一种木质纤维素原料的预处理方法技术

本发明专利技术涉及一种木质纤维素原料的预处理方法，是将粉碎的木质纤维素原料与水混合，连续输送到锥形螺杆装置中，进行连续搓揉、浸渍、蒸煮、挤压和脱水，然后进入到等径螺杆装置中进行第二次蒸煮，原料在螺杆推力作用下移动到出料口进行蒸汽爆破，爆破后物料进入到旋风分离器中，蒸爆出的蒸汽经压缩机快速收集并增压，增压蒸汽代替原新鲜蒸汽进入到第一段蒸煮器中，如此循环实现木质纤维素原料的预处理。本发明专利技术方法可以强化第一段蒸煮过程的脱毒效果，增强物料的预处理效果，而且能够避免蒸汽爆破喷射出的蒸汽排放到空气中，造成空气污染和热源浪费。

A pretreatment method of lignocellulose

【技术实现步骤摘要】
一种木质纤维素原料的预处理方法
本专利技术属于生物质能源
，具体涉及一种木质纤维素原料的预处理方法。
技术介绍
全球每年经光合作用产生的生物质约1700亿吨，其能量相当于全球能量年消耗总量的10倍，作为能源的利用量还不到总量的l%。2017年9月，国家发展改革委、国家能源局、财政部等十五部门联合印发了《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》。根据方案，到2020年，全国范围内将基本实现车用乙醇汽油全覆盖。到2025年，力争纤维素乙醇实现规模化生产，先进生物液体燃料技术、装备和产业整体达到国际领先水平，形成更加完善的市场化运行机制。我国每年农作物秸秆产量达到7亿吨，除部分作为造纸原料、炊事燃料、饲料肥料和秸秆还田之外，可作为能源用途的秸秆约3.5亿吨，折合1.8亿吨标准煤，可以转化为1亿吨燃料酒精。目前，木质纤维素原料的主要利用途径为半纤维素或/和纤维素水解产生水解糖，水解糖经过发酵产生乙醇和丁醇等生物能源产品，或/和乳酸、柠檬酸和丁二酸等。木质纤维素原料制备水解糖过程主要包括预处理与酶解两个步骤。木质纤维素原料预处理最常采用的方法为稀酸预处理或蒸汽爆破预处理。木质纤维素原料在稀酸或蒸汽爆破预处理过程中除了生成木糖和葡萄糖等水解糖外，还生成一系列对纤维素酶解及微生物发酵有抑制作用的物质，主要包括木糖在酸性、高温条件下进一步降解生成的副产物糠醛，葡萄糖在高温条件下进一步降解生成的副产物5-羟甲基糠醛，乙酰化木聚糖释放的乙酸，木质素降解生成的酚类化合物等。这些物质有的属于挥发性物质，有的则属于非挥发性物质。如果这些抑制物不从预处理木质纤维素原料中脱除，它们就会抑制纤维素酶的酶解和微生物发酵过程，轻则降低酶解和发酵速率，重则使酶解和发酵过程无法完成。脱除预处理木质纤维素原料中抑制物的过程也叫脱毒过程。CN104611963A公开了一种木质纤维素原料的预处理方法，包括：（1）将粉碎好的木质纤维素原料与浸渍液混合，连续输送到锥形螺杆装置中；（2）原料与浸渍液在锥形螺杆装置中进行连续搓揉、浸渍、蒸煮、挤压和脱水，控制温度为120-180℃，停留时间为3-30min；（3）原料连续进入到等径螺杆装置中进行二次蒸煮，控制温度为180-220℃，停留时间为4-40min；（4）原料在螺杆推力作用下移动到出料口进行蒸汽爆破；（5）蒸汽爆破后的原料进入到旋风分离器进行分离。该专利技术采用分段控温蒸煮和蒸汽爆破组合的工艺，在蒸爆处理前脱除部分酶解和发酵的抑制物，在水解木糖时也可以减少抑制物的产酸，并提高蒸爆预处理和酶解的可及度；同时实现预处理的连续进料，浸渍、挤压、脱水、蒸煮、蒸爆和分离的一体化过程。但该过程存在以下问题：（1）要提升水的脱毒性能，需要进一步使用包括氯化钠、草酸铵和表面活性剂的浸渍液，提升处理成本；（2）蒸汽爆破喷射出的蒸汽排放到空气中，造成空气污染和热源浪费；（3）部分没有来得及逸出的带酸蒸汽在旋风分离器中冷凝，随冷凝水又进入到物料中，影响后续酶解和发酵过程；（4）中性蒸爆无催化剂，需要较高的温度和压力条件，能耗较高。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种木质纤维素原料的预处理方法。本专利技术将旋风分离器分离出的蒸汽快速收集，经增压后进入第一段蒸煮器中，从而可以强化第一段蒸煮过程的脱毒效果，增强物料的预处理效果，而且能够避免蒸汽爆破喷射出的蒸汽排放到空气中，造成空气污染和热源浪费。本专利技术木质纤维素原料的预处理方法，包括以下步骤：（1）将粉碎的木质纤维素原料与水混合，连续输送到锥形螺杆装置中，进行连续搓揉、浸渍、蒸煮、挤压和脱水，控制温度为100-140℃，停留时间为3-30min；（2）原料连续进入到等径螺杆装置中进行第二次蒸煮，控制温度为160-200℃，停留时间为4-40min；（3）原料在螺杆推力作用下移动到出料口进行蒸汽爆破，爆破后物料进入到旋风分离器中，含水的固态物料进入到底部料仓；（4）蒸爆出的蒸汽经压缩机快速收集并增压，增压蒸汽代替原新鲜蒸汽进入到第一段蒸煮器中，如此循环实现木质纤维素原料的预处理。本专利技术中，步骤（1）所述的木质纤维素原料包括一切含纤维素的原料，如秸秆、木屑和能源作物等，优选玉米秸秆。木质纤维素原料机械粉碎到粒径为0.1-30mm，优选粒径为0.12-1.0mm。