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蒸汽爆破工艺概念澄清 （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 第二部分
与其他技术的区分 一、工作压力的区别。
由于连续汽爆机是由汽缸与活塞组成的“压缩机”结构，较由筒体与焊接封头组成的热喷放罐安全可靠。因此，我国《钢制压力容器》GB150-1998在第一章第三款中明确规定此类结构部件受压器室，不属于压力容器范围。但热喷放罐由于筒体与封头形成焊接整体，具备了压力容器特征，在使用中具有危险性。为此我国目前所批准的热喷放罐工作压力不允许超过1.8MPa。而由汽缸与活塞组成的连续汽爆机，由于结构固有的安全性，因此其工作压力可根据客户要求做到任意压力。
众所周知，汽爆工作压力越高，则做功时间越短。且蒸汽压力增高，增加耗煤甚微。而汽爆机工作时间越短，则节约蒸汽越明显。汽爆机目前大多工作时间在10秒～60秒，而热喷放罐工作时间大多在600秒～1800秒，两者相差巨大。就如现代化电厂，为了提高发电效率节煤，其蒸汽压力从超临界向超超临界发展，而低于临界压力的小发电厂，由于发电效率低下，不符合节能要求，而被国家强令关闭。同样，由于热喷放技术工作压力低下，是早期在没有汽爆机出现前的一种不成熟技术，不符合节能减排的基本国策，因此热喷放技术将与小火电一样最终将被淘汰。 二、爆出物质量的区别。 综前所述，真正的汽爆是在0.00875秒内将物料爆于大气压，而热喷放设备是在10秒内将物料喷于大气压。物料从爆出开始至结束是有先有后依序爆出或喷出的。其压力是从大至小至零在变化。而最先爆（喷）出的物料与最后爆（喷）出的物料由于所处压力不同，其效果也不同。关于此观点，就连热喷放专家也承认不同的压力将会有不同的结果，否则他们也不会规定出1.8MPa而不是0.5MPa。 汽爆由于全体物料均在0.00875秒范围内完成，那么他的最大时间差就是0.00875秒。而热喷放则在10.5秒内完成，两者相差1200倍。可见热喷放工艺所产生的物料其质量一致性极差，生熟不一。通俗的讲，热喷放第一秒所喷出的物料与第10秒所喷出的物料是有巨大差异的，而汽爆全部差异也仅仅只有0.00875秒。而一般发酵行业及最需要对原料进行预处理的单位，最基本的要求就是其所预处理后的原料一致性，否则“生熟”不一的预处理原料，难以完成统一的发酵或下一级工艺要求。 众所周知，衡量利用生物质项目是否先进的指标是得率与产率。以最少的生物质原料获得最大的提取物为得率最大化。每一种生物质利用项目都离不开高效而一致的预处理。如果经预处理的物料是多种不同条件下处理的产物，那么为了照顾第10秒爆出的物料充分降解，就要延长发酵时间。而延长了发酵时间，就要影响单位发酵容积下的产率。当每立方发酵容积下的产物低时，要获得同样的生产量，就要增加发酵罐的数量，以扩大发酵容积，保证预期产量。当发酵容积扩大后，不但增加了投资成本，还引起了物流量的增大。而物流量的加大，势必引起能耗的增加。 如果发酵工艺按第一秒喷出物料性质确定，那么第10秒所喷出的物料利用率就要降低而影响得率。得率降低后，要保证预期产量时，就要加大原料进入量，必将引起成本上升。 理想的发酵效率应该是全体物料在相同的发酵条件下，同时发酵完毕，而反对出现一部分物料早已发酵，而另一部分物料还未完成发酵的现象。因此追求汽爆物料的一致性是衡量汽爆技术是否先进的试金石。目前，真正的汽爆技术，已将全体汽爆物料的处理时间局限在0.00875秒范围内，较长时间喷出技术所处理物料的一致性有了明显的提高，这也正是追求0.00875秒目标的原因所在。 生物质利用的红线是“不与人争粮，不与粮争地”。但是由于农作物秸秆的能量密度低，在有用物质抽提过程中，稍有不慎，便会形成所投入的化石能源超过秸秆抽提价值。因此提高秸秆的得率，降低预处理费用将是决定秸秆利用成败的关键。