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蒸汽爆破工艺概念澄清

发布时间:2016-01-01 14:38:37 浏览次数:4903

 

(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 自动汽爆 白酒酿造  淀粉加工 城市生活垃圾 中草药萃取  有机肥生产

 

第一部分 理论概念

 

一、爆的物理概念。

    蒸汽连续汽爆自提出至今已有百年历史,其目的是通过汽爆,将生物质中由纤维素、半纤维素、木质素、麻胶等组成的聚合体,变为独立的联合体。由于独立联合体各自的表面积之和,必大于其原来的镶嵌聚合体,以此达到改变物质的比表面积、表面能、亲水指数等;或通过发酵,或通过其他方法加以利用,但收效甚微。首先是“连续汽爆”的概念错误。近年某些企业也号称自加拿大SunOpta引进我国首台“连续汽爆机”。

    蒸汽汽爆自提出至今的百年历史中,在世界范围内从未有人改变其“罐子加阀门”的结构,制造出具备真正物理学意义?#31995;某?#38899;速汽爆设备。期间不?#31995;?#26377;一些学者,在爆破罐的容积大小上、罐子是立着用的还是卧着用的,进料盖的大小、出料阀门的开启方式上做一些具有自主知识产权改变,并申报专利、成果、著作,或冠一些“闪爆”“喷爆”等很新潮的名称,但都没有原理?#31995;?#31361;破;都没有达到爆的物理学概念,这种“罐子加阀门”或“罐子加?#20146;印?#30340;结构只能完成将物料煮熟变软功能,不能改变物质的比表面积、表面能、亲水指数?#21462;?/span>

    众所周知爆炸的第一属性是独立的完成能量释放。即爆炸是一次性释放完毕。是独立的、批式的完成能量释放。如果将一次接一次的爆炸独立或自动完成的,在军事领域称为“自动步枪”“机关枪”“迫击炮”等,但没有连续炮之称。由于爆炸没有连续的属性,所以蒸汽连续汽爆的概念离开了爆炸的独立属性,因此蒸汽连续汽爆不属于爆炸的物理范畴。

    由于蒸汽连续汽爆的物理概念不清,受长期以来没有真正的汽爆设备的限制,因此真正的汽爆技术从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、高价格的横管式连续蒸煮器或喷放设备用于物料预处理。

    超音速汽爆设备的爆发速度及自动化程度高,因此单位生产量下的设备购置成本仅仅是喷放罐的八分之一。例如,采用高温水蒸气处理城市?#32479;?#22403;圾或污泥?#20445;?#22788;理时间为3-4个小?#20445;?#32780;采用超音速汽爆设备的处理时间仅为90S。由于处理效率高速度快,因此在同样生产量下,购置喷放罐或蒸汽处理设备的价格远远高于超音速全自动汽爆设备的8倍左右,加之性能好、价格低、占地小等优势,超音速汽爆设备将会得到快速普及。

    超音速汽爆设备完全没有罐子加阀门的?#30333;櫻?#23427;是由气?#23376;?#27963;塞组成。它的设计过程是在没有任何借鉴下,通过推理及大量的实践反馈逐?#37237;?#25104;的,其?#26800;拿?#19968;个工艺细节都是在反复的研究加实践中逐?#37237;?#21892;的。

在中国工程院院士汪懋华、蒋亦元、李佩成等作序;张百良教授著《生物能源技术与工程化》中有如下论述:

    “…学者们对秸秆预处理已进行了许多研究,虽取得了一定的成果,但还没有找到能够应用生产、成本低、效率高的方法,因此,找到提高生物?#39318;?#21270;利用率的预处理技术至今仍然是生物质高品位利用的技术关键,也是学者及企业家苦苦追求的目标。

    蒸汽爆破技术是物理化学预处理方法?#26800;?#19968;种,最初被应用于纸浆生产。近几年来研究生物质爆破技术逐渐成为一个研究热点,但认真分析其工艺参数和结果,多数“爆破”实际上为“汽喷”和“膨化?#20445;?#30446;前的报道,解压后的生物?#31034;?#22312;几十秒到几分钟时间内才能被完全放出来,这就不属于真正意义?#31995;?#33976;汽爆破范畴…”

