 |
|
|
|
|
|
 |
| |
|
 |
|
蒸汽爆破设备的概念澄清 （鹤壁市汽爆工程技术研究中心，458000） 关键词：
蒸汽爆破 热喷放 挤压膨化
连续汽爆 一、爆的物理概念。 爆的物理概念为：能量在短时间突发性全部释放完毕。包括化学反应、核反应以及物理减压过程，衡量其突发性的表征之一便是看其在能量释放时是否伴有“炸响”声即伴随冲击波产生，其反应过程在毫秒级时间内完成。比如鞭炮装以少量火药便可将本体炸碎，同时伴随有清脆而响亮的鞭炮声。烟花尽管装药量比鞭炮多，但由于火药能量释放是长时间依次释放形式，故不能将本体炸碎。 因此，无论是炸药还是压力容器所产生的爆破，只有具备了突发性炸响声，可产生爆破冲击波才属于物理意义上的真正的爆破。与此不同，一些通过打开快放阀门，使容器内压力迅速降低的减压过程由于没有产生毫秒级冲击波，参与反应物料是依次按前后顺序从高压向低压反应释放平衡，故不会产生剧烈的炸响声，减压过程远未达到毫秒级将全部容器内物料降为常压，均不具备爆破及蒸汽爆碎的必备条件。这些做功过程由于时间较长，不产生瞬间大功率，也就无法达到爆破所预期的物理化学效果。 二、汽爆工程热力学基础。 一般的生活常识告诉我们，当使用高压锅完成蒸煮食品时，需放汽减压方可打开锅盖，此时我们会发现
锅内食品是热的，约100℃；当我们在一个容器底部放置一个“快放”阀门做热喷试验时，我们会发现喷出物的温度同样在100℃附近；当我们利用汽爆工艺试验台做汽爆试验时，我们测得：当采用4Mpa的蒸汽压，即250℃温度汽爆后，其爆出物料温度在0.00875秒瞬间降至约20℃（比室内温度略低），其反应过程时间与压力无关，与装料多少容积大小无关。 工程热力学告诉我们，汽体在膨胀做功后，将会使温度降低，即可理解为，以失去热功来置换机械功。如果未发生膨胀做功，那么热功就不会产生功的置换与转移，其判定依据为是否可引起了物料温度的骤变。有温度骤变的则发生过膨胀做功，无温度骤变的则没有发生膨胀做功。 从试验上分析热喷或膨化工艺，由于其缺乏汽体膨胀做功的必要结果条件，因此热喷和膨化工艺从工程热力学焓、熵、火用、火无等基础热力学过程来分析，缺乏对物料产生膨化做功的热力学条件，如果对未完成膨胀做功的热喷、连续蒸煮及膨化工艺，不顾工程热力学基本原理，毫无任何学术价值臆想它与完成膨胀做功的汽爆一致，主观的认为爆破速度与结果无关，那么仅可以理解为一种商业宣传或者一种幻想。 由于汽爆时具有产生膨胀做功的物理学理论支持，我们正是利用这种物理学基础，依照膨胀降温做功的原理，利用膨胀功去分离纤维素、半纤维素、木质素、糖链等，以期实现对生物质进行发酵及萃取开展预处理工艺。而热喷与膨化工艺无汽体膨胀做功产生条件缺乏工程热力学理论支持。由于热喷与膨化不产生膨化功不具备纤维素等分离所需的分离力，只是完成将物料熟化变软而已。 三、蒸汽爆破的技术本质。 汽爆的技术本质为：将渗进植物组织内部被压缩的气体短时间突发性释放完毕，目的是用较少的能量将原料按目的分解。汽爆机是将容器内的全部原料在毫秒级的范围内，以炸散的形式悬在大气空间。由于其作用时间短，能量密度高而且集中,蒸汽分子可以渗透到纤维素与木质素等大分子之间，可充分的在大分子水平上将物料分解。 汽爆的物理过程，类似于在封闭的房间外突发性降低气压，使房间内的气体向外冲出，将房间摧毁，达到分离纤维素与木质素等大分子的目的。假如气压降低的速度较慢，则气体会从房间的各个孔隙中泄出，而不会使房间受到损坏。 在汽爆时，将植物（被爆物）置于一压力容器内，遵循在一个压力容器内压力处处相等的基本原理，利用植物表层微孔，将高压汽体渗透至植物组织内部，待植物组织内部压力与容器压力平衡后，突然将全体被爆物呈置于大气压下。由于植物表层微孔很小，如果外压下降迅速，瞬间下降为大气压，此时植物内部被充汽体只有很少部分通过植物表层微孔原路返回大气压，而大部分存于植物内部的高压汽体，则在内外压差的做用下完成膨胀做功，破坏植物组织内部结构，从而完成木质素、纤维素、半纤维素等组织及糖链的分段分离。这样，就实现了如纤维乙醇、低聚木糖，木糖及其它类糖、无碱造纸、麻类脱胶、烟叶加工等制取过程中重要的预处理过程。 四、汽爆所特有的加工效果。 我中心在利用汽爆试验台做植物汽爆试验时，发现如下规律： 1、
