专利名称：生物质纤维连续膨化新工艺及其专用膨化装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物质开发和利用，具体地说是一种生物质纤维连续膨化新工艺及其专用膨化装置。
背景技术：
生物质泛指所有植物，作为研究对象的生物质，一般指农业和林业废料，如稻秆、麦秸、玉米秸等作物秸秆。生物质被称为明日能源，其开发利用已势在必行，无论从废弃资源回收或能源结构转换，还是从环境保护等各方面均具有重大的意义。但由于生物质纤维结果的特殊性和复杂性，使生物质的利用受到限制。通过热裂解方法尽管能够得到一些有效的目标产物如油、醚等，但是效率低、环境污染严重，不利于大规模发展。利用微生物以及纤维素酶分解生物质纤维素，时间长而且效率低、成本高。尽管已经构建了一些超级纤维素酶微生物，但仅对特定的生物质纤维有比较好的效果。汽爆技术也是目前研究和小规模应用比较多的一项技术，但由于其特殊的压力容器要求而使之在规模和效率上受到限制，另外，纤维的破坏程度尚达不到可以被纤维素酶迅速分解的要求(文献1刘双江、杨惠芳、周培瑾，微生物学通报，1993，20(5)，259-262；文献2史雅鹃、吕永龙，农业废弃物的资源化利用，环境科学进展，1999，7(6)32-37；文献3Fumiaki Taguchi，Naoki Mizukami，et al.，Enzyme and Microbial Technology 17147-150，1995)。目前一些探索，大多也局限在这些工作的进一步完善上，距离高效、低耗、环境友好的目标尚有很大的距离。
目前膨化用装置，用于食品、饲料加工，具有2个螺旋推进杆，其螺旋推进杆螺纹凸起段高度与螺槽宽度比为1∶1，螺槽高度水平面距离即螺槽宽度与螺纹凸起段水平面距离比为1∶1，以此为特征控制膨化过程，由于螺距小、进料量小，虽能连续作业，但不适合大批量生物质纤维处理，而且需化学药品加量大，要求条件苛刻。
发明内容
为了克服上述不足，本发明的目的是提供一种高效、低耗、环境友好的生物质纤维连续膨化新工艺及其专用膨化装置。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是将化学前处理与高压膨化处理相结合的连续膨化处理过程，具体工艺如下
1.化学前处理将植物纤维用体积百分比为1～15％的强碱溶液浸泡，浸泡时间为3～24小时，以削弱微纤维间的化学键键能，为纤维膨化奠定基础；2.膨化处理将所述经化学前处理的植物纤维用高压螺旋推进杆推进膨化装置的压力形成腔；在压力形成腔内，通过热电阻加热器调节温度，将温度升高至100～160℃，并使水蒸气压力达到1.5～15公斤；用所述强碱溶液调PH值至6～8，经膨化装置的喷口喷出，膨化。
所述强碱为不含重金属的强碱性化学物质，如NaOH、KOH、NH4OH；所述植物纤维喷出时喷流不畅时，在湿度调节口处加水；其专用膨化装置为包括三段进料段，高压推进段，压力形成以及喷出段，主要由高压螺旋推进杆、压力形成腔、动力源、传动轴组成，由动力源驱动并通过机械传动的高压螺旋推进杆位于压力形成腔里，其中所述动力源通过三角带与传动轴传动连接，在传动轴上安装有内齿轮，设3个星型齿轮于内齿轮中，一方面啮合于内齿轮，另一方面通过花键分别与3个高压螺旋推进杆安装在一起；所述高压螺旋推进杆螺纹凸起段高度与螺槽宽度比为1∶3.5，螺槽水平面距离即螺槽宽度与螺纹凸起段水平面距离比为1∶0.5；所述压力形成腔外壁安装有油层套，与端盖通过法兰安装为一体，端盖为半球形或截头球形，其中心处设喷口，所述喷口处设有保压控制阀，在所述保压控制阀上设有与压力测量仪线连接的压力传感器；于所述压力形成腔壁上分别安装一设有湿度传感器的湿度调节口于高压推进段区间，一进料口于进料段区间，一热电阻加热器于所述压力形成腔壁上的油层套里；在所述压力形成腔中高压推进段与进料段的比例为3～4∶1；所述动力源为设有变速器的电机或柴油机；处于所述高压推进段区间的高压螺旋推进杆的螺矩与进料段的高压螺旋推进杆的螺距比为1∶1.5～3.5；所述湿度传感器与湿度测量仪电连接；所述喷口为单孔、火山口状；所述喷口为复合孔喷口，分主孔及导流协孔两种，结构为在主孔周围设置4～6个导流协孔。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果1.工作效率高。本发明专用膨化装置，其喷嘴的设计适应于生物质纤维特点，可最大限度地破坏纤维结构，其加长的压力形成腔，有利于化学物质的添充，以达到在该腔内进行化学处理和水蒸气形成的目的，加之3个高压螺旋推进杆的设计，特别是螺距的调整，有利于高效率的膨化处理。