 

    爆的物理概念为:能量在短时间?#29615;?#24615;全部独立释放完毕。在化学反应、核反应以及物理减压过程,衡?#31185;渫环?#24615;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。?#28909;?#38829;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连续释放形式,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,只有具备了独立的?#29615;?#24615;炸响声;可产生爆破冲击波的属性,才属于物理意义?#31995;?#30495;正爆破。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?#33014;猓?#25925;不会产生剧烈的独立炸响声,减压过程远未达?#33014;?#31186;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?#24067;?#22823;功率,也就无法达到爆破所预期的物理化学效果,其比表面积、亲水指数没有任何变化。

    如果将快速打开与容器相连阀门的过程,定义为蒸汽爆破或定义为蒸汽爆破的另一?#20013;?#24335;,则将会引起大规模改写目前世界各国教科书中关于“爆”的公认物理学定义。

    如果将每一次快速打开阀门的操作均称为爆破过程,则将会引起生活或生产中对阀门操作的概念恐惧与误解;因为我们在日常生活与工业生产中经常会遇到操作各类阀门。

    如果利用一个压力容器加个阀门的设备进行生物?#35797;?#22788;理?#20445;?#23558;名为汽爆,实为热喷放所取得的所谓科研成果,称为是汽爆科研成果,则犹如羊头与狗肉的关系。

    如果将一个压力容器加个阀门的设备称为“汽爆机”或“蒸汽爆破机的另一?#20013;?#24335;?#20445;?#21017;未免显?#27809;?#21776;而滑稽。

    如果使用一个压力容器加个阀门的设备做出的结果冒充汽爆结果,则涉嫌学术造假。一个压力容器加个阀门的设备只能做有关热喷放状态的结果,但绝对做不出有关汽爆的结果。

    如果将一个压力容器加个阀门的设备申报涉及“汽爆机”的专利,居然被受理;又居然被授予专利权,就如同将专利授予永动机一样的可笑。

    如果使用一个压力容器加个阀门的设备做出的结果其比表面积、表面能、亲水指数没有变化,达不到汽爆破提出者的初衷,那么这种技术就没有什么存在的必要。

    如果………。

    我们从?#29615;?#23450;热喷放物理过程所应有的科学价值,但热喷放不能假冒蒸汽爆破华容取宠,误导后人学者。科学的重要原则是实事求是,是追求真实,是需要通过标准实验取得的。如果不具备标准汽爆工艺实验台;其汽爆数据从何而来?一切建立在不真实基础?#32420;?#20135;生的汽爆著作、汽爆成果、汽爆项目、汽爆研究,均是无效而有害的,他们从不敢公开关于汽爆的重要数据-爆发速度;也不敢公开他们的“汽爆”实验设备的爆发速度;。从一个没有爆发速度的汽爆设备所取得的结果中,从不公布比表面积、表面能、亲水指数等试验数据,我们有理由怀疑它的真实性与学术价值。

 

二、汽爆机气体动力学基础

    汽爆机的放气速度设计是按超音速设计。其计算依据是气体力学基本方程。该方程式可精确计算汽爆过程时间,及气体膨胀降温后的温?#21462;?#30446;前汽爆机的爆速是依据该方程式按0.00875秒设计。在这个爆速下,水蒸汽可从260℃在0.00875秒的时间内降至-46℃,实现绝热膨胀做功。水在饱和蒸气压4.59Mpa时的温度为260摄氏度,而水在大气压下不会超过100摄氏度,如果在0.00875秒的时间内将260摄氏度的水弹射于大气压下,将会引起激烈的膨胀相变,教科书将这种现象定义为“蒸汽爆炸”。而目前所谓的3立方、5立方伪汽爆,经气体力学基本方程验算,它的喷放时间为10.5秒,两者相差1200倍。由于放气时间远远超出了气体力学基本方程范围,故不存在绝热膨胀过程,从理论上证明了伪汽爆的实质。

    无论何种汽爆设备,其爆出时间均由两部分相互渗透组成:

