蒸汽爆破技术及其应用
摘要：基于秸秆与木材在化学组成和结构上的差异，提出对秸秆不加任何化学药品的低压爆破技术。在研究秸秆无污染汽爆作用机制的基础上，开发出了无污染汽爆技术清洁制浆、大麻清洁脱胶、秸秆制备腐植酸和活性低聚木糖等一系列创新方法。该技术不仅在秸秆综合利用上得到应用，而且还可应用于烟草加工、造纸工业、中草药提取和麻纤维清洁脱胶等行业。
关键词：汽爆，秸秆综合利用，清洁生产
1928 年，美国的 W.H.Mason[1]发明了爆破制浆技术。该技术使用
7~8 MPa 的饱和水蒸汽作为介质进行爆破，只是在纤维板生产中应用。因该技术爆破压力高，因此难以推广。几 十年来，各国围绕这项技术进行了大量研究与实验。1980 年加拿大 E.A.Delong[2]发明了
Iotech专利，使用 3.8~5.2 MPa 的饱和水蒸汽爆破经化学预处理的木片；加拿大的 Stake[3]推出了连续爆破技术，于 1.48~1.76 MPa 下每 4
分钟喷放一次。其它爆破工艺还有 Siropuler，Kokta等。国内对爆破制浆的研究从 80年代中期开始起步，并发表了研究论文 。这些工艺的共同点是针对木材，仍然是先用化学药品预处理木片，再进行爆破。这样，仍然需加入大量化学药品，造成环境污染。
我们基于秸秆与木材在化学组成和结构上的差异，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一系列创新方法，并研制出 3 m、5m具快开门口的汽爆罐 ，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。
1 秸秆汽爆作用机制[7]
具有细胞结构的植物原料在高压(1.5 MPa)、高温(190℃)介质下汽相蒸煮，半纤维素和木质素产生一些酸性物质，使半纤维素降解成可溶性糖，同时复合胞间层的木质素软化和部分降解，从而削弱了纤维间的粘结。然后突然减压，介质和物料共同作用完成物理的能量释放过程。物料内的汽相介质喷出瞬间急速膨胀，同时物料内的高温液态水迅速暴沸形成闪蒸，对外作功，使物料从胞间层解离成单个纤维细胞。汽爆可分成两个阶段，首先是汽相蒸煮，高压蒸汽渗透到物料内的空隙，使半纤维素降解成可溶性糖，同时木质素软化和部分降解，降低纤维连结强度，为爆破过程提供选择性的机械分离。其次是爆破过程，利用汽相饱和蒸汽和高温液态水两种介质共同作用于物料，瞬间完成的绝热膨胀过程，对外作功。在爆破过程中，膨胀的气体以冲击波的形式作用于物料，使物料在软化条件下产生剪切力变形运动。
由于物料变形速度较冲击波速度小得多，使之多次产生剪切，使纤维有目的分离。二者相辅相成，汽相蒸煮条件的选择决定着汽爆目的性。汽相蒸煮的温度和蒸煮时间之间存在交互作用，根据
Arrhenius 定律，温度每升高 10℃热化学反应的速率加倍，温度的升高从而可缩短蒸煮时间, 但爆破机械作用只有在汽相蒸煮临界点以上才能发挥出来。
汽爆条件的选择与原料的种类，汽爆物料的用途和汽爆罐的性能有关。（1）如麦草与木材在汽爆条件上差异较大，不能把麦草等同于木材。（2）制浆、化学纤维和生物转化对植物原料要求差别很大，因此，汽爆条件也不能同样考虑。如为了得到高得率的纸浆，相应采取了防止组分降解措施。从生物量全利用来看，应以最低成本获得三组分最大收率为目的。（3）从工程角度考虑汽爆条件，主要是汽相蒸煮的均匀性，也就是汽相传递特性，这个问题与起始物料含水量关系很大。（4）汽爆罐的性能对汽爆条件选择也影响很大。如汽爆罐放料口直径与罐体直径的比例，对于爆破作用有较大影响。
2 应用范围
2.1 清洁制浆生产瓦楞原纸[8]