由于爆破能量集中，处理大部分物料不需添加任何化学药品，也免去了预浸渍的工艺过程。对于造纸业而言，由于洗浆液中不含有Na离子，且pH值近似中性，可以直接灌溉农田。 2、
达到同样的蒸汽爆碎效果，随着压力升高，处理时间大为缩短。以下为以玉米秸秆为爆样，取得B级浆状物所对应的工艺方案对比：
3、
从上述数据也可以看出，蒸汽爆碎具有短时间实现预处理效果的特点。可按造纸行业制浆要求，在5~15秒内达到所需制浆效果。这对于防止物料变性，产生其他醛类或酸性物质，具有显著意义，极大降低了爆破浆的COD浓度。同时，也极大降低了工业生产的单位能耗、减少了汽爆产物的污染程度。 4、
在汽爆工艺实施中，由于采用了高密度装填，理论每吨原料用汽量为1.67m3，当汽爆压力为2Mpa时，在叠加干物料凝汽作用后，则每吨原料耗蒸汽仅为160kg；这样的耗汽量不再是传统观念中对汽爆的认识，其经济、节能的特点突出。 5、
通过汽爆压力与保压时间的不同组合调整，可使被爆物从絮状向浆状及松状物之间发生可控转变，可从中找到所需状态，进入工业化生产。 6、
经汽爆预处理的某些纤维素类物质，爆碎率高，其酶水解得率可达90%以上。 7、
由于容器内所有物料在同一时间爆完，因此不存在一般热喷放过程中的“夹生”、“物料堵塞”等现象。经高密度压实填装的物料，其爆出物干爽呈肉松状，有利于进入发酵工艺。 8、
汽爆工艺设计中，对物料的含水量有着严格的规定且不能过高。相对于以往热喷放工艺常需要对物料采用浸泡、蒸煮等预处理工艺，在汽爆工艺中，则严格禁止浸泡与蒸煮，以防止植物组织内部可容汽孔隙被液体侵占。众所周知，液体不可压缩，只有汽体才可压缩。若被爆物经浸泡蒸煮或自然含水率过高时，导致植物细胞空隙被液态水充盈，从而影响汽体进入植物组织的量，由于汽爆物内部缺乏汽体膨胀介质，导致汽爆物无能量汽支持，好比炸弹未装火药或装药量不足，缺少爆现象的能量基础支持，因此不能实现爆能量高效转换。 五、汽爆与热喷放、挤压膨化的本质区别。 所谓热喷放技术通常是指在装有物料的容器底部，装置快放阀门，通过此阀门的开启，在秒数量级的时间内将物料在没有短促爆响声的情况下依次放入大气压环境。其过程时间与容器的容积及所施加的压力有关，容积大与压力大都将增加热喷过程的时间，而真正的汽爆，无论施加的压力与容积如何改变都与爆速无关，都可以在0.00875秒内结束爆破过程，这是汽爆与热喷的又一个本质区别。由于热喷时物料是依次通过该阀门，故物料分解随压力前后变化不一致而不一致。更重要的是被爆植物组织内部气体压缩能做不到以爆的形式瞬间释放，而是从植物组织内逐渐的释放，造成物料分解成为不确定因素，从而导致不完全分解或不分解的效果，物料处理结果前后不一致 此前人们关于汽爆的概念，只做过“骤然爆破”、“瞬间完成”、“爆碎过程时间极短”、“突然减压”、“迅速打开放料阀门”等文学形容。均无人提出过爆破过程最重要的可量化的爆破时间的研究：即冲击波脉冲宽度。不同的脉宽决定了不同的爆炸当量，一定量的一定压力下的水蒸汽，以不同的时间释放完毕，其产生的作用结果是有着巨大的差别。忽略或者回避这些差别将会误导汽爆生产工艺的研究与确定，其产生的结果则不同。即可得出：不同的爆破冲击波脉宽。将产生不同的物理结果。 