    第1部分:气流通道(阀门)开启时间

    该时间为气流通道开启到额定截面积的全过程时间。在QB系列汽爆试验设备及数控自动汽爆设备中,该段时间均为0.005075 s。

    第2部分:压力?#33014;猓?#25918;气)时间

    该时间计算方式可应用于任?#25105;?#31181;汽爆设备。首先要判断该放气过程究竟是绝热过程还是等温过程,这要根据具体情况?#33539;ā?#19968;般气罐内当放气孔面积较大、排气快,接近于绝热过程;当放气孔面积较小、排气慢、器壁导热又好时则接近等温过程。

    真正的汽爆设备要达到超过音速的爆发速度,根据气体放气学公式,则必须做到物料排出?#26412;?#31561;于爆腔?#26412;丁?/span>

    计算依据:气体力学基本方程(绝热过程),气体流动基本方程,绝热过程的声速方程。上述方程在气体动力学基础教科书及一般技工学校教材中均可查?#27169;?#20854;中充放气时间常数计算方程如下所列:

 

    式中   ?#21360;?#20805;气与放气的时间常数,s

    k——绝热指数,水蒸汽:k = 1.33

    S——汽缸密封口径(219mm)截面积  mm2

    V——气罐的容积              L

    Ts——气源绝对温度                 K

    下图为放气时的压力——时间特性曲线:

   

    具体公式如上图中所示,为声速区与亚声速区两阶段时间相加,

    式中      p1——初始绝对压力              MPa

    p*——临界压力,一般取p* = 0.192 MPa

    按照LB-2-11各项数据带入,V=11L,S = 37668 mm2

    当Ts= 493 K(220℃) , p1= 2.31783MPa (相对压力2.2MPa)?#20445;?/span>

    则时间常数τ= 0.00085233s,t2= 0.0036768 s

    综上,两部分时间相加,即:

    t1+t2 = 0.005075 + 0.003677 = 0.008752 s

    由于两部分实际为相互渗透发生过程,即在汽缸拉开的过程已经在放气,而放气的同时汽缸也在不断拉开,因此,实际的爆出时间T应为:t1≤T≤t1+t2 ,即0.005075s≤T≤0.008752s

    以上数据为针对LB机型的爆出时间计算结果。在对外宣传时按最长爆出时间公布,是为了保持数据严谨。以?#31995;?#29190;发速度,同样在高速摄像的计时?#26800;?#21040;印证。

 

    我们?#29615;?#20197;目?#30333;?#21033;局公布的一种5立方汽爆罐专利为例,将其汽爆罐的相关数据带入上述公式,?#37096;?#24471;出其爆出时间,与LB机型加以比?#31232;?#20854;放气阀门为四寸球阀,开阀时间约为0.5秒,开阀有效截面积约为6280 mm2

即:V = 5000 L (5 m3),S = 6280mm2,其他条件相同,可以得出:

t1 = 0.5 s ,τ=2.324s,t2 = 10.0 s , t1 + t2 = 10.5 s

    ?#30001;?#36848;对比可以看出,由于气流通过截面积与气罐容积的巨大反差,使得两种设备的爆出时间相差1200倍。

 

三、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?#31216;肥保?#38656;放汽减压方可打开锅盖,此时我们会发现锅内?#31216;肥?#28909;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?#20445;?#25105;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?#20445;?#25105;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?#24067;?#38477;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,温度将随着降低,即可理解为,以失去热功来?#27809;?#26426;械功。如果未发生膨胀做功,那么热功就不会产生功的?#27809;?#19982;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、自动蒸煮及膨化工艺,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。

 

四、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?#29615;?#24615;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?#29615;?#24615;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?#19979;?#21017;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?#20445;?#23558;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?#33014;?#21518;,突然将全体被爆物直接呈置于大气压下,而不是通过阀门进入大气压,此时由于植物表层微孔很小,如果外压下降迅速,?#24067;?#19979;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?#33258;?#36335;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?#33267;?#22914;纤维乙醇、生物基丁醇、生物质天然气、低聚木糖,木糖及其它类糖、无碱造纸、麻类脱胶、烟叶加工、白酒酿造、淀粉加工等制取过程中重要的预处理过程。

 

第二部分 与其他技术的区分

 