反对为了一个科技兴趣不惜代价的实现将秸秆吃干榨净的不理智行为，提倡以最小的化石能源投入而取得最大得率的科学发展观。 三、生物质预处理效率对比 大多数生物质的利用前，均需要对原料进行预处理。从目前已知的预处理方案看，主要有化学法、汽爆法、热喷法、蒸煮法。 化学法：由于环保及处理费用高的原因，早已被淘汰。目前仅有少数企业以秘密的方式在地方政府保护下苟且生产，挑战国家环保法律。 热喷法：热喷法保压时间较汽爆法长，且喷出物料温度较高，需经过冷却才能进入下道工艺。，这个时间的长短在研发阶段，没有经济要求的时候，仅从学术兴趣出发尚可。但进入工业化后，由于生物质原料为热的不良导体，冷却时间很长。刚喷出的物料温度大多在摄氏98度左右，而一般的发酵温度大多为摄氏35-55度，要将物料温度从98度降至35-55度，是一个漫长的过程。一个预处理过程的总时间是保压时间与冷却时间的总和，一个生产节奏需要约1小时左右。当项目处于小试阶段，小时处理量1至2吨时尚可，但项目在进入产业化后，面对每小时几十吨乃至上百吨刚喷出来的摄氏98度热物料需要快速冷却时，便超出了热喷放专家的专业范围。任何一种冷却方式，均需要时间与空间及物流的疏导，由于物料通过势必引起物流能耗的增加；由于物料通过时间的延长，势必引起设备容积的增加；设备容积的增加势必降低容积生产率，也就是产率，而产率的高低，是衡量生物质项目技术含量的重要指标。而过低的产率，则显生产效率过低、设备投入过大。 蒸煮法：蒸煮法的蒸煮时间较长，较热喷法长的多，一般以小时记时间。类似广东的煲汤，或类似熬中药。一般认为山珍海味可用煲汤的方法长时间烹饪，用名贵的中药用来救命时，也可以用较长的时间煎熬。但若用煲汤的方法或熬中药的方式煲熬一锅低价值的草时，而用的时候还需晾凉方可使用，则显得有些愚蠢而笨拙。专家们在确定项目方案时，不能仅从个人爱好出发，需仔细核算其投入产出是否合理，即煲熬的投入成本不能超过草的价值，应请教在广东有烹饪经验的家庭主妇，虽然她们的文化水平没有专家高，但她们能正确的认为：用几个小时煲一锅汤用去的燃料，要超过用几分钟爆炒一盘菜所需的燃料用量。 汽爆法：汽爆物料可在汽爆的过程中将热能转为机械能，将木质素与纤维素分离，同时还伴随产生膨胀降温的物理过程，可使物料在0.00875S的时间内，从爆前的摄氏250度降至室温，因此没有物料冷却过程，直接进入下一生产环节，其生产节奏仅是保压所需的1—2分钟。采用汽爆法可极大的加快生产节奏、降低生产成本、节约设备总价。众所周知生产周期越长，则设备容积越大，设备容积越大则设备造价越高，生产周期越长则生产效率越低，两者相差上千倍。因此热喷法、蒸煮法仅是学者们一种初期的；仅从个人兴趣出发的幼稚学术行为而已，无任何工业化实施的意义。 四
、与其他技术的本质区别。 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。 五、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，无爆出脉宽等重要技术指标。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，耗电40W，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，系统可长期不需清理而稳定工作，再不需要以消耗巨大的电能为代价，去完成连续入料密封这种极其落后而原始的“技术”。 加拿大公司“汽爆”设备的喷爆出物料温度高达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。 五、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。
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