我中心在利用汽爆试验台做植物汽爆试验时发现，其植物在压力场作用下，完成渗透压的过程很快，即内外压平衡时间很短，大部分植物比如玉米秸秆、小麦秸秆等草本类植物均可在1秒内完成，而小灌木、乔木类大部分在2秒内完成。由于植物表面微孔的存在，汽体的进出均通过此孔。如果突降压速度等于或大于渗透压速度，即汽爆时间大于或等于渗透压时间，渗气与放汽时间等同，则不能实现其物理意义上的汽爆，只能完成类似高压锅的蒸煮过程。在改变植物组织内部结构方面，因为未产生压差，未能分解纤维素的晶格结构，这就是目前被称为热喷放的工艺。 还有一个容易与汽爆混淆的就是螺杆挤压膨化工艺。挤压加工其特点是固形物或称物料干物质本体受高应力挤压并产生高温，在其出口挤压应力消失后，物料膨化。这种工艺过程不是以其汽体渗入植物组织内部的方式，充注可爆发的压缩汽体能，并使其在短时间爆炸释放，故不具备“爆”的条件，也无爆的声音，无法从分子水平上打破原有纤维素大分子晶格不符合工程热力学关于汽爆的解释。其结果是以巨大的功耗来压缩固体，却未产生纤维素物质预处理的预期效果，对于后期的酶水解帮助不大。但由于它能实现连续挤压生产及商业方面的原因，故谎称连续汽爆。其实它根本不符合工程热力学关于爆的概念。
综上，判断是汽爆法还是热喷法、挤压膨化法的表象特征是：有炸响声的为汽爆；无炸响声的为热喷或挤压膨化。例比如大家熟知的爆玉米花过程，在爆出时伴有“砰”的一声响，玉米粒则瞬间膨大，这是典型的汽爆。若爆玉米花延长爆出时间按热喷工艺操作，则无论如何也不能达到玉米粒膨大的结果。我们不否定热喷，膨化等技术，但汽爆就是汽爆，热喷就是热喷，膨化挤压就是膨化挤压。它们的物理结果是完全不同的。 六、避免设备选择受误导——为“汽爆”正名。 在造纸业，较早就有所谓“爆破浆”的提法。这种“爆破浆”的生产方式恰恰是标准的热喷放工艺，即在一个若干立方米的罐体底部安装有阀门，通过迅速打开阀门，实现罐体内的高压蒸汽夹带着物料喷出它的连续入料系统。由于这种工艺加热时间长（达十几分钟），同时大罐体因造价原因为非不锈钢材料，致使纤维素类物质发生分解反应，并与铁发生反应生成酸性物质。其结果使这种“爆破浆”污染程度仍然严重，未能大面积推广。同时，这种“爆破浆”需要长时间的化学药品预浸渍，既限制了生产规模，又增大了企业环保压力。 而在纤维素制取乙醇的行业内，由于受国外引进类似造纸工业用的连续蒸煮器的误导，使人们误以为这就是工程热力学上所说的蒸汽爆破的预处理方法。由于其能耗大，对螺杆磨损严重故障率高，产量低，不产生爆碎现象，使蒸汽爆破的理论应用一直未引起足够的重视。 真正的汽爆设备，为实现短时间汽体膨胀能的释放，实现物理意义上爆的概念，其汽爆装置爆出口内径应与爆腔内径一致，爆腔长度应不超过其直径的3倍，以求实现爆出时间最短暂，达到高密度能量释放减少总能耗的目地。而整个爆破时间也应控制在毫秒级的时间内。一切与此不符的装置都不具备汽爆装置的物理概念及技术特征。其工艺结果也不可能实现汽爆的特有效果。 对于突降压时间即汽爆过程时间，从原理上是无限向极至零的逼近过程。其时间长短，在目前是依工业化先进程度的发展而定。现阶段数控全自动连续汽爆机的爆出时间为0.00875秒，是目前世界上汽爆爆发时间相对最快的汽爆设备。 七、现有类似设备 目前被世界范围广泛使用的“汽爆设备”为加拿大公司所生产。其原理采用的是造纸工业用的连续蒸煮器原理。该原理采用螺杆连续进料防反喷技术，其喂料器压缩绞龙电机功率达200KW，耗能巨大，且压缩草塞绞龙的磨损严重，维修费用巨大，无爆出脉宽重要技术指标。而数控连续汽爆机则采用我单位独创静态汽悬式密封系统，无耗电，可连续将处于常压下的物料连续送进4-10Mpa蒸汽弹射系统中，且无任何泄漏，工作寿命长。