一、工作压力的区别。

    由于自动汽爆机是由汽?#23376;?#27963;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。

    我国《钢制压力容器》GB150-1998在第一章第三款中明确规定由气?#23376;?#27963;塞组成的密闭气?#20063;?#23646;于压力容器,此类结构部件受压器室,不属于压力容器范围。

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?#24066;?#36229;过1.8MPa。而由汽?#23376;?#27963;塞组成的自动汽爆机,由于结构固有的安全性,因此不属于压力容器,因此其工作压力可根据?#31361;?#35201;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?#25343;?#29978;微。而汽爆机工作时间越短,则节约蒸汽越明显。汽爆机目前其保压时间大多工作在10秒~60秒,而热喷放罐保压工作时间大多在600秒~1800秒,两者相差巨大。就如现代化电厂,为了提高发电效?#24335;?#29028;,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,?#29615;?#21512;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,?#29615;?#21512;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。物料从喷出开始至结束是有先有后依序喷出的。其压力是从大至小至零在变化。而最先喷出的物料与最后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。

    真正的汽爆由于全体物料均在0.00875秒范围内完成,那?#27492;?#30340;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,存在不可回避的初喷、中喷、末喷,由于初喷、中喷、末喷时的蒸汽压力不同,物料预处理的效果将有较大的差异,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?#24615;?#22788;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?#35797;?#26009;获得最大的提取物为得?#39318;?#22823;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?#27425;?#20102;?#23637;?#31532;10秒爆出的物料充分?#21040;猓?#23601;要延长发酵时间。而延长了发酵时间,就要影响单?#29615;?#37237;容积下的产率。当每立方发酵容积下的产物低?#20445;?#35201;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?#33539;ǎ?#37027;么第10秒所喷出的物料利用?#31034;?#35201;降低而影响得率。得?#24335;?#20302;后,要保证预期产量?#20445;?#23601;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?#31995;?#19968;致性是衡?#31185;?#29190;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?#31995;?#22788;理时间局限在0.00875秒范围内,较长时间喷出技术所处理物?#31995;?#19968;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。

三、生物?#35797;?#22788;理效?#35782;?#27604;

    大多数生物质的利用前,均需要对原料进?#24615;?#22788;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?#35797;?#26009;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。?#27605;?#30446;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?#25351;?#21943;出来的摄氏98?#28909;?#29289;料需要快速冷?#35789;保?#20415;超出了热喷放专家的专业范围。任?#25105;?#31181;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?#24230;?#36807;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?#31224;?#28023;味可用煲汤的方法长时间烹饪,用名贵的中药用来救命?#20445;部?#20197;用较长的时间煎?#23613;?#20294;若用煲汤的方法或熬中药的方式煲熬一锅低价值的草?#20445;?#32780;用的时候还需晾凉方可使用,则显得有些愚蠢而?#23380;尽?#19987;家们在?#33539;?#39033;目方案?#20445;?#19981;能仅从个人爱好出发,需仔细核算其?#24230;?#20135;出是否合理,即煲熬的?#24230;?#25104;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。

    在粮食白酒行业及淀粉加工行业,广泛应用蒸煮法,淀粉的蒸煮即糊化。淀粉糊化后,如果温度继续升高至130度左右?#20445;?#25903;链淀粉几乎全部溶解,网状组织被彻底破坏,粘稠胶体的淀粉淀粉溶液粘度迅速下降,流动性增大,此种现象称为淀粉的“液化”。淀粉?#35797;系?#33976;煮通常可以为间歇蒸煮和自动蒸煮。目前我国大多数酒精生产厂?#20063;?#29992;自动蒸煮工艺,淀粉的蒸煮即糊化。淀粉糊化后,如果温度继续升高至130度左右?#20445;?#25903;链淀粉几乎全部溶解,网状组织被彻底破坏,粘稠胶体的淀粉淀粉溶液粘度迅速下降,流动性增大,此种现象称为淀粉的“液化”。白酒的定义是:以曲类、酒母为糖化发酵剂,利用淀粉质(糖质)原料,经蒸煮、糖化、发酵、蒸馏、陈酿和勾兑而酿制而成的各类白酒。白酒制作方法为:1.原料粉碎。原料粉碎的目的在于便于蒸煮,使淀粉充分被利用。根据原料特性,粉碎的细度要求也不同,薯干.高粱、玉米等原料,通过20孔筛者占60%以上。2.配料。将新料、酒糟、辅料及水配合在一起,为糖化和发酵打基础。配料要根据?#20302;啊?#31382;子的大小、原?#31995;?#28096;粉量、气温、生产工艺及发酵时间等具体情况而定,配?#31995;?#24403;与否的具体表现,要看入池的淀粉浓?#21462;?#37253;?#31995;?#37240;度和疏松程度是否?#23454;保?#19968;般以淀粉浓度14~16%、酸度0.6~0.8、润?#32420;?#20998;48~50%为宜。3.蒸煮糊化。利用蒸煮使淀粉糊化。有利于淀粉酶的作用,同时还可以杀死杂菌。蒸煮的温度和时间视原料种类、破碎程度等而定。一般常压蒸料20~30分钟。蒸煮的要求为外观蒸透,熟而不?#24120;?#20869;无生心即可。 

