一種提高秸稈酶解糖化率的干法臭氧預(yù)處理預(yù)處理塔及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)作物秸桿資源綜合利用技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種秸桿干法臭氧預(yù)處理塔以及基于該預(yù)處理塔的干法臭氧預(yù)處理秸桿的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國農(nóng)作物秸桿資源豐富，但約有30%的秸桿沒有得到有效利用。在廣大農(nóng)村地區(qū)，焚燒秸桿依然是主流的處理方式，這不僅造成了秸桿資源的嚴(yán)重浪費，還造成了嚴(yán)重的空氣污染。除了傳統(tǒng)的秸桿還田、秸桿青貯飼料等粗放、低附加值的利用方式以外，秸桿生物煉制逐漸成為十分有前景的秸桿利用方式，近年來受到越來越廣泛的關(guān)注。
[0003]所謂秸桿生物煉制，即通過生物方法(微生物、酶)使秸桿水解成為小分子物質(zhì)，再通過發(fā)酵工程將秸桿水解物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的技術(shù)。生物煉制是生物質(zhì)資源利用的重要基礎(chǔ)，然而由于部分關(guān)鍵技術(shù)存在瓶頸，導(dǎo)致生物煉制技術(shù)在秸桿利用領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用受到限制。除了生物煉制技術(shù)本身所需的生物處理手段(微生物制劑、酶制劑、生物反應(yīng)條件等)成本較高以外，秸桿生物煉制的主要技術(shù)瓶頸主要在于秸桿生物降解效率低下，這與秸桿的微觀結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。
[0004]為了破壞秸桿的微觀結(jié)構(gòu)屏障，改善秸桿的生物降解效率，通常在生物降解前對秸桿采取預(yù)處理。預(yù)處理手段根據(jù)作用原理可分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法。物理法通過物理作用改變秸桿的顆粒大小、纖維形態(tài)等結(jié)構(gòu)特征，通常不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，但是處理效果也十分有限，能耗較高?；瘜W(xué)法主要通過酸、堿、強氧化劑、有機溶劑等化學(xué)物質(zhì)對秸桿作用，通常不僅造成秸桿物理結(jié)構(gòu)改變，也是秸桿成分發(fā)生化學(xué)變化，這使得預(yù)處理效果顯著，但是也存在生成有害物質(zhì)、試劑殘留、試劑成本高的缺點。物理化學(xué)法在處理過程中結(jié)合了物理作用和化學(xué)作用，常涉及高溫高壓條件，對設(shè)備要求較高。生物法主要利用軟腐菌、白腐菌等微生物對秸桿進行腐化處理，過程清潔衛(wèi)生、低能耗，但由于處理效率很低而不實用。
[0005]臭氧作為一種強氧化劑，能夠高效專一地降解秸桿中的木質(zhì)素組分，同時對秸桿中的多糖組分影響較小，從而有效提高秸桿生物降解效率。然而，在目前的預(yù)處理技術(shù)體系(如專利CN101121175A)，臭氧的作用沒有得到足夠的重視。這主要表現(xiàn)在:①臭氧僅作為一種輔助處理條件，其優(yōu)勢沒有得到充分發(fā)揮;②臭氧作用過程在液態(tài)條件下進行，耗水、排污嚴(yán)重。相應(yīng)地，目前用于臭氧預(yù)處理的設(shè)備只適合液態(tài)處理(如專利CN202576407U)，因而缺乏適用于固態(tài)條件下秸桿臭氧預(yù)處理的設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本申請人提供了一種提高秸桿酶解糖化率的干法臭氧預(yù)處理塔及方法。本發(fā)明所述干法臭氧預(yù)處理塔有利于預(yù)處理半連續(xù)化、自動化、智能化作業(yè);經(jīng)過臭氧處理的秸桿木質(zhì)素被去除，生物降解率明顯提高，雜菌和害蟲被殺滅，提高了產(chǎn)品的儲存性能和發(fā)酵性能。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]一種提高秸桿酶解糖化率的干法臭氧預(yù)處理塔，包括豎直設(shè)置的塔體，以及位于塔體頂部的進料斗及位于塔體底部的出料口 ；
