蒸汽爆破技術在秸稈類原料厭氧發酵預處理中的應用

張 紅 趙志斌 王魯民

青島中科華通能源工程有限公司 山東 青島 266000

我國是農業大國，農作物秸稈資源豐富。據統計，2016年我國農作物秸稈產量達到7.9億噸[1]。農作物秸稈含有大量有機質和營養元素，其中蘊含大量化學能，將其作為厭氧消化制沼氣原料，將可有效緩解我國城鎮化進程與農村環境之間的矛盾，優化農村地區能源結構。秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質素構成，秸稈表面蠟質層、纖維素結晶區、纖維素被木質素和半纖維素覆蓋保護等結構因素，導致秸稈厭氧發酵存在停留時間長、利用率較低等問題。因此，在厭氧發酵前對秸稈進行預處理，破壞其大分子復雜結構，是提高其利用效率、推進秸稈資源化利用的有效手段。蒸汽爆破法由于其處理時間短、無二次污染、處理效果好等優點，是當前秸稈預處理研究熱點[2]。

1 蒸汽爆破工藝流程

蒸汽爆破裝置主要蒸汽鍋爐、反應器、爆炸罐三部分組成，其中蒸汽鍋爐為反應器提供高溫高壓蒸汽，達到一定壓力并維持一段時間后，通過爆破閥控制突然降壓，減壓過程中，秸稈原料從反應器中排出，并在爆炸罐中回收。

2 蒸汽爆破作用機理

蒸汽爆破是利用高溫高壓水蒸氣對秸稈進行蒸煮處理，并通過瞬間降壓的方式產生爆炸效果，利用反應器與大氣壓力之間的壓力差產生的剪切力破壞木質纖維素大分子復雜結構。蒸汽爆破存在以下4方面作用：

（1）類酸性水解及熱降解作用。高溫高壓蒸汽侵入秸稈纖維內部空隙，在水蒸氣和熱的聯合作用下，纖維原料出現類酸性降解和熱降解，低分子物質溶出，纖維聚合度下降。

（2）類機械斷裂作用。高壓蒸汽瞬間釋放時，深入秸稈纖維內部的熱蒸汽分子高速釋放，該作用使纖維產生機械斷裂現象，秸稈表面蠟質層及內部的無定形區和部分結晶區也遭到破壞。

（3）氫鍵破壞作用。高溫高壓水蒸氣滲入秸稈纖維各空隙中并于纖維素分子鏈上的部分羥基形成氫鍵。同時，高溫高壓含水條件下，纖維素內部的氫鍵會遭到破壞，并游離出新的羥基。高壓蒸汽瞬間釋放時，氫鍵斷裂的同時，纖維素所處環境也會急速冷卻至室溫，使纖維素超分子結構被保留，增加了纖維素的吸附能力，并進一步引起殘留氫鍵的破壞，加速了葡萄糖環基的運動，最終導致其他晶區破壞。

（4）結構重排作用。秸稈纖維素分子氫鍵受到破壞后，纖維素鏈的可動性增加，使纖維素鏈發生再排列作用，有助于向有序結構變化[3-4]。

3 蒸汽爆破影響因素

（1）秸稈收獲期及粒徑

秸稈收獲期不同，其含水率差異較大（一般來說，秸稈含水率隨著秸稈收獲期的變長而逐漸降低），其纖維素、半纖維素、木質素和其他化學成分的含量也不相同，且大分子纏繞結構的強度也不盡相同，導致在蒸汽爆破預處理過程中，其預處理效果也產生非常大的差異。另外，秸稈粒徑也是影響爆破預處理效果的重要因素，實驗結果表明，秸稈粒徑低于10mm時，其預處理能耗較高，且處理效果也不理想。

（2）反應器中蒸汽壓力及穩壓時間

秸稈原料在高溫高壓含水情況下，秸稈原料被軟化，內部木質纖維素結構間的粘結力受到削弱，瞬間降壓式，秸稈在內外部壓力差得沖擊下迅速膨脹，從而導致秸稈內部木質纖維素結構被破壞。因此，反應器中蒸汽壓力越高、穩壓時間越長，瞬間降壓爆破后的預處理效果越好。但蒸汽壓力越高、穩壓時間越長其能耗越高，且在到達一定程度后，其效果將維持在一個比較穩定的狀態。實驗結果表明，蒸汽壓力在1.5mpa，穩壓4min，其耗能和與處理效果較理想[5]。

4 技術前景

秸稈厭氧發酵制沼氣技術是當前比較熱門的研究課題，傳統的化學處理法、機械處理法在不同程度上存在二次污染、能耗高、處理效果不理想等問題。蒸汽爆破預處理技術具有處理時間短、處理設備占地面積小、無二次污染等優點，隨著秸稈厭氧發酵制沼氣工程項目的開展，其前景可期。但該技術也存在一定缺陷，如木質素分離不完全、營養物質損失大、能耗高、設備投資大、工作環境惡劣等。

筆者認為，該技術今后的研究將集中在以下幾點：（1）開發自動化、標準化、連續型蒸汽爆破裝置；（2）進一步優化蒸汽爆破壓力、穩壓時間等工藝參數；（3）蒸汽爆破技術與其他化學方法、機械方法相結合的高效預處理技術研究等。