瞬時(shí)彈射式蒸汽爆破處理生物質(zhì)的能量模型及能耗理論分析

任天寶，高衛(wèi)鍇，蘇同福，于正道，袁杭州，徐桂轉(zhuǎn)，宋安東，張百良

（1. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南省生物炭工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002；2. 河南省破壁生物技術(shù)研究院，河南 鄭州 450002；3. 廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510032；4. 清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院，江蘇 蘇州 215011）

資源豐富的生物質(zhì)作為重要的可再生資源，是潛在的生物能源和生物煉制的基礎(chǔ)原料[1]。生物質(zhì)高效預(yù)處理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化利用的關(guān)鍵技術(shù)，生物乙醇、生物制氫及生物油脂等都是建立在生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)平臺的基礎(chǔ)之上[2-3]。因此，探索高效、低成本的生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“生物煉制時(shí)代”的重要途徑和保障[4]。蒸汽爆破技術(shù)由于具有處理時(shí)間短、化學(xué)試劑用量少、無污染、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有效的預(yù)處理方法之一[5]，其作用原理主要有原料的熱降解作用、蒸汽瞬間釋放的類機(jī)械斷裂作用、纖維素分子內(nèi)和分子間氫鍵破壞作用、纖維素分子鏈斷裂并發(fā)生結(jié)構(gòu)重排作用[6]。

目前，蒸汽爆破技術(shù)已成功應(yīng)用于纖維燃料乙醇生物轉(zhuǎn)化、秸稈厭氧發(fā)酵、生物肥料、動物飼料、中草藥提取、木質(zhì)纖維板材的預(yù)處理以及生物煉制等領(lǐng)域的研究中[7-9]。覃錦程等[10]應(yīng)用蒸汽爆破增強(qiáng)了離子液體對水稻秸稈的預(yù)處理效果，其酶解糖收率比單純使用離子液體時(shí)升高了14.83%（Emim-Ac）和13.14%（Emim-Cl），糖收率最高達(dá)97.00%，有效提升了離子液體的預(yù)處理效果。李春美等[11]的研究結(jié)果表明，1 kg 能源草（干重）蒸汽爆破處理后通過乙醇-甲烷聯(lián)產(chǎn)最高可生產(chǎn)127.3 g乙醇和124.7 g甲烷，全纖維素轉(zhuǎn)化率高達(dá)92.8%。Padilla-Rascón 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，橄欖核經(jīng)蒸汽爆破處理后，木糖回收率達(dá)到71%，總糖產(chǎn)率達(dá)到83%。張志軍等[13]研究了蒸汽爆破對棉稈營養(yǎng)價(jià)值的影響，結(jié)果表明蒸汽爆破處理后總能(General energy，GE)、粗蛋白質(zhì)(Crude prote，CP)和粗脂肪(Ether extract，EE)分別提高10.27%、14.60%和59.83% (P< 0.01)。韓士群等[14]研究發(fā)現(xiàn)，蒸汽爆破處理蘆葦/高密度聚乙烯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度最大，較未爆破處理時(shí)分別提高了22.3%和32.6%。易軍鵬等[15]采用蒸汽爆破技術(shù)提取牛膝多糖，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組牛膝多糖比對照組提高了2 倍，得率達(dá)到11.88%，O2?自由基清除率提高了1.3 倍。

綜上所述，蒸汽爆破預(yù)處理技術(shù)在生物質(zhì)利用領(lǐng)域得到了廣泛研究，而彈射式蒸汽爆破設(shè)備的能量模型及能耗鮮有報(bào)道，尤其在生物燃料轉(zhuǎn)化過程中評價(jià)能量投入產(chǎn)出比時(shí)，有必要對蒸汽爆破過程中的能耗平衡問題進(jìn)行分析和明確。本研究基于團(tuán)隊(duì)研制的瞬時(shí)彈射式蒸汽爆破設(shè)備，建立蒸汽爆破預(yù)處理能量數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行能耗平衡分析，以期為蒸汽爆破技術(shù)研究和工業(yè)化應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