[0009]所述進料斗位于塔頂中心位置，所述進料斗旁邊正下方垂直于塔體方向設(shè)置分散器;所述分散器為圓錐面，所述圓錐面的頂點豎直向上指向進料斗中心，所述圓錐面上交錯分布垂直于圓錐面母線方向的棒狀凸起；
[0010]塔體中部設(shè)置若干垂直于塔體方向的篩板;所述篩板為網(wǎng)狀，其上垂直于篩板表面均勻分布不同高度的棒狀凸起，所述凸起的高度沿著篩板表面中點由內(nèi)向外輻射的方向逐漸減小，使得所有凸起頂端中心點恰好位于同一個球面上；
[0011]所述出料口呈漏斗狀;在所述出料口的周圍塔體側(cè)壁上均勻設(shè)置進氣口，所述進氣口以管道連接匯總為一個總進氣口。
[0012]所述進料斗旁邊的塔體上設(shè)置排氣口。
[0013]所述塔體底部設(shè)置用于支撐塔體的支架。
[0014]所述分散器的圓錐面母線與豎直方向夾角范圍為30°?50°。
[0015]所述篩板的數(shù)量依據(jù)預(yù)處理塔實際容量確定，確保每層篩板上的秸桿料層的高度不超過50cm;
[0016]所述篩板的網(wǎng)狀孔徑20?80目，依據(jù)秸桿顆粒的粒徑選擇。
[0017]秸桿先經(jīng)過粉碎，粉碎粒徑為80?300目；調(diào)至含水率不高于75%，通過進料斗加入所述預(yù)處理塔中，使臭氧氣流通過進氣口在塔體內(nèi)由下而上的流動，與粉碎后的秸桿混合，從而達到預(yù)處理秸桿的作用；
[0018]所述秸桿為農(nóng)作物秸桿及能源作物。
[0019]粉碎后的秸桿調(diào)至含水率為45%?60%。
[0020]經(jīng)過預(yù)處理后的秸桿顆粒按照下述方法進行中和處理:
[0021]定量稱取預(yù)處理后的秸桿顆粒樣品，加水配制成10^%的混合液，30°C恒溫放置30min，以pH計測定并記錄pH;參照GBT12456-2008的方法測定樣品的總酸含量，并以每克樣品所含氫離子的毫摩爾數(shù)計；
[0022]然后根據(jù)總酸含量計算對應(yīng)需要的氫氧化鈣添加量，依照該添加量向預(yù)處理秸桿中加入氫氧化鈣，并充分?jǐn)嚢瑁?br>[0023]最后以前述方法再次測定秸桿粉PH，確定中和效果;若預(yù)處理秸桿pH未達到5，再加入氫氧化鈣。
[0024]所述包括玉米秸桿、小麥秸桿、水稻秸桿、高粱秸桿、甘蔗渣、蘆葦、柳枝稷、芒草；秸桿經(jīng)過粉碎并調(diào)節(jié)含水量后，秸桿物料處于透氣性良好的固態(tài)多孔狀態(tài)。
[0025]本預(yù)處理塔分散器及篩板上的圓柱狀凸起，其數(shù)量、排布方式應(yīng)當(dāng)按照預(yù)處理塔實際設(shè)計確定，但要滿足上述的設(shè)計描述。
[0026]本發(fā)明有益的技術(shù)效果在于:
[0027]經(jīng)研究表明，物料在容器中堆積時，器壁處的料層孔隙率較大，而料層內(nèi)部的孔隙率較小。當(dāng)氣體流經(jīng)料層時，器壁附近的物料接觸到的氣流遠多于料層內(nèi)部接觸到的氣流。此外，過厚的料層由于內(nèi)部壓力較大，孔隙率減小，也不利于氣流的通過?；谏鲜鼋Y(jié)論，本預(yù)處理塔設(shè)計思路主要是增加料層與壁面接觸面積，同時盡量減少料層厚度。本預(yù)處理塔中的分散器能使物料從接近器壁的位置下落，在篩板上形成的料層邊緣高、中心低、有利于氣流均勻穿過料堆。分散器上的圓柱狀凸起在物料下落過程中起到破碎物料結(jié)塊的作用，使流經(jīng)分散器的物料分散成粉狀。多層篩板的設(shè)計，防止物料堆積過厚，由于物料自重造成底層料層透氣性能下降。篩板上的圓柱形凸起，大大增加了料層與壁面的接觸面積，有利于臭氧氣流滲透。
