意的是，采用直接喷淋３％稀Ｈ２ＳＯ４溶液浸渍条件的７号试验结果，其半纤维素　水解程度是９组试验结果中最显著的，其ｐＨ值也是９组试验结果中最低的。这表明，适当　地提高直接喷淋稀Ｈ２ＳＯ４溶液的质量分数，螺杆挤压连续汽爆处理玉米秸秆可以代替长时　间的浸渍过程，实现连续汽爆过程。　

２．４．２　ｐＨ对汽爆物纽分含量的影响　

＼　ｐＨ　ｐＨ　ａ．纤维素和己糖　ｂ．半纤维素和戊糖　

图４　ｐＨ对汽爆物组分含量的影响　

由图４试验数据看出，当汽爆物ｐＨ值减小时，汽爆物中纤维素和己糖的含量基本没有　变化；而汽爆物中半纤维素的含量显著减小，戊糖的含量显著增加；当汽爆物ｐＨ值为２．４５　纤维素科学与技术　第１９卷　时，其戊糖质量分数最高达７．７５％。这表明，在稀Ｈ２Ｓ０４的作用下，半纤维素在高温高压的　条件下水解剧烈，汽爆物内纤维结构打开充分。比较各组试验结果，发现温度在１８０＂Ｃ以下，　停留时间在２５　ｍｉｎ以内的预处理条件下，汽爆物的ｐＨ值是反映玉米秸秆汽爆效果的重要指标。　

２．４．３　ＣＳ对汽爆物组分含量的影响　汽爆物在不同ＣＳ下的组分含量如图５所示。　相比ｌｇＲ０，汽爆物的组分含量对ＣＳ的变化更加敏　感，随着ＣＳ的增加，半纤维素的含量下降，戊糖　的含量上升。值得注意的是，当ＣＳ超过一０．５时，　半纤维素含量明显下降，戊糖含量明显上升；ＣＳ　等于１．０１时，戊糖的质量分数最高达７．７５％。这表　明，ＣＳ超过一０．５后，半纤维素水解成戊糖　ｕＪ的程　度加剧，ＣＳ能很好地反映半纤维素的水解情况。　从图中看出，纤维素的含量总体变化不大，但有个　别试验结果差别较大，考虑到己糖的含量并未变　

＼　ＣＳ　图５　ＣＳ对汽爆物组分含量的影响　

化，故纤维素含量的变化并不能反映出纤维素水解的情况，造成这种现象的可能原因是，汽　爆物取样不均和测试组分含量存在一定的误差。　

３　结论　１）螺杆挤压连续汽爆装置处理玉米秸秆，进料时直接喷淋稀Ｈ２ＳＯ４溶液，玉米秸秆在　该装置内实现了浸渍脱水过程，只需适当提高直接喷淋的稀Ｈ２ＳＯ４溶液的质量分数至３％，　可代替长时间的浸渍过程，实现连续的工业化生产。　２）汽爆物的ｐＨ值能很好地反映玉米秸秆汽爆效果，可以通过汽爆物的ｐＨ值对汽爆效　果进行初步判断。　３）在ｌｇＲ０为３．４６（温度１７０℃，时间２５　ｍｉｎ）、直接喷淋３％稀Ｈ２ＳＯ４溶液的预处理条　件下，ＣＳ为１．０１，半纤维素的水解程度最大，得到的戊糖含量最高。　

参考文献：　［１］　谢光辉，王晓玉，任兰天．中国作物秸秆资源评估研究现状［Ｊ］．生物工程学报，２０１０，２６（７）：８５５．８６３．　［２】　蒋剑春．生物质能源应用研究现状与发展前景［Ｊ】．林产化学与工业，２００２，２２（２）：７５—８０．　［３］３　张连慧，石力安，王体朋，等．蒸汽爆破过程麦秆木质纤维素的转化［Ｊ］．农业工程学报，２００８，２４（１０）：　１９５　１９９．　［４］　康鹏，郑宗明，董长青，等．木质纤维素蒸汽爆破预处理技术的研究进展［Ｊ］．可再生能源，２０１０，２８（３）：　１１２．１１６．　［５】　王鑫．蒸汽爆破预处理技术及其对纤维乙醇生物转化的研究进展［Ｊ】．林产化学与工业，２０１０，３Ｏ（４）：　１２０．１２５．　【６】Ｈｅｉｔｚ　Ｍ，Ｃａｒｒａｓｃｏ　Ｆ’Ｒｕｂｉｏ　Ｍ．Ｐｈｙｓｉｃ－ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｉｇｎｏｃｅＵｕｌｏｓｉｃ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ　ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ　ｖｉａ