    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及支链淀粉溶解,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?#35797;?#20302;,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。

    在如何绕过传统白酒酿造过程中“蒸煮”这个既耗能又影响效率的工?#23637;?#31243;中,出?#33267;?#40723;噪一时的生料酿酒技术挑战传统白酒酿造工艺,但由于生料酿酒工艺有先天?#27605;藎?#26434;?#21152;?#39640;、?#23545;印?001年国家已停发该项目的生产许可证。

超音速汽爆技术是采用蒸汽弹射技术将物料在0.00875秒内,从2Mpa弹射至大气压,完成绝热膨胀做功。当粮食酿酒及淀粉加工行业采用超音速汽爆法替代蒸煮法?#20445;?#31918;食及淀粉在摄氏200度左右的温度下,以超过音速的速度从2Mpa弹射进大气压,此时摄氏200度左右的饱和水蒸气在巨大的压力差下,在0.00875秒内对粮食及淀粉进行绝热膨胀做功,不存在初喷、中喷、末喷过程,全部物料处理结果高度一致,全部物料均在0.00875秒内?#30001;?#27663;200度降至摄氏30度左右,完成粮食及淀粉的熟化过程。蒸煮时间从原来的20至30分钟,缩短到10秒左右,能耗下降95%左右;设备造价降低15%左右,生产面积减少80%左右,且可省去庞繁的冷却工?#23637;?#31243;。

    经超音速汽爆技术处理过的物料,外观蒸透,熟而不?#24120;?#20869;无生心,达到白酒酿造传统蒸煮工艺标准。由于采用超音速数控自动汽爆机,全部物?#31995;?#36827;出均在计算机控制下自动完成,全部物料处理结果高度一致、统一,可极大提高出酒率,并将大量一线工人从高温环境中解放出来,降低生产中不?#33539;?#22240;素;降低劳动成本从而达到白酒行业?#25343;?#29983;产及节能减排。

四、与其他技术的本?#26159;?#21035;。

    所谓热喷放技术通常是指在装有物?#31995;?#23481;器底部,装置快放阀门,通过此阀门的开启,在分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?#21152;?#29190;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?#26159;?#21035;。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?#31185;?#20307;压缩能做不到以爆的形式?#24067;?#37322;放,而是从植物组织内逐渐的释放,造成物料分解成为不?#33539;?#22240;素,从而导致不完全分解或?#29615;纸?#30340;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”、?#20843;布?#23436;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?#38378;?#21270;的爆破时间的研究:即冲击波脉冲宽?#21462;?#19981;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?#33539;ǎ?#20854;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?#33014;?#26102;间很短,大部分植物?#28909;?#29577;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?#31995;?#27773;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?#23376;?#27773;爆混淆的就是螺杆挤压膨化工艺。挤压膨化是将含淀粉类物料,通过升温、升压?#36141;?#28096;粉类物?#20808;?#37096;熔融,出现淀粉糊化,最后被挤出模孔,压力降至常压而迅速膨化,其体积膨胀50倍左右。挤压膨化后?#31216;?#30340;质构?#35782;?#23380;状口感甚好,酥松具有独特的焦香味道,属休闲?#31216;?#31867;,,由于挤压膨化工艺会引起体积膨胀,人们食用后会产生饱胀?#26657;?#36817;代研究表明对女士有一定的美容作用,因此会起到减肥功效。目前尚未有将属于终端工艺的挤压膨化做为预处理,用于前端工艺发酵的报道。经挤压膨化后的淀粉类物料每立方米容重在10公斤左右,与做保温材?#31995;?#33519;板(包装用泡沫板)接近。