[0028]本發(fā)明能夠?qū)Ｒ坏亟到饨諚U中的木質(zhì)素，同時有效防止秸桿多糖組分損失，從而顯著提高秸桿酶解糖化效率。預(yù)處理過程在常溫常壓的固態(tài)條件下進行，對設(shè)備要求低，高效節(jié)水，除了適用于后續(xù)液態(tài)發(fā)酵以外，也適用于制作生物飼料、生物肥料等固態(tài)發(fā)酵領(lǐng)域。臭氧預(yù)處理還能起到殺菌殺蟲作用，有利于防止預(yù)處理秸桿發(fā)酵過程中的雜菌污染，提高預(yù)處理秸桿的貯藏穩(wěn)定性。結(jié)合本方法的干法臭氧預(yù)處理塔，使物料的分散堆積、氣固反應(yīng)、卸料回填一次性完成，能夠?qū)崿F(xiàn)半連續(xù)化、自動化、智能化作業(yè)。秸桿物料在處理時為固體狀態(tài)，節(jié)水減排，省去了后續(xù)固液分離、干燥成本。本發(fā)明解決了農(nóng)作物秸桿木質(zhì)素、纖維素、半纖維素難以降解的難題。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明預(yù)處理塔的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖中:1-進料斗；2-排氣口； 3-分散器棒狀凸起;4-分散器;5-篩板棒狀凸起;6_篩板;7-篩板轉(zhuǎn)軸;8-進氣口； 9-總進氣口； 10-出料口； 11-支架；
[0031 ]圖2為篩板頂視圖；
[0032]圖中:5_篩板棒狀凸起;7-篩板轉(zhuǎn)軸；
[0033]圖3為篩板底視圖；
[0034]圖中:7-篩板轉(zhuǎn)軸；14-篩板框架；15-篩網(wǎng)；
[0035]圖4為本發(fā)明預(yù)處理裝置優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖中:12_導(dǎo)氣管；13-噴口。
【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明進行具體描述。
[0038]如圖1?圖3所示，本預(yù)處理塔主體為塔式容器(長徑比I 3)。預(yù)處理塔頂部中心設(shè)有進料斗I，進料斗I旁邊設(shè)有排氣口2。進料斗I下方設(shè)有分散器4，分散器4呈圓錐面，其尖端豎直向上指向進料斗I中心。分散器4圓錐面上交錯分布著垂直于圓錐面母線方向的分散器棒狀凸起3。預(yù)處理塔內(nèi)部等間距設(shè)有若干篩板6，篩板6上分布著垂直于板面的篩板棒狀凸起5，凸起5的高度沿著篩板徑向由外至內(nèi)逐漸增大。篩板6可由液壓擺缸驅(qū)動，繞其轉(zhuǎn)軸7向下旋轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)，用以向下卸料。預(yù)處理塔底部為出料口 10。出料口 1上方壁面均勻設(shè)置三個進氣口 8。該預(yù)處理塔投入使用時，應(yīng)當(dāng)接入具備臭氧發(fā)生、進口臭氧濃度監(jiān)測、出口臭氧濃度監(jiān)測和尾氣消解的管線中，根據(jù)【具體實施方式】不同，管線中的設(shè)備和連接方式可根據(jù)實際需要調(diào)整。與該預(yù)處理塔配套的管線及其設(shè)備、安裝技術(shù)均為臭氧應(yīng)用相關(guān)領(lǐng)域的成熟技術(shù)方案，為該領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟悉，并易于獲得。
[0039 ]預(yù)處理塔中的進料斗1、排氣口 2、總進氣口 9、出料口 1可設(shè)置手動閥或氣動閥。預(yù)處理塔工作時，進料斗I和出料口 10的閥門應(yīng)關(guān)閉，防止臭氧泄漏。排氣口 2和進氣口 8的閥門用以備用。篩板6可讓其轉(zhuǎn)軸7向下旋轉(zhuǎn)90°，用以卸下篩板6上的物料。篩板6的旋轉(zhuǎn)運動適宜采用液壓擺缸驅(qū)動。預(yù)處理塔器壁靠近各層篩板6處可設(shè)置觀察窗及照明設(shè)備，以方便觀察預(yù)處理塔內(nèi)部情況。篩板6主要由框架結(jié)構(gòu)和篩網(wǎng)構(gòu)成，框架結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)軸構(gòu)成剛性連接，可隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，框架結(jié)構(gòu)上表面分布著如圖所示的篩板棒狀凸起5。篩網(wǎng)覆蓋于篩板6的框架上表面，圓柱狀凸起則穿過篩網(wǎng)，篩網(wǎng)孔徑20?80目，依據(jù)原料粒徑選擇。
[0040]基于上述預(yù)處理塔，本發(fā)明提供了一種干法臭氧預(yù)處理秸桿的方法。將秸桿先經(jīng)過粗粉碎(目數(shù)2 10目)，再經(jīng)過細粉碎至80目?300目O向秸桿加入一定量的清水，調(diào)至含水率不高于75%，優(yōu)選的為使其