玉米秸稈原料樣品采集于河南省新鄉(xiāng)市延津縣附近的農(nóng)田，樣品粉碎至粒徑不大于4 mm，含水率為12.5%～14.8%。試樣干基組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：纖維素34.1%、半纖維素25.7%、木質(zhì)素12.1%和灰分6.3%。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源新材料與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與鶴壁正道重型機(jī)械廠合作研發(fā)的工藝試驗(yàn)臺（設(shè)備型號：QB-200）上進(jìn)行。該設(shè)備主要由燃?xì)饧訜嵫b置、蒸汽發(fā)生器、蒸汽爆破腔、收集腔和輔助控制系統(tǒng)等組成。在常溫狀態(tài)下，將玉米秸稈粉裝滿爆破腔后旋緊密封，通入高壓蒸汽；經(jīng)一定的保壓時(shí)間后關(guān)閉高壓蒸汽；打開爆破閥，完成爆破；得到的物料溫度約為45 ℃，少量蒸汽釋放到空氣中。蒸汽爆破設(shè)備及蒸汽爆破腔結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 蒸汽爆破反應(yīng)器模型（a）和蒸汽爆破腔橫截面（b）Fig. 1 Model of steam explosion reactor (a) and cross section of steam explosion chamber (b)

1.3 試驗(yàn)條件假設(shè)

采用玉米秸稈作為試驗(yàn)原料，為明確能量分析的邊界條件，假設(shè)下述6 個試驗(yàn)條件成立。

（1）通入蒸汽過程中，在保壓階段，蒸汽爆破腔處于密閉狀態(tài)。物料的化學(xué)性質(zhì)在加熱過程中保持不變，設(shè)物料含水率約為12%。

（2）玉米秸稈的比熱容近似為1.41 × 103J/(kg·K)[16]，水的比熱容為4.18 × 103J/(kg·K)。

（3）蒸汽爆破腔由氣動裝置控制，爆破腔接觸部位非常光滑，工作原理類似活塞往復(fù)運(yùn)動，其位移變化中產(chǎn)生的摩擦損失忽略不計(jì)。

（4）蒸汽爆破腔的保壓時(shí)間相對較短，一般為90～300 s，且周圍采用巖棉進(jìn)行了隔熱保護(hù)和出料，假定蒸汽爆破腔導(dǎo)熱損失忽略不計(jì)。

（5）在試驗(yàn)過程中，假設(shè)爆破后物料（料漿）的含水率為a，蒸汽爆破后物料和冷凝水的溫度為45 ℃（試驗(yàn)過程中測得爆破后物料的溫度為45 ℃左右）。

（6）通常情況下，試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，假定蒸汽爆破工作的環(huán)境溫度為20 ℃。

2 蒸汽爆破過程熱力學(xué)分析

2.1 蒸汽充入過程的能量平衡方程

基于上述實(shí)驗(yàn)條件假設(shè)，將一定量粉碎后的玉米秸稈裝入蒸汽爆破腔中，上蓋旋緊密封后開始通入高壓熱蒸汽，試驗(yàn)開始處于保壓狀態(tài)。經(jīng)測定，蒸汽溫度為242.5 ℃，由熱力學(xué)第一定律可得充氣過程的熱力學(xué)方程

2.2 蒸汽爆破過程的能量流向分析

2.3 蒸汽爆破能量流向分布

以1 kg 玉米秸稈為例，蒸汽爆破預(yù)處理過程中能量流向組成及所占總能耗的比例如表1 所示。在生物質(zhì)蒸汽爆破過程中，反應(yīng)器與環(huán)境體系熱交換能耗所占的比例很小，物料自身爆破前后的內(nèi)能變化較小，物料中水增加的內(nèi)能與乏汽攜帶到環(huán)境中的能量分別占總能耗的2.27%和2.43%；絕大部分能量用于機(jī)械做功，能耗約占95%。此結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了蒸汽爆破能量瞬時(shí)釋放過程中，一方面對物料產(chǎn)生機(jī)械碰撞，并使物料細(xì)胞壁發(fā)生膨脹；另一方面，高壓氣流對周圍的空氣做功，推動周圍空氣做功。在蒸汽爆破過程中，細(xì)胞壁內(nèi)、外存在較大的壓力差（Δp＝psteam?p0），在徑向脹力和剪切力的作用下，細(xì)胞壁發(fā)生碎變；同時(shí)，由于蒸汽在瞬間釋放過程中形成較高強(qiáng)度的沖擊波，產(chǎn)生更多的“有效碰撞”，致使纖維素和半纖維素的聚合鏈呈現(xiàn)“片段化”或“破碎化”[18]，實(shí)現(xiàn)了蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為打破生物質(zhì)抗降解屏障的機(jī)械功。該數(shù)學(xué)模型在理論上闡明了蒸汽爆破技術(shù)與傳統(tǒng)熱噴、蒸煮工藝的本質(zhì)區(qū)別。

