（机械设计及理论专业论文）燃料乙醇生产用玉米秸秆等超大量湿法粉碎技术研究.pdf

攮要 摘要 植物秸秆的超大量湿法粉碎是燃料乙醇工业化大生产预处理过程中的关键环节。本论文从植物 秸秆湿法超大量粉碎机理和纤维质超细粉碎的试验装置等方面对植物秸秆的性状及其破碎机理，超 速高剪切粉碎枧理、粉碎腔内的物料流场状态作了细致的分析探讨。 首先，分析植物稍秆纤维组织结构、对其形态参数和力学性能进行研究，根据海姆霍兹速度分 解定理建立植物秸秆纤维流体微团运动，分析植物秸秆纤维超细粉碎断裂机理，得出植物秸秆纤维 超细粉碎最有效的粉碎方式为剪切粉碎方式， 其次，采用超剪切粉碎装备对两种具有代表性的植物秸秆进行了粉碎试验，试验结果表明，通 过超剪切粉碎装备湿法预处理的植物秸秆物料的粉碎细度效果理想，对木质素的包裹也有明显的破 坏作用，更加有利予酶的作用和减少了预处理阶段的成本。 最后，研究植物纤维湿法超细粉碎设备关键结构的数学建模和粉碎腔内流场的计算机模拟。研 究了剪切粉碎机理、涡流运动、湍流域的相关特性参数以及相关结构对粉碎效果的影响，根据计算 机模拟的参数和结构改庭，得出掇物秸秆在超大量状态下豹设备结构。 关键词：燃料乙醇；植物秸秆；超大量；湿法粉碎；高剪切；相似放大 a 歉粼 _ 二二_ 一 a b s t ra g t s u p e r - o u t p u t 卸ds u p e r - 6 n e 咖d i l l go fc r o ps t a l l c si s 也ek c yp r o s so fp r e 垤黝e n tf o rm 邵s m 黼u f a c t l l r i n ge t h 锄o lm e l t 1 1 i sp a p e rd i s c u s st i 他p r o p 硎e so fc r o ps t a l i ( s 黼dt h em e c h a n i s mo fh i 曲 警e 舞s 印e rs h e a f i 髓g 。弧e 垂l o w - 爨e l 莲so fas 囊溉抽gh 嘲。秘难激sc 鑫v 毋i s s 镶纛i 露雒da l 鳓强鑫l 弘醚b 鑫辩 o nf l u e n t a tf i r s t ，w e 锄a l y z cm et i s s u e 瓣1 j c t u r e s s h a p e sp 黜糊e t e r s 锄dm e c h a n i c a lp e c u l i a r i t i e so fc r o ps t a l k s 蠡哦b l l 羚de ps 越k s 蠡o wt 魏y 掇a s sm o v e 黻鼹lb a s e do 致珏o l 融h o 妇 sv e l o c i 移氆e o 跫臻幻鑫鑫奎y 勰e 内p s t a l k sf i b e rd i v i s i o np r i n c i p l e ，g e tt l l a tt i l ee l r e c t i v es h a t t e 血gm o d e sf o rc r o ps t a l l ( ss u p e r - o u 印u tw e t s 】b a n e r i n gi ss h e 撕n gm o d e s 弱髓a n 酆蘸热e 溅i sd ew 潍瓤。蜘莲o f 嘲燃s 雕酬v ec 印酗l c s 燃呔 峰澉o fh i 掌s _ 争蕊 s u p e rs h e a r i 粥e q u i p m e 嫩r | i ee x p 喇m e n t a lr e s u 凇s u g g e s t e dm a 毫m i sp f o c e s so fp f e 骶釉e n tc 蝴g e t 9 0 0 dr e s u l t s ，t h ea c to f b r e a l 【i n gl i 咖i ss od i s t i n c 仃l e s st h a ti t i sm o r ep r o p i t i o u st 0m ee 肫c to fe n 纠m e 勰纛建c 8 n 嘲璐e 虫e c o 熨o f 印c e s s o f p 蚓锄1 l a s t l y ，a c c o 纯i n gt ob a s i ch y d r o m e c h a n i c a ll m o w l e d g e ，w ee s 钯t b l i s h e dam a t h e m a t i c a lm o d e lt 0 d e s c r j b et h ed i s t r i