本专利技术中，步骤（1）所述的水与木质纤维素原料的液固质量比为10:1-2:1，优选为5:1-3:1。水与木质纤维素原料混匀后，连续输送到锥形螺杆装置中，进行连续搓揉、浸渍、蒸煮、挤压和脱水。启动阶段通入新鲜蒸汽，控制温度为100-140℃，优选120-140℃。本专利技术中，步骤（2）所述第二次蒸煮的水与木质纤维素原料的液固质量比为1:20-1:2，优选1:4-1:2。木质纤维素原料在等径螺杆装置中停留时间为4-40min，优选为10-20min。本专利技术中，步骤（3）蒸汽爆破的自动泄压阀门的一端连接等径螺杆装置出料口，另一端连接旋风分离器。自动泄压阀门的开启时间间隔为5-50s，每次开启时间为2-20s。本专利技术中，步骤（3）所述的旋风分离器可采用现有任何可实现气固分离用旋风分离器。旋风分离器可以快速冷却从等径螺杆装置中弹射出的木质纤维素，并且使得含水的预处理木质纤维原料与气相分离在重力作用下跌入到旋风分离器下部的料仓中。本专利技术中，步骤（1）-（3）使用的锥形螺杆、等径螺杆、蒸汽爆破、旋风分离器的连接方式及结构采用CN104611963A所述装置。本专利技术中，步骤（4）蒸爆出的蒸汽经压缩机快速收集并增压，当压力提高到100-140kPa，温度达到120-160℃时，增压蒸汽代替原新鲜蒸汽进入到第一段蒸煮器中。所述压缩机进口端与旋风分离器蒸汽出口端相连，压缩机出口端与缓冲罐相连。携带挥发性抑制物如酚类化合物、乙酸和糠醛等的蒸汽在蒸汽压缩机抽力作用下快速进入缓冲罐，当装置连续运行时，待缓冲罐中的蒸汽压力提高到100-140kPa，温度达到120-160℃时，代替原新鲜蒸汽进入第一段蒸煮反应器中。从而避免其在旋风分离器中冷凝进入到预处理的木质纤维素中，从而降低抑制物对后续酶解和发酵的不利影响。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：（1）将蒸汽爆破装置旋风分离器分离出的蒸汽快速收集，经增压后进入第一段蒸煮器中，气化的有机酸可以加快半纤维素中乙酰基的水解，以及木质素中可溶性组分的溶出，强化蒸煮过程的脱毒效果，增强物料的预处理效果，同时可以降低水处理温度，降低处理能耗。（2）由于蒸汽爆破产生的蒸汽中含有酚类化合物、乙酸和糠醛等抑制物，本专利技术方法可以避免来不及逸出的蒸汽在旋风分离器中冷凝，使抑制物随冷凝水进入到预处理物料中，影响后续酶解和发酵过程；同时能够避免蒸汽爆破喷射出的蒸汽排放到空气中，造成空气污染和热源浪费。（3）目前纤维素乙醇工业化生产的主要难题是成本较高，将蒸汽爆破产生的蒸汽回用于第一段蒸煮工艺中，可以减少新鲜蒸汽的使用量，降低能耗，提高纤维素乙醇的经济性。（4）整个预处理过程中无酸性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于包括以下步骤：/n（1）将粉碎的木质纤维素原料与水混合，连续输送到锥形螺杆装置中，进行连续搓揉、浸渍、蒸煮、挤压和脱水，控制温度为100-140℃，停留时间为3-30min；/n（2）原料连续进入到等径螺杆装置中进行第二次蒸煮，控制温度为160-200℃，停留时间为4-40min；/n（3）原料在螺杆推力作用下移动到出料口进行蒸汽爆破，爆破后物料进入到旋风分离器中，含水的固态物料进入到底部料仓；/n（4）蒸爆出的蒸汽经压缩机快速收集并增压，增压蒸汽代替原新鲜蒸汽进入到第一段蒸煮器中，如此循环实现木质纤维素原料的预处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将粉碎的木质纤维素原料与水混合，连续输送到锥形螺杆装置中，进行连续搓揉、浸渍、蒸煮、挤压和脱水，控制温度为100-140℃，停留时间为3-30min；
（2）原料连续进入到等径螺杆装置中进行第二次蒸煮，控制温度为160-200℃，停留时间为4-40min；
（3）原料在螺杆推力作用下移动到出料口进行蒸汽爆破，爆破后物料进入到旋风分离器中，含水的固态物料进入到底部料仓；
（4）蒸爆出的蒸汽经压缩机快速收集并增压，增压蒸汽代替原新鲜蒸汽进入到第一段蒸煮器中，如此循环实现木质纤维素原料的预处理。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的木质纤维素原料为秸秆、木屑或能源作物，优选玉米秸秆。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的木质纤维素原料机械粉碎到粒径为0.1-30mm，优选粒径为0.12-1.0mm。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的水与木质纤维素原料的液固质量比为10:1-2:1，优选为5:1-3:1。

【专利技术属性】
技术研发人员：乔凯，张全，高慧鹏，关浩，王蒙，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司大连石油化工研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11