表1 蒸汽爆破預(yù)處理過程中的能量流向組成Table 1 Energy distribution of steam explosion unit

3 影響生物質(zhì)蒸汽爆破預(yù)處理能耗因素分析

3.1 不同蒸汽壓強(qiáng)對蒸汽爆破能耗的影響

根據(jù)上述能量模型，重點(diǎn)分析了生物質(zhì)不同蒸汽壓強(qiáng)條件下蒸汽爆破過程中所需的能量。從圖2可以看出，隨著蒸汽壓強(qiáng)增加，單位物料蒸汽爆破所消耗的能量并非呈線性變化規(guī)律，而是先上升后下降再上升。隨著蒸汽壓強(qiáng)增加，爆破處理過程中能耗可分為3 個階段。當(dāng)蒸汽壓強(qiáng)處于2.0～3.0 MPa 區(qū)間時(shí)，隨著蒸汽壓強(qiáng)的增加，能量逐漸增大。與之相對應(yīng)的是蒸汽爆破強(qiáng)度增加，熱能轉(zhuǎn)化的機(jī)械功隨之增加，有利于打破生物質(zhì)的抗降解屏障，加快生物質(zhì)降解及結(jié)構(gòu)破碎，進(jìn)而促進(jìn)經(jīng)預(yù)處理后生物質(zhì)的后期轉(zhuǎn)化和利用。本課題組在前期研究了蒸汽爆破對玉米秸稈理化特性的影響[18]，結(jié)果表明，在一定條件下蒸汽壓強(qiáng)與生物質(zhì)細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)破壞呈正相關(guān)性。值得一提的是，上述分析結(jié)果充分印證了王許濤等[19]將蒸汽爆破技術(shù)應(yīng)用在秸稈厭氧發(fā)酵中的試驗(yàn)結(jié)果。玉米秸稈蒸汽爆破預(yù)處理壓強(qiáng)為3.0 MPa，保壓時(shí)間為90 s 時(shí)，每克干秸稈厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)量最高可達(dá)304.72 mL。另外，蒸汽爆破預(yù)處理后，秸稈厭氧發(fā)酵的啟動時(shí)間和發(fā)酵周期大幅縮短。當(dāng)蒸汽壓強(qiáng)在3.0～4.2 MPa區(qū)間時(shí)，蒸汽爆破過程中能量相對逐漸減少。當(dāng)蒸汽壓強(qiáng)在4.2～5.0 MPa 區(qū)間時(shí)，能量逐漸遞增，盡管爆破強(qiáng)度變大，但是隨著蒸汽壓強(qiáng)的增加，飽和蒸汽對應(yīng)的溫度也隨之升高，從而產(chǎn)生兩種不利影響：一方面，隨著溫度升高，生物質(zhì)出現(xiàn)裂解、炭化，纖維素等轉(zhuǎn)化為總糖的得率降低；另一方面，給設(shè)備的柔性密封材料和設(shè)備的密閉性帶來巨大挑戰(zhàn)。綜合上述分析，在生物質(zhì)蒸汽爆破預(yù)處理過程中，建議首先將蒸汽壓強(qiáng)設(shè)置為小于3.0 MPa，其次根據(jù)物料的生物學(xué)特性和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化目標(biāo)產(chǎn)物的不同，在多尺度條件下選擇蒸汽爆破工藝條件，從而更有利于提高生物質(zhì)類材料的預(yù)處理效果和后期轉(zhuǎn)化利用的產(chǎn)物得率。

圖2 不同蒸汽壓力對單位物料能耗的影響Fig. 2 Effect of steam pressure on energy consumption

3.2 物料含水率對蒸汽能耗的影響

圖3 不同含水率對能耗的影響Fig. 3 Effect of water content on energy consumption

在生物質(zhì)利用過程中，生物質(zhì)含水率是重要的物料參數(shù)，也是影響處理過程及處理效果的關(guān)鍵因素之一。從圖3 可以看出，隨著物料含水率增加，單位物料消耗的能量基本呈線性增加。通常在自然狀態(tài)存放下，物料的含水率一般為12%左右，該狀態(tài)下物料的縮消耗能量基本是干基狀態(tài)（含水率為0%）下的1.8 倍?；谡羝七^程中的能量消耗分析，在進(jìn)行蒸汽爆破時(shí)，物料含水率越低，單位物料所消耗的蒸汽能量也越小?？紤]生物質(zhì)煉制的產(chǎn)業(yè)化需求，相對較低的物料含水率更有利于減少能量消耗，有利于實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保的生產(chǎn)方式。