传统制浆工艺造成极严重的环境污染的主要原因是造纸原料利用不合理。特别是我国造纸原料 90%为秸秆类原料，其中占原料一半的非纤维素原料及全部化工原料作为废弃物排放。汽爆制浆作为一种有发展前途的新技术受到世界各国的高度重视。国内外对汽爆制浆的研究局限在半化学汽爆制浆，仍然有污染，并且很难综合利用。不加化学药品低压汽爆秸秆制浆的新工艺是基于秸秆与木材在化学组成和结构差异的特点，开辟秸秆清洁制浆的新方法。其产品经有关部门测试分析表明已达到了规模生产的要求，同时实现了秸秆生物量全利用，符合清洁生产的要求。目前我们正在实施建造的以造纸为依托，用生物技术实现清洁化生产的试验基地，已列入国家星火计划。进一步研究生物制浆生产高档纸新技术，形成以生物技术为主导的造纸工业新局面。
2.2 汽爆秸秆制备环保吸附材料[9]
目前，利用吸附原理对重金属离子废水和高浓度有机废水进行处理的方法较为普遍，比如活性炭在处理重金属离子废水中是一种常用的吸附剂，但活性炭生产成本较高，会造成废水处理成本巨增，国内企业废水治理费用往往大大超过国内环保罚款费用，使得用活性炭处理重金属离子废水这一方法的应用受到很大限制。我们提出以固体废料治理液体废水的思路，选用经汽爆处理的秸秆，代替昂贵的活性炭处理废水，可大幅度降低废水的处理成本，提高实际应用的可行性。
2.3 大麻清洁脱胶[10]
大麻纤维开发在国内外长期以来停留在化学脱胶方法上，主要是参照工艺较为成熟的苎麻化学脱胶来进行的，造成环境污染，严重影响大麻纺织业的发展。而微生物脱胶的研究自50 年代以来国外就已进行，国内则在 70 年代才始有研究。虽然对麻料进行微生物脱胶已经有了较为长足的发展，但其仍是不能满足工业化生产的要求，存在着脱胶率低，处理成本高和尚需补充化学处理，仍然污染环境等问题。
本研究是首先采用蒸汽爆碎处理技术，使大麻中的半纤维素和木质素部分降解，然后用微生物产酶和酶解耦合的方法对汽爆大麻进一步脱胶，最后用双氧水对大麻漂白，制备的精干麻洁白松散，质量好。汽爆处理首先使 80%的半纤维素和果胶降解，不仅为微生物发酵提供所需的营养，而且破坏了大麻的天然结构，有利于胶质物的酶解脱除，达到大麻脱胶的目的，避免补充化学方法的污染。
2.4 汽爆秸秆提取低聚木糖[11]
目前国外低聚木糖的生产方法虽然已工业化生产，但该法存在着易产生环境污染、生产过程复杂、产品得率低、生产成本高等问题；效仿研究国外的方法毫无意义。因此，有必要探索一条全新路线，以便进一步降低生产成本和为其他活性低聚糖的生产提供新思路。秸秆汽爆生产活性低聚木糖的方法是基于蒸汽爆碎处理小麦秸秆，可使其中木聚糖选择性地降解分离的特点，开辟应用物理原理制低聚糖的新方法。秸秆汽爆生产活性低聚木糖的方法具有生产过程简单（简化了碱提取木聚糖、木聚糖酶的生产制备和木聚糖的酶水解过程）、无污染（固形渣作为发酵蛋白饲料原料）、产品得率高（在汽爆过程中，木聚糖没有损失，木聚糖回收率 80%）、生产成本低（汽爆过程仅消耗蒸汽，其用量为 0.5 吨蒸汽 / 吨小麦秸秆）等优点。
2.5 汽爆秸秆制备腐植酸[12]
近十几年来，腐植酸在我国工业、农业、畜牧、医药等领域的研究与应用有了较大的发展，不少成果在国民经济中发挥了良好的作用，取得了较好的经济效益和社会效益。据不完全统计，全国各种腐植酸加工企业已超过百家，这些生产厂家大多以煤炭资源为原料，消耗 了宝贵的煤炭资源。也有个别厂家以农副产品下脚料为原料，通过微生物发酵生产腐植酸[4]，但该法存在着生产周期长，产品质量不稳定的缺点。汽爆秸秆生产腐植酸的方法是基于在汽相蒸煮过程中，木质素部分醚键断裂，反应活性增强，与秸秆中的含氮化合物、灰分和半纤维素水解糖反应形成腐植酸类物质的特性，开辟应用物理原理制腐植酸的新方法。
2.6 汽爆秸秆生产草酸[13]
我国草酸工业自 1955 年开始兴起，在 80 年代末至 90 年代初，形成了一股草酸热，碳水化合物硝酸氧化法生产草酸的家厂纷纷上马，但由于存在严重污染，且生产成本都很高，不久又大批下马。草酸的理想生产工艺应具备原料易得、工艺简单、操作简便、成本低廉，且无三废污染等特点。
本研究提出的氢氧化钾熔盐液相氧化法是 O2-离子化的高温熔剂，作为强化多相反应的新系统，具有常规氧化过程无法比拟的优越性。与溶剂中的离子一样，遵守化学平衡定律，