可满足高温、不洁草料及木质硬块入料隔压系统，可长期不清理稳定工作，再不需要以消耗巨大的电能为代价去完成连续入料的密封这种极其落后而原始的“技术”。 加拿大公司“汽爆”设备的爆出物料温度高达80℃，且有大量蒸汽逸出，不符合工程热力学关于爆的要求，而数控全自动汽爆机其爆出物料温度约为20℃，其游离蒸汽在0.00875秒爆出时间内，全部相变为水，无蒸汽逸出，完全符合工程热力学关于“爆”的物理概念。 八、连续汽爆是汽爆工艺工业化实施的必然方向。 大家知道一个氧气瓶（约0.05M3）在爆炸时可以摧毁一个约5000m2的厂房。在实际设备设计时，采用单腔大容积小爆出口“汽爆”只能实现热喷放工艺，而无法做到人工可控的蒸汽爆破。在实现真正汽爆工艺时，设备的爆腔容积一般不超过0.02m3。超过此容积试爆会引起地面剧烈振动感，对人身有明显的推动感。汽爆工业生产，既要产量又要安全的前提下，只能采用连续汽爆去完成汽爆产量的要求，或称小容积爆腔高频率自动化无磨损机械连续引爆。普通炮及步枪只能完成单发，而连续汽爆类似机关枪，喀秋莎炮等带连发功能的启爆装置。而连续汽爆机则是在计算机控制下完成连续进料、连续爆出一种带连发机构的先进工业装备。其爆出机构采用弹射技术，由于其在汽爆时无机械式脱扣开关，因此无磨损，可长期稳定地进行连续汽爆运行。同时小爆腔不再受材料成本的制约，可采用全不锈钢结构，既增加了结构强度，又避免了糖类等有机物质与铁的化学反应。 目前，在数控连续汽爆机成熟机型中，有卧式汽爆机与立式汽爆机。WB型卧式汽爆机日产量为187吨，年产量为5.55万吨，供工业生产使用。LB系列立式汽爆机日产量为5∽16吨，供中试等小规模生产使用，QB-200型汽爆工艺试验台为制定汽爆工艺参数使用，其爆腔容积为400毫升,可满足汽爆生产中与生产前其确定工艺参数合理性的研究试验。上述各类汽爆设备的爆破脉冲宽度均为0.00875秒。 九、数控全自动汽爆设备的应用 国家科技部纤维燃料乙醇项目组、农业部农村可再生能源重点开放实验室、国家发酵中心、中科院广西植物研究所、河南农业大学、珠海微星生物技术公司等客户，在通过QB-200型汽爆工艺试验台对各类农作物秸秆在0.00875秒爆速下，进行了广泛的汽爆压力与保压时间的组合试验。均已取得良好的试验结果。在LB-2数控全自动汽爆机的工业级生产应用上也取得了宝贵的实践应用结果，为大规模酶法制取纤维乙醇关键设备的工业应用，奠定了坚实的实践基础，同时验证了0.00875秒短时间汽爆的物理意义，证明了不同汽爆时间与作用结果之间的变化差距。 低成本、低污染的酶法制取纤维素乙醇由于长期以来受预处理汽爆设备的限制，未能得到广泛的工业化应用，人们不得已采用高成本、高污染的稀酸法或采用落后的高耗能横管式连续蒸煮器喷放设备制取纤维乙醇。高爆速数控汽爆设备的研制成功及工业应用，为我国低成本、低污染从农业废弃物秸秆中制取纤维素乙醇，提供了先进装备保障。 每生产一吨燃料乙醇所耗用的农作物秸秆为≤6.6吨，甜高粱为≤18吨，而农作物秸秆又较比专门种植的甜高粱少了种植成本，由于采用榨汁取糖发酵用于非粮乙醇的甜高粱仅限于非农田种植，故种植成本相对较高。发展非粮乙醇除了应做到不与人争粮，不与粮争地外，还需要有低污染低成本做为基础保障。实践证明采用先进的数控全自动汽爆机对农业废弃秸秆中进行酶前水解制备乙醇，是一条低污染、低成本发展非粮乙醇的科学途径。
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
|
|
| COPYRIGHT {C}GENTLE-ST.COM 2006.ALL RIGHTS RESERVED. Gentle Science&Technology Co.d ALL RIGHTS RESERVED. |