2.具有很好的再利用价值。采用本发明工艺膨化处理后的生物质纤维可进一步再利用，可使秸秆等生物质转化为清洁能源成为可能(如秸秆纤维再经生物发酵处理，可用于生产酒精和氢气)。这对资源的再生利用及无污染新能源的研究开发具有重要意义。
3.环境友好、成本低。本发明操作条件温和，工艺和装置整体耗费小。
4.适用连续作业。本发明工艺是一个将生物质化学前处理与高压膨化处理相结合的连续膨化处理新工艺，由于使用强碱性化学物质处理、膨化处理手段，实现了生物质纤维连续膨化，大大增加了处理量，本发明可以实现连续的工业化生产。
图2为
图1中单孔喷口结构示意图。
图3为
图1中复合孔喷口结构示意图。
图4为
图1中高压螺旋推进杆结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例详述本发明。
实施例1将化学前处理与高压膨化处理相结合的连续膨化处理过程，具体工艺如下1.化学前处理将稻秸经体积百分比为15％的强碱NaOH浸泡(淹没植物纤维量)，浸泡时间为20小时，以削弱微纤维间的化学键键能，为纤维膨化奠定基础；2.膨化处理使用膨化装置，将所述经化学前处理的稻秸在高压螺旋推进杆的作用下，推进压力形成腔；在压力形成腔内，通过热电阻加热器调节温度，将温度升高至150℃，并使水蒸气压力达到15公斤，用所述强碱溶液调PH值至8，经膨化装置的单孔喷出，膨化；在所述植物纤维喷出时喷流不畅时，打开湿度调节口64加水；如
图1、2、4所示，其专用膨化装置包括三段进料段，高压推进段，压力形成以及喷出段，主要由高压螺旋推进杆、压力形成腔、动力源、传动轴组成，由动力源驱动并通过机械传动的高压螺旋推进杆7位于压力形成腔6里，其中所述动力源1通过三角带与传动轴2传动连接，在传动轴2上安装有内齿轮3，设3个星型齿轮4于内齿轮3中，一方面啮合于内齿轮3，另一方面通过矩型花键5分别与3个高压螺旋推进杆7安装在一起；所述高压螺旋推进杆7螺纹凸起段高度与螺槽宽度比为1∶3.5，螺槽水平面距离即螺槽宽度与螺纹凸起段水平面距离比为1∶0.5；所述压力形成腔6外壁安装有油层套，与端盖9通过法兰安装为一体，端盖9为半球形或截头球形，其中心处设喷口8，所述喷口8处设有保压控制阀10，在所述保压控制阀10上设有与压力测量仪线连接的压力传感器；于所述压力形成腔6壁上分别安装一设有湿度传感器66的湿度调节口64于高压推进段62区间，一进料口65于进料段63区间(进料口65兼为pH调节口)，一热电阻加热器66于所述压力形成腔6壁上的油层套里；另外，本发明在所述压力形成腔6中高压推进段62与进料段63的比例为3∶1；所述动力源1为设有变速器的电机；处于所述高压推进段62区间的高压螺旋推进杆7的螺矩与进料段63的高压螺旋推进杆7的螺距比为1∶2；所述喷口8为单孔、火山口状，即喷口8外侧边缘比内侧边缘大的结构；所述湿度传感器与湿度测量仪电连接。
工作过程是在压力达到预定值时，喷口8上的保压控制阀自动开启，使植物纤维喷出。
显微镜下观察，纤维破坏程度达到65～70％。
实施例2与实施例1不同之处在于工艺1.化学前处理将麦秸用重量百分比为1％的强碱KOH浸泡(淹没植物纤维量)，浸泡时间为4小时，以削弱微纤维间的化学键键能，为纤维膨化奠定基础；2.膨化处理使用膨化装置，将所述经化学前处理的麦秸用高压螺旋推进杆推进压力形成腔；在压力形成腔内，通过热电阻加热器调节温度，将温度升高至150℃，并使水蒸气压力达到1.5公斤，用所述强碱溶液调PH值至7，经膨化装置的复合孔喷口喷出，膨化。
专用膨化装置如
图1、3所示，所述动力源1为柴油机；所述喷口8为复合孔喷口，分主孔81及导流协孔82两种，结构为在主孔81周围设置5个导流协孔82，其中主孔81与单孔喷口结构相同。
显微镜下观察，纤维破坏程度达到1～5％。