    粮食类物料在挤压膨化加工前,其容重约为每立方米500公斤左右,与膨化后的容重相差近50倍。在发酵行业其发酵得率一般与粮食类物?#31995;?#37325;量有关,与粮食的体积无关。即:以?#24230;?#19968;公斤粮食能做多少酒,而不是将一公斤粮食经过挤压膨化后的体积为准。一公斤经挤压膨化后的粮食类物料与不经挤压膨化的一公斤粮食的得酒率相差无几。

    在发酵行业的另一个指标就是产率。即每立方米发酵容积每天可产多少酒。若采用挤压膨化做为发酵的预处理工艺,由于其体积增加了50倍,若要保持不变的产量,则要将发酵容积增加50倍;将生产场地及厂房扩大50倍;将物料输送设备增加50倍;相应的操作工人也将增加,其最终的结果将会引起成本的增加。因此人们在不理解什?#35789;?#33976;汽爆炸的物理概念?#20445;?#20225;图绕过汽爆工艺,采用原本用于生产休闲?#31216;?#30340;挤压膨化工艺替代汽爆工艺用于预处理是不经济的方案。

    这种工?#23637;?#31243;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?#29615;?#21512;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,?#27425;?#20135;生纤维素物?#35797;?#22788;理的预期效果,对于后期的酶水解帮助不大。由于挤压膨化工艺,是利用淀粉独有的糊化性质得来,因此对不含淀粉的秸秆类物料是不适用的,但由于它能实现自动挤压生产及商业方面的原因,故谎称自动汽爆。其实它根本?#29615;?#21512;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?#28909;?#22823;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?#24067;?#33192;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?#25105;?#19981;能达到玉米粒膨大的结果。我们?#29615;?#23450;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自动蒸煮器原理。该原理采用螺杆自动进料防反喷技术,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,仅是一种以高耗能为代价可自动入?#31995;?#28909;喷放设备而已。而数控自动汽爆机则采用自涨式密封系统,无耗电,可自动将处于常压下的物料自动送进4-10Mpa蒸汽弹射系统中,且无任何泄漏,工作寿命长,目前可做到45万次爆破无?#25910;显誦小?#21487;满足高温、高压、不洁草料及木质?#37096;欏?#30722;石入料隔压,系统可长期不需清理而稳定工作,再不需要以消?#26408;?#22823;的电能为代价,去完成自动入料密封这种极其落后而原始的“国外具有完全自主知识产权的专利技术”。

    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,?#29615;?#21512;工程热力学关于爆的要求,属早期科学?#20197;?#19981;清楚爆破的物理学定义时的幼稚幻想。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。

 

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?#20889;?#30528;物料喷出它的自动入料系统。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,?#29575;?#32420;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?#28909;?#28982;严重,未能大面积推广。同?#20445;?#36825;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?#30340;冢?#30001;于受国外引进类似造纸工业用的自动蒸煮器的误导,使人们误以为这就是工程热力学?#32420;?#35828;的蒸汽爆破的预处理方法。由于其能耗大,对螺?#22235;?#25439;严重?#25910;下?#39640;,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?#21360;?/span>

    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?#26412;?#30340;3倍,其引爆的方式为触发弹出,而?#24688;?#24555;速打开”。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?#29615;?#30340;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。

第三部分 实施应用

 