b u t i o no fl i q u i df l o w f i e l da lt h eh o m o g e n i z e l j sh e a di nd e t a i l s w i t hf 抽o u sf l o w - 矗e l d 勰挝翊es o 触鑫怼f l 删鼍w ea l 瓣s i 璎u 1 8 圭e 莲爆ef l o w sc l 战蠢l s 法专l 毽囊o m o g e 魏i z 酲sh 蒯，鲤d 秘箍l y 叠醴 i t si n f e c t i o nt o 氆l eh o m o g e n i 蕊i o np r o c e s su s i 薹l gt h es h n u l a t i o nr e s u 擒 薹 生物质液化液优是指通过化学生物方式将生物质转变成液体产品的过程。液化技术主要有直 接液化和间接液化两类。真接液化就是在较高的压力下液化，故又称高腿液化，可作为汽车用燃料 或进一步分离加工成化正产品。间接液化就是把生物质气化后，再进一步合成为液体产品，或采用 水解法把生物质中的纤维素、半纤维素转化为多糖，然后再用生物技术发酵成酒精。生物质液纯可 以铸l 取甲醇、乙醇、液纯油等产品。 ( 3 ) 生物质气化生物质气化是在高温下部分氧化的转化过程。该过程是直接向生物质通入气化剂 ( 空气、氧气或水蒸汽) ，生物质在缺氧的条件下转变为小分子可燃气体的过程。所用气化剂不周，得 到的气体燃料也不同。躁前应用最广的是媚空气作为气化齐，产生的霹燃气体主要用于居民烹调、 锅炉燃料和发电。通过生物质气化得到的可燃气，可进一步转变为甲醇或提炼得到氢气。 ( 4 ) 生物质热解生物质在隔绝或少量供给氧气的条件下加热分解的过程，通常称之为热解。热解 就是利用热能切断生物质大分子键，使之转变为小分子物质的过程。热鳃优于水鳃在于生物质中的 碳氯化合物都可以转变为能源形式，恧水嫔过程中本质素朱发生反应。这种热解过程可以得到产品 有气体、液体、固体。其比例根据不同的王艺条件丽发生变化。由于液体产品容易运输和贮存，所 以最遥国内外开发了侠速热解技术，郎瞬时裂解，制取液体燃料油，液化油得率以干物质计可达7 0 以上翻。 l 。2 本课题研究目的和意义 1 2 1 国外燃料乙醇生产现状 燃料乙醇实现工业他生产始予巴西，并且技术耀对成熟，燃料乙醇已经是巴西工盐生产孛不可 或缺的能源之一。巴琵是个拥有l 。8 5 亿入舀的国家，全国加油站可供选择汽油、乙醇或优质汽油。 各种汽油都是至少2 0 的混合型汽油。巴西发展燃料乙醇首先是基于国内石油资源匮乏方面的考虑， 另外一个重要的方面是国内盛产甘蔗，农业资源相对丰富，为了减少能源的对外依赖程度，有效促进 本圈的经济发展，巴西通过立法确立了用燃料乙醇替代汽 由的发展方向。巴西是世界上最大懿酒精生 产豳和消费冒，有着丰富的甘蔗资源，使得酒精生产成本很低。其酒精生产能力达1 2 0 万吨 美国也楚燃料乙醇的主要生产国，问时把燃料乙醇产业化也是早在上个世纪7 0 年代就开始了。 美国2 0 0 0 年燃料乙醇的产量为5 0 0 万吨，其中9 2 的燃料乙醇混合到汽油中。在未来的十年内， 美国的燃料乙醇产量会增加三倍，燃料乙醇的生产和使用，给美国经济、农业生产和人民生活等多 方面带来了极大的益处。美国发展燃料乙酵出于嚣个方瑟的考虑，一是国家的能源安全，另外一个 比较重要的考虑因索便是出于环境的考虑。近年，美国总统布什签署了一项新的能源法案，其中很重 要的一项内容是可再生燃料标淮( r f s ) 。r f s 要求在汽油总组成中加入特定数量的可髯生燃料，而且 2 第一章绪论 每年将有递增。燃料乙醇产业对于减少美国匿内原油进麓依赖，增加农业收入和就业，削减贸易赤 字，以及降低农业生产成本等方面发挥了重蚕的作用，越来越受到重视。作为再生能源，生物能源 ( 4 3 ) 是世界上仅次于水能( 5 1 ) 的第二大能源。从上个世纪7 0 年代中期开始，利用生物技 术和可再生资源进行燃料乙醇的工业化生产，并以此作为石油能源的替代物成为各圈的研究热点， 北美细巴西走在煎列，弱且在未来四分之一世纪仍然保持若大规模燃料乙酵生产竞争力 在其它一些发达国家如欧盟、舀本、加拿大，发展中国家如泰国等，都己将燃料乙醇作为重点 发展顷裔。r f s 要求在汽油总组成中加入特定数量的可再生燃料，而且每年将有递增。日本作为世界 上第二大的汽油消费国，在全球变暖的压力下，正考虑引入一项用酒精掺合汽油来减少汽车尾气污 染的政策。在欧洲，德国已成为世界“生物柴油”擐大生产国。“生物柴油”是植物经过高温处理后 形成的“生物液体”，是一种高效，清洁的新型燃料。