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(xué)》2015年博士論文

【摘要】：蒸汽爆破技術(shù)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(zhuǎn)化技術(shù)研究中,發(fā)現(xiàn)其做為預(yù)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(diǎn),啟發(fā)人們認(rèn)識到這一預(yù)處理手段可能具有廣闊的應(yīng)用前景。但是,長期以來,由于對蒸汽爆破機(jī)理的研究較少,蒸汽爆破工藝以及蒸汽爆破裝置的設(shè)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(biāo),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(yīng)用規(guī)模受到極大制約。在進(jìn)入二十一世紀(jì)后由于理論研究沒有進(jìn)展使這一技術(shù)受到了很大質(zhì)疑,甚至有專家提出以熱水處理(HLW)技術(shù)及蒸汽處理(SP)技術(shù)取代汽爆技術(shù),認(rèn)為汽爆技術(shù)存在的意義已不大。基于對爆破本質(zhì)的認(rèn)真分析與認(rèn)識,本研究總結(jié)了蒸汽爆破的技術(shù)特征,提出了“瞬時彈射式蒸汽爆破”(Instant Catapult Steam Explosion,ICSE)技術(shù)及其設(shè)備設(shè)計。通過固體表面特性、微觀結(jié)構(gòu)及理化特性試驗(yàn),對ICSE技術(shù)與其它預(yù)處理技術(shù)的效果進(jìn)行了對比,探索了ICSE預(yù)處理對生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的作用機(jī)理,發(fā)現(xiàn)了一些能夠反映蒸汽爆破真實(shí)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(xué)與工程熱力學(xué)的研究計算,認(rèn)為蒸汽爆破過程做為一個能量快速轉(zhuǎn)換的過程,與轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換能量密切相關(guān)。在爆出時間的推導(dǎo)過程中,提出了一種以活塞和汽缸為核心構(gòu)件的蒸汽爆破裝置模型,即ICSE技術(shù)模型。確定了準(zhǔn)確反映爆破本質(zhì)的技術(shù)指標(biāo):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(shù)特征在于爆破沖擊波及熱功轉(zhuǎn)換。計算結(jié)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(yàn)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(shí)現(xiàn)了熱功轉(zhuǎn)換。2)提出了一整套ICSE技術(shù)原理下試驗(yàn)機(jī)與工業(yè)機(jī)的設(shè)計方案及原型機(jī),總結(jié)了爆體構(gòu)件的技術(shù)特征,制定了爆出口密封裝置的設(shè)計要素。測定了ICSE樣機(jī)的爆出時間及整機(jī)指標(biāo),結(jié)果表明:ICSE設(shè)備的整個爆出過程不超過12ms,與理論計算相吻合,達(dá)到了設(shè)計預(yù)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(yàn)青貯玉米秸稈中的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素含量進(jìn)行了測定。通過三素指標(biāo)的變化,來衡量各工藝參數(shù)對汽爆效果的影響。試驗(yàn)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(diǎn)的現(xiàn)象,以及半纖維素在三個壓力段中以140~160s為階躍點(diǎn)的現(xiàn)象。綜合三素變化規(guī)律,認(rèn)為2.4MPa/140s是ICSE工藝的最佳結(jié)合點(diǎn)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(jìn)行爆破試驗(yàn),然后通過對標(biāo)準(zhǔn)糖化條件下的水解液中六碳糖與五碳糖變化規(guī)律進(jìn)行研究,驗(yàn)證優(yōu)化爆破預(yù)處理工藝參數(shù)。研究表明:ICSE對促進(jìn)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(yù)處理方式的比較研究,探索了ICSE預(yù)處理對生物質(zhì)物理特性、表面特性及微觀結(jié)構(gòu)的作用機(jī)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(jìn)行了試驗(yàn),并進(jìn)行了SEM形態(tài)學(xué)分析。其中,固體表面自由能試驗(yàn)表現(xiàn)了非常態(tài)結(jié)果:ICSE可使固體表面自由能達(dá)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(dá)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(yàn)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(yàn)表明:爆破過程徹底改變了組織結(jié)構(gòu),使細(xì)胞壁完全斷裂破碎;BET比表面積及孔徑分布試驗(yàn)表明:ICSE試樣比表面積達(dá)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(kuò)大。這些試驗(yàn)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(shù)相對于其它預(yù)處理技術(shù)的優(yōu)越性。6)研究了ICSE預(yù)處理對生物質(zhì)理化特性的改變機(jī)理。研究方法包括X射線衍射試驗(yàn)、紅外光譜試驗(yàn)及熱重試驗(yàn)等。其中,X射線衍射試驗(yàn)表明:ICSE比熱噴放物料結(jié)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(jié)構(gòu)變化最為明顯;紅外光譜試驗(yàn)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(yù)處理方式更加明顯的改變有機(jī)官能團(tuán);熱重試驗(yàn)表明:在ICSE處理下,最大失重速率比熱噴放及堿堆漚兩種預(yù)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?jǐn)?shù)比熱噴放及堿堆漚兩種預(yù)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(xué)位授予單位】：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK6;TB41

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本文編號：1936992