一、汽爆机产量与造价

    在进行数控汽爆机产量规格选型?#20445;?#30001;于秸秆密度?#31995;停?#19968;吨物?#31995;?#20307;积约为8立方米左右。当规划年秸秆处理量为3万?#36136;保?#26085;处理量100吨),其贮存体积为24万立方米;当秸秆贮存堆高为5?#36164;保?#21344;地约5万平方米。当采用一台汽爆机?#20445;?#21017;会形成5万平方米的物料向一点集中,引起场内物流周转费用上升。若采用4台汽爆机,在5万平方米均?#21450;?#35774;,则会大幅降?#32479;?#20869;物流周转费。从锅炉均恒供汽分析,若一台锅炉在没有其他热负荷的情况下,只向一台大型汽爆机做间断式集中供汽,当汽爆机处于保压状态?#20445;?#33976;汽流量减少,由于装在锅炉内煤的燃烧并没有停止,锅炉的炉膛温度不能在几秒钟内停止,锅炉的热惰性将会引起锅炉超压运行;当汽爆机处于供汽?#20445;?#38656;大量蒸汽在数秒钟涌进入汽爆机,而锅炉在短时间受锅炉额定蒸发量限制,在数秒钟内产不出其供出的蒸汽,因此将会引起锅炉欠压运行,物?#32420;范?#30340;蒸汽压力将得不到保证;由于锅炉的单一热负荷极不稳定,很难保证锅炉的正常运行,甚至发生安全事故。若采用4台汽爆机在计算机控制下交替均衡工作,则可明显稳定锅炉工作压力,保障汽爆工艺压力运行,实现预期的预处理结果。当数控汽爆机多台自动运行?#20445;?#21363;可共用一套数控自动化控制系统,可大幅降低设备造价节约投资,因此汽爆机单机产量不易过大。从大量的生产实践中,以多台汽爆机并?#24615;?#34892;较为经济合理。

按我国蒸汽锅炉安全操作规范规定,蒸汽锅炉在运行过程中,应保持热负荷稳定,禁?#26500;?#28809;运行工况出现压力骤升骤降,引起锅炉受压部分金属疲?#20572;?#20174;而引发安全事故。

    数控自动汽爆机的装料过程是自动完成的。例如4立方数控自动汽爆机的装料过程是在计算机控制下自动完成4立方米物料提升、倾倒、汽悬浮密封,全过程仅需5秒。?#20493;?#21488;汽爆机并列自动运行?#20445;?#20165;需将装有4立方物?#31995;?#23481;器放在?#31243;?#25968;控自动汽爆机的入料平台上,按下按钮,则数控自动汽爆机将在计算机的控制下,如同电梯一样自动选择,择机自动运?#23567;?#32780;目前喷放罐多采用人工填?#31995;?#21407;?#25380;?#27861;,从打开装料口,经过工人装满3至5立方米的喷放罐,然后再关闭紧固装料口,需经过较长时间。由于这个过程是手工作业,因此影响这个过程时间长短的不?#33539;?#22240;素较多。锅炉在这个不?#33539;?#26102;间中,由于不供汽及在保压过程中供汽量减少等原因,都会引起锅炉压力在这两个过程中超过锅炉额定压力,引发安全事故。考量大量的喷放罐工业运行,由于蒸汽波动较大,根本无法稳定在理论?#33539;?#30340;压力范围,因此热喷放工艺中关于工作压力的?#33539;ǎ?#20165;仅是个理论概念而已,根本无法实施。

    从以上分析可以得出,当蒸汽类设备组成工业系统?#20445;?#24212;符合国家强制性标准的规定,应由多台小容积负荷设备组成,其单台负荷不应超过锅炉负荷的25%,且相互交替自动有序在计算机控制下规则运行,以保证蒸汽系统安全稳定运行,实?#36136;?#39564;室理论?#33539;?#30340;蒸汽压力工艺目标。

二、自动汽爆是汽爆工?#23637;?#19994;化实施的必?#29615;?#21521;。

    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?#20445;?#37319;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。在真正实现汽爆工艺的自动汽爆机,则是在计算机控制下完成自动进料、自动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?#37237;?#25187;开关,因此无磨损,可长期稳定地进行自动汽爆运行,其物料处理量远大于热喷放设备。

三、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、福州大学、河南农业大学等?#31361;В?#22312;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系列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。

    高爆速、高产量数控自动汽爆设备在我国的研制成功及工业应用,为我国?#32479;?#26412;、低污染从农业废弃物秸秆中制取纤维素乙醇、生物基丁醇、生物质天然气,城市生活垃圾无害化?#21040;?#25552;供了先进装备保?#31232;?/span>


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