3.3 物料填裝量對蒸汽能耗的影響

從圖4 可以看出，隨著蒸汽爆破設(shè)備爆腔中物料裝填量的增加，秸稈物料預(yù)處理所消耗的蒸汽能量逐漸降低。說明在同一蒸汽爆破反應(yīng)器中，提高物料的裝料比例有助于降低單位物料消耗的蒸汽量。因此，在設(shè)計(jì)反應(yīng)器裝置的過程中，提高單次物料的裝料比率是非常必要的，有利于降低生物質(zhì)蒸汽爆破過程中的能量消耗。

圖4 不同物料填裝量對蒸汽耗能的影響Fig. 4 Effect of material filling ratio on energy consumption

3.4 保壓時(shí)間對蒸汽能耗的影響

在生物質(zhì)蒸汽爆破預(yù)處理過程中，保壓時(shí)間是影響蒸汽爆破工藝的關(guān)鍵指標(biāo)之一。保壓時(shí)間與蒸汽爆破壓強(qiáng)組合，構(gòu)成了蒸汽爆破強(qiáng)度概念，反映生物質(zhì)蒸汽爆破的處理工藝。從圖5 可以看出，隨著生物質(zhì)蒸汽爆破預(yù)處理過程中保壓時(shí)間的延長，蒸汽爆破設(shè)備體系的散熱量基本與時(shí)間呈一次線性函數(shù)，但占總消耗能量的比例較小。因此，選取合適的保壓時(shí)間是提高能量利用效率的關(guān)鍵。一方面，物料在蒸汽爆腔內(nèi)的細(xì)胞滲透過程需要一定的時(shí)間；另一方面，爆腔體系內(nèi)物料在高溫高壓下進(jìn)行理化反應(yīng)也需要一定的時(shí)間。因此，基于物料的特性選擇合適的保壓時(shí)間是提升生物質(zhì)預(yù)處理效率的關(guān)鍵。

3.5 蒸汽爆破腔容積對散熱的影響

目前，根據(jù)本團(tuán)隊(duì)研制的3 種不同蒸汽爆破設(shè)備的爆破腔容積（爆腔容積依次為0.04、11 和75 L），分別比較了爆破腔容積對Qs的影響。對比發(fā)現(xiàn)，爆腔容積增大有助于分析體系的熱利用情況，進(jìn)而優(yōu)化反應(yīng)裝置，在提高產(chǎn)率的基礎(chǔ)上提高單位物料預(yù)處理的能量利用效率。

從圖6 可以看出，隨著爆腔容積的增大，單位物料的Qs顯著下降，但爆腔容積從11 L 增大到75 L時(shí)，單位物料的Qs下降幅度變小，同時(shí)也表明較大的爆破腔有助于提高物料的能量利用效率。

圖5 蒸汽保壓時(shí)間對散熱量的影響Fig. 5 Effect of holding time on heat dissipation

圖6 爆破腔容積對散熱的影響Fig. 6 Effect of explosion reactor volume on heat dissipation

4 結(jié) 論

通過對生物質(zhì)蒸汽爆破過程中能量平衡和影響能量消耗的因素進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

（1）建立了生物質(zhì)蒸汽爆破能耗模型，闡明了蒸汽爆破過程的蒸汽熱能轉(zhuǎn)換，并利用能量模型對影響生物質(zhì)蒸汽爆破預(yù)處理能耗的因素進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。結(jié)果表明：該模型可以較為準(zhǔn)確地反映生物質(zhì)蒸汽爆破過程中的熱能利用和轉(zhuǎn)化過程，能夠定量分析生物質(zhì)蒸汽爆破過程中物料的含水率、蒸汽爆破強(qiáng)度和裝料量的能耗變化規(guī)律。

（2）在生物質(zhì)蒸汽爆破預(yù)處理過程中，首先建議選擇蒸汽壓強(qiáng)小于3.0 MPa，其次根據(jù)物料的生物學(xué)特性和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化目標(biāo)產(chǎn)物的不同，在多尺度條件下選擇蒸汽爆破工藝條件，更有利于提高生物質(zhì)類材料的預(yù)處理效果和后期轉(zhuǎn)化利用的產(chǎn)物得率。