生物纖維原料汽爆預(yù)處理技術(shù)與應(yīng)用研究.pdf

1、生物質(zhì)能具有資源豐富、可再生的優(yōu)點，可用來轉(zhuǎn)化固、液、氣三種清潔燃料。二十世紀(jì)九十年代初，國內(nèi)外的學(xué)者以提高轉(zhuǎn)化效率為目標(biāo)，開始對生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化機(jī)理和影響轉(zhuǎn)化因素進(jìn)行研究。結(jié)果表明，如何消除或降低木質(zhì)素對纖維素降解酶的阻礙作用是研究的難點和提高轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵。 生物質(zhì)秸稈中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三者結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，要提高半纖維素和纖維素的轉(zhuǎn)化率，就必須對生物質(zhì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，破壞其物理結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)三者的有效分離。預(yù)處理的目的是分離、除

2、去生物質(zhì)秸稈中的木質(zhì)素，增加生物質(zhì)秸稈的孔隙率和酶對纖維素的可及性，從而提高生物質(zhì)秸稈中半纖維素和纖維素的轉(zhuǎn)化率。生物質(zhì)秸稈的預(yù)處理方法可以分為物理預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理、物理化學(xué)預(yù)處理和生物預(yù)處理四大類。學(xué)者們對秸稈預(yù)處理已進(jìn)行了許多研究，雖取得了一定的成果，但還沒有找到能夠應(yīng)用于生產(chǎn)、低成本、高效率的方法，因此，找到提高生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用率的預(yù)處理技術(shù)至今仍然是生物質(zhì)高品位利用的技術(shù)關(guān)鍵，也是學(xué)者及企業(yè)家們苦苦追求的目標(biāo)。 蒸汽爆破

3、技術(shù)是物理化學(xué)預(yù)處理方法中的一種，最初被應(yīng)用于紙漿生產(chǎn)。到目前為止，還沒有通過爆破顯著提高纖維素轉(zhuǎn)化率的報道。近幾年來研究生物質(zhì)爆破技術(shù)的逐漸多起來了，但認(rèn)真分析其工藝參數(shù)和結(jié)果，其實際上為“汽噴”和“膨化”，因為真正的生物質(zhì)爆破中生物質(zhì)溢出時間一定要小于1秒，在這樣的速度下才會出現(xiàn)“爆”。目前的報道，解壓后生物質(zhì)均在幾十秒到幾分鐘時間內(nèi)才能被完全放出來，這就不屬于真正意義上的蒸汽爆破范疇了，用于秸稈預(yù)處理也無法取得好的效果。

4、本研究采用新的蒸汽爆破技術(shù)設(shè)備對秸稈進(jìn)行了爆破預(yù)處理研究，這種爆破設(shè)備采用蒸汽彈射技術(shù)，可以在0.00875s時間內(nèi)完成能量的高密度突然釋放，將秸稈推出高壓缸并完成秸稈的爆碎。經(jīng)對爆破秸稈的沼氣發(fā)酵和纖維糖化等試驗，所獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出了明顯的預(yù)處理效果。 本文較全面地反映了作者的研究工作，主要包括以下內(nèi)容： (1)爆破預(yù)處理影響因素和爆破參數(shù)優(yōu)化研究。通過研究汽爆后秸稈結(jié)構(gòu)(半纖維素、纖維素和木質(zhì)素組分含量)和還原

5、糖得率兩個指標(biāo)來衡量蒸汽爆破預(yù)處理中各因素對汽爆效果的影響。在不同的壓力、時間、含水率、物料填充密實度等參數(shù)組合條件下對生物質(zhì)秸稈進(jìn)行爆破試驗，對爆破生物質(zhì)進(jìn)行物理、化學(xué)及結(jié)構(gòu)分析，找出了經(jīng)過優(yōu)化的爆破預(yù)處理秸稈參數(shù)。作者首次嘗試了秸稈的二次汽爆試驗研究，結(jié)果表明，相對于一次汽爆來說，二次汽爆的預(yù)處理能力顯著提高。 (2)為了驗證爆破效果和使用價值，用玉米秸稈爆破物分別在常溫和中溫下進(jìn)行了沼氣發(fā)酵試驗。試驗采用濕式發(fā)酵方法(總固

6、形物濃度為5％)。結(jié)果表明，每克干物質(zhì)產(chǎn)氣量和沼氣中甲烷百分比含量兩個參數(shù)都較對比試驗有一定提高。試驗中也對汽爆后秸稈發(fā)酵醪液的pH值和COD值變化進(jìn)行了觀測，發(fā)現(xiàn)COD的去除率較高。經(jīng)汽爆后玉米秸稈發(fā)酵啟動和結(jié)束時間都較未經(jīng)蒸汽爆破預(yù)處理的秸稈要早。 (3)用蒸汽爆破后玉米秸稈進(jìn)行了糖化試驗。試驗結(jié)果表明，糖化率較對比試驗有較大程度提高。為了進(jìn)一步提高汽爆的效果，進(jìn)行了添加化學(xué)試劑HCl、NaOH、Na2SO4、氨水的玉米秸稈

7、的汽爆試驗。結(jié)果表明，添加HCl效果最好，但添加這些化學(xué)試劑對提高汽爆玉米秸稈糖化率作用不大。用汽爆后的玉米秸稈發(fā)酵制取燃料乙醇試驗中，在3.0Mpa壓力下，燃料乙醇的產(chǎn)率隨保壓時間增加呈下降的趨勢，而在低壓條件下，情況則相反。 (4)對秸稈爆破物的顯微組織進(jìn)行了分析。SEM和TG分析表明汽爆后的玉米秸稈的結(jié)構(gòu)破壞程度隨汽爆壓力和保留時間的增加而增加，雖然在高壓和短的保留時間的預(yù)處理條件下酶解糖化效果較好，但汽爆后的玉米秸稈的結(jié)