本文選題：蒸汽爆破 + 瞬時彈射式蒸汽爆破��； 參考：《河南農(nóng)業(yè)大學》2015年博士論文

【摘要】：蒸汽爆破技術發(fā)端于八十多年前的人造纖維板生產(chǎn)。在近幾十年的生物質(zhì)轉化技術研究中,發(fā)現(xiàn)其做為預處理手段有助于木質(zhì)纖維素物質(zhì)的水解發(fā)酵,并有能耗低、污染小、環(huán)境友好等優(yōu)點,啟發(fā)人們認識到這一預處理手段可能具有廣闊的應用前景。但是,長期以來,由于對蒸汽爆破機理的研究較少,蒸汽爆破工藝以及蒸汽爆破裝置的設計一直停留在傳統(tǒng)造紙蒸煮工藝的階段,以爆裂度為工藝篩選指標,用蒸煮噴放罐通過閥門開啟模擬爆破過程,使蒸汽爆破效果長期停留在蒸煮水平上,蒸汽爆破的應用規(guī)模受到極大制約。在進入二十一世紀后由于理論研究沒有進展使這一技術受到了很大質(zhì)疑,甚至有專家提出以熱水處理(HLW)技術及蒸汽處理(SP)技術取代汽爆技術,認為汽爆技術存在的意義已不大。基于對爆破本質(zhì)的認真分析與認識,本研究總結了蒸汽爆破的技術特征,提出了“瞬時彈射式蒸汽爆破”(Instant Catapult Steam Explosion,ICSE)技術及其設備設計。通過固體表面特性、微觀結構及理化特性試驗,對ICSE技術與其它預處理技術的效果進行了對比,探索了ICSE預處理對生物質(zhì)轉化的作用機理,發(fā)現(xiàn)了一些能夠反映蒸汽爆破真實含義的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象。本研究主要內(nèi)容包括:1)通過對汽爆過程的氣體動力學與工程熱力學的研究計算,認為蒸汽爆破過程做為一個能量快速轉換的過程,與轉換時間和轉換能量密切相關。在爆出時間的推導過程中,提出了一種以活塞和汽缸為核心構件的蒸汽爆破裝置模型,即ICSE技術模型。確定了準確反映爆破本質(zhì)的技術指標:爆破時間與爆破功率密度,明確了一個過程可以被稱之為蒸汽爆破的技術特征在于爆破沖擊波及熱功轉換。計算結果表明:ICSE裝置比傳統(tǒng)爆破裝置爆出時間縮短了123倍。試驗表明:ICSE處理后的物料溫度為55~60℃,明顯低于高壓蒸煮或噴放后的物料溫度,實現(xiàn)了熱功轉換。2)提出了一整套ICSE技術原理下試驗機與工業(yè)機的設計方案及原型機,總結了爆體構件的技術特征,制定了爆出口密封裝置的設計要素。測定了ICSE樣機的爆出時間及整機指標,結果表明:ICSE設備的整個爆出過程不超過12ms,與理論計算相吻合,達到了設計預期。3)研究了ICSE工藝對木質(zhì)纖維素理化特性的影響。該研究采用NREL方法對270組汽爆工藝試驗青貯玉米秸稈中的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素含量進行了測定。通過三素指標的變化,來衡量各工藝參數(shù)對汽爆效果的影響。試驗表明:高壓短時間會使爆后木質(zhì)素含量最大程度降低。此外,發(fā)現(xiàn)了酸溶木質(zhì)素以2.4MPa為局部階躍點的現(xiàn)象,以及半纖維素在三個壓力段中以140~160s為階躍點的現(xiàn)象。綜合三素變化規(guī)律,認為2.4MPa/140s是ICSE工藝的最佳結合點之一。4)研究了ICSE工藝參數(shù)對木質(zhì)纖維素水解特性的影響。以不同的蒸汽壓力、保壓時間參數(shù)組合條件下對生物質(zhì)秸稈進行爆破試驗,然后通過對標準糖化條件下的水解液中六碳糖與五碳糖變化規(guī)律進行研究,驗證優(yōu)化爆破預處理工藝參數(shù)。研究表明:ICSE對促進六碳糖酶解效果有著一個最佳作用區(qū)域,該區(qū)域范圍是:壓力以2~2.4MPa為中心,保壓時間以140~160s為中心;五碳糖濃度隨保壓時間延長而增加,汽爆壓力段在1.8~2.0MPa范圍內(nèi)取得最理想水平。5)通過ICSE與熱噴放、堿處理堆漚兩種預處理方式的比較研究,探索了ICSE預處理對生物質(zhì)物理特性、表面特性及微觀結構的作用機理。研究中,對固體表面自由能、沉降特性及BET比表面積及孔徑分布進行了試驗,并進行了SEM形態(tài)學分析。其中,固體表面自由能試驗表現(xiàn)了非常態(tài)結果:ICSE可使固體表面自由能達到71.1mJ/m2,相比熱噴放提高20.3%,相比堿處理堆漚提高了25.7%,親水指數(shù)達到10.0569 mJ1/2/m,明顯改善了固體表面自由能特性;物料沉降特性試驗表明:ICSE試樣全部沉降,與之相比熱噴放漂浮比例0.69:1,堿處理堆漚漂浮比2.13:1;SEM試驗表明:爆破過程徹底改變了組織結構,使細胞壁完全斷裂破碎;BET比表面積及孔徑分布試驗表明:ICSE試樣比表面積達3.4471m2/g,相比熱噴放提高57.4%,相比堿處理堆漚提高了263.0%,孔徑孔容分布擴大。這些試驗反映出ICSE有效提高了物料的固體表面自由能和親水指數(shù),增大了生物質(zhì)比表面積和與水溶液的混溶性,展現(xiàn)出ICSE技術相對于其它預處理技術的優(yōu)越性。6)研究了ICSE預處理對生物質(zhì)理化特性的改變機理。研究方法包括X射線衍射試驗、紅外光譜試驗及熱重試驗等。其中,X射線衍射試驗表明:ICSE比熱噴放物料結晶度下降了29.4%,比堿處理堆漚降低了26.1%,峰數(shù)減少,物質(zhì)結構變化最為明顯;紅外光譜試驗表明:ICSE樣品譜線比其他樣品譜線發(fā)生了更為明顯位移,表明ICSE處理能夠相對于其它預處理方式更加明顯的改變有機官能團;熱重試驗表明:在ICSE處理下,最大失重速率比熱噴放及堿堆漚兩種預處理方式分別高19.7%和21.2%,熱解終了時殘留物的質(zhì)量分數(shù)比熱噴放及堿堆漚兩種預處理方式分別低31.8%和26.4%。
[Abstract]:In this paper , the technology of steam explosion and its equipment design have been put forward in this paper . The results show that the technology of steam explosion is less than that of traditional blasting . In this paper , the effects of technological parameters on the chemical properties , surface properties and microstructure of biomass were studied . The results showed that the free energy , sedimentation characteristics and BET specific surface area and pore size distribution of ICSE were studied . The results showed that ICSE had a better effect on biomass physical properties , surface properties and microstructure . The experimental results show that ICSE can improve the solid surface free energy and hydrophilic index of the materials effectively , increase the biomass specific surface area and the miscibility with the aqueous solution , show that ICSE treatment can significantly change the organic functional group compared with other pretreatment methods .
【學位授予單位】：河南農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK6;TB41

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