实施例3与实施例1不同之处在于工艺1.化学前处理将锯未用体积百分比为10％的强碱NH4OH浸泡(淹没植物纤维量)，浸泡时间为15小时，以削弱微纤维间的化学键键能，为纤维膨化奠定基础；2.膨化处理使用膨化装置，将所述经化学前处理的锯未用高压螺旋推进杆推进压力形成腔；在压力形成腔内，通过热电阻加热器调节温度，将温度升高至130℃，并使水蒸气压力达到3.5公斤；经膨化装置的复合孔喷口喷出，膨化。
显微镜下观察，纤维破坏程度达到35～40％。
权利要求
1.一种生物质纤维连续膨化新工艺，其特征在于为将化学前处理与高压膨化处理相结合的连续膨化处理过程，具体工艺如下1)化学处理将植物纤维用体积百分比为1～15％的强碱溶液浸泡，浸泡时间为3～24小时；2)膨化处理将所述经化学前处理的植物纤维用高压螺旋推进杆推进膨化装置的压力形成腔；在压力形成腔内，将温度升高至100～160℃，并使水蒸气压力达到1.5～15公斤；用所述强碱溶液调pH值至6～10，经膨化装置的喷口喷出，膨化。
2.按照权利要求1所述生物质纤维连续膨化新工艺，其特征在于所述植物纤维喷出时喷流不畅时，在湿度调节口处加水。
3.按照权利要求1所述生物质纤维连续膨化新工艺，其特征在于所述强碱为非重金属碱。
4.一种按照权利要求1所述生物质纤维连续膨化新工艺的专用膨化装置，包括三段进料段，高压推进段，压力形成以及喷出段，主要由高压螺旋推进杆、压力形成腔、动力源、传动轴组成，由动力源驱动并通过机械传动的高压螺旋推进杆(7)位于压力形成腔(6)里，其特征在于所述动力源(1)通过三角带与传动轴(2)传动连接，在传动轴(2)上安装有内齿轮(3)，设3个星型齿轮(4)于内齿轮(3)中，一方面啮合于内齿轮(3)，另一方面通过花键(5)分别与3个高压螺旋推进杆(7)安装在一起；所述高压螺旋推进杆(7)螺纹凸起段高度与螺槽宽度比为1∶3.5，螺槽高度水平面距离即螺槽宽度与螺纹凸起段水平面距离比为1∶0.5；所述压力形成腔(6)外壁安装有油层套，与端盖(9)通过法兰安装为一体，端盖(9)为半球形或截头球形，其中心处设喷口(8)，所述喷口(8)处设有保压控制阀(10)，在所述保压控制阀(10)上设有与压力测量仪线连接的压力传感器；于所述压力形成腔(6)壁上分别安装一设有湿度传感器的湿度调节口(64)于高压推进段(62)区间，一进料口(65)于进料段(63)区间，一热电阻加热器(66)于所述压力形成腔(6)壁上的油层套里。
5.按照权利要求4所述专用膨化装置，其特征在于在所述压力形成腔(6)中高压推进段(62)与进料段(63)的比例为3～4∶1。
6.按照权利要求4所述专用膨化装置，其特征在于所述动力源(1)为设有变速器的电机或柴油机。
7.按照权利要求4所述专用膨化装置，其特征在于处于所述高压推进段(62)区间的高压螺旋推进杆(7)的螺矩与进料段(63)的高压螺旋推进杆(7)的螺距比为1∶1.5～3.5。
8.按照权利要求4所述专用膨化装置，其特征在于所述喷口(8)为单孔、火山口状。
9.按照权利要求4所述专用膨化装置，其特征在于所述喷口(8)为复合孔喷口，分主孔(81)及导流协孔(82)两种，结构为在主孔(81)周围设置4～6个导流协孔(82)。
10.按照权利要求4所述专用膨化装置，其特征在于所述湿度传感器与湿度测量仪电连接。
全文摘要
本发明涉及生物质开发和利用，具体地说是一种生物质纤维连续膨化新工艺及其专用膨化装置。将化学前处理与高压膨化处理相结合的连续膨化处理过程，工艺为1)化学处理将植物纤维用体积百分比为1～15％的强碱溶液浸泡，浸泡时间为3～24小时；2)膨化处理将所述经化学前处理的植物纤维用高压螺旋推进杆推进膨化装置的压力形成腔；在压力形成腔内，将温度升高至100～160℃，并使水蒸气压力达到1.5～15公斤；用所述强碱溶液调pH值至6～10，经膨化装置的喷口喷出，膨化；其装置为安装3个高压螺旋推进杆、合理设计螺距结构。本发明具有高效、低耗、环境友好等优点。
文档编号A23P1/14GK1429509SQ0113897
公开日2003年7月16日 申请日期2001年12月31日 优先权日2001年12月31日
发明者李雪驼, 王海岩, 徐和利 申请人:中国科学院大连化学物理研究所