墨西哥俸l 糖业也正在探索使用群余搪和糖蜜生 产燃料淄精的研究。在其它一些发达国家如欧鬣、加拿大，发展中国家如泰国等，都已将燃料乙醇 作为重点发展项目。 l 。2 2 国内燃料乙醇工业现状及其存在的问题 由予石油、天然气、煤炭等能源的过量开采，我阑已面临严重的能源危机，寻找新型可替代能 源，成为中国未来能源战略的关键。随着国际原油价格不断攀升，替代能源研究开发的重要性豳益彰 显。而在诸多替代能源中，乙醇燃料优势明显。在国际原油价格高、国内对石油需求量日益大增的情 况下，燃料乙醇的推广和普及对替代和缓解我国石油不足具有重要意义。 以生物燃料乙醇兔代表的生物能源发展已历时五年，作为我匿“十五”十大重点工程之一，在有 关方谣的共同努力下，生物燃料乙醇产监取得了重大发展。随着国内石油需求的进一步提高，以乙 醇等替代能源为代表的能源供应多元化战略已成为我国能源政策的一个方向。 我豳发展燃料乙醇的空间较大。2 0 0 5 年以来，由于油价持续上涨，加上国家的财政补贴，燃 料乙醇的利润空闻呈现上升趋势。2 0 5 年，我国共生产燃料乙醇8 l 万吨，2 0 0 6 年对燃料乙醇的需 求还将大幅增长。我国已正式确定在我国试行燃料乙醇政策。这一举措将对我国农业、能源工业、 汽车制造业以及整个国民经济将产生积极而深远的影响。随着国际上再生资源”绿色能源”的蓬勃发 展，我国燃料乙醇工业将会迎来个阳光明媚的春天。 。+ 燃料乙醇将快速步入全球成最浊审场，在替代汽油供应方面发挥越来越大的作用。我豳对乙醇 作先燃料也给予了足够的重视。霞家将全西推广使用车用乙醇汽油，2 3 年内将占到市场份额的2 5 至3 。，我豳首家生产燃料乙醇的河南天冠集团的产品己率先在河南省的郑州、南阳、洛阳3 市的 5 0 0 0 多辆机动车中试用。河南天冠集团将上马年产5 0 万吨的汽油醇乙醇生产项蜀，国家计委将在 吉林投建一个年产8 0 万吨的燃料乙醇项目川。 在来来几年中国对石油进西依赖皮加深、国际石油价格进入高价时代等大背景下，国内燃料乙 醇产能扩大舀经成为无法阻挡的趋势。预计未来1 0 年内，全球燃料乙醇年消费量将达到1 6 0 亿1 8 0 亿加仑。10 年后，我国燃料乙醇需求量保守估计每年也将达5 0 0 万吨。 制酒技术在我国历史悠久，灏孝毒生产也己具备一定规模，但是燃料乙醇计划到本世纪初才开始 全瑟启动。我国滔精生产工业特点有： ( 1 ) 生产范围大，规模较小。 小型酒精分离装置数量较大，但是规模都通常较小，年生产能力不超l o 万吨，通常为5 万吨左 右，而且地域差异大，无法实现规模集中化，形成大规模生产能力，作为燃料乙醇生产，无法形成 国际竞争力。 ( 2 ) 技术篱单，与国外差距太。 多数国内酒精生产企业仍采用小型间歇发酵，多塔常压糟馏技术，产品等级低，整体技术与国 际清洁酒精燃料生产技术差距大。国内采用的芡沸糟馏技术限用于小规模生产，此类技术用于燃料 3 汪露文学硬士学位论文 乙醇大规模生产是不经济的。 ( 3 ) 我篱具备大规模燃料乙醇生产麓戈。 我国爵葡己其备大规模燃料乙醇的生产能力，耩馏技术己经稳定成裂。在我国，北方的玉米， 南方的稻谷产量得到提高，大量粮食提供了事富的原料储备。憋西的燃料z i 醇生产与蔗糖生产密切 穗关，丽美嚣与玉米等产龋豹生产蒋着密甥联系，都有其本国特色。 ( 4 ) 原料种类少。 近年来我国耕地减少数量大、速度快，零均减少l o 万宙以上。随着城镇发震、道路与厂矿建 设，灾毁耕穗，以及生态建设豹邋辫等多方箍原因，我国耕地减少局蕊逐将持续。另一方匿，避年 来我国粮食播种颟积连颦下降，髓羞市场经济的发展翔农业结构调整的深化，以及粮食生产燕宰 政 繁的实施，在各种爨索综会俸雳下粮食占总播跣铡反弹蘸空阕巍有限，于是，粮食产量熬溷升幅度 也穰有限，粮食产销缺翻将长期持续存在。据预测，2 0 0 5 年、2 0 1 0 年我圈粮食产销缺口分别为1 0 0 0 万t 、3 5 0 0 万t 左右。我固人多地少，耕地的粮食生产善供给任务异常艰巨。因此，燃料乙醇谷物 类骧料应立足予陈纯粮，不宣占熙菲豫讫靛。“+ 置”期闻我蓬燃料乙薄避在北方她嚣建设了一定撬 模的以垂米为原料的示范颈目，德垂米供需状况吃紧，生产压力也很大。播农业部畜牧业；t 十五” 计划和2 0 1 5 远景西标规划、国家粮油信息中心、f a p 黜( 美戮食品和农业政策研究秘会) 等三个 部溜( 单位) 的分析稻预测，共黼趋势往结慕表明：中国对玉米的需求里增长趋势，平均年增最终 3 0 0 万t 。换富之，3 4 年我图对撮米的需求量就要增加约l o 万。2 0 懿年全国嚣米产量1 1 5 8 3 万t ，髫蘸，产嚣基本持平，报撰玉米单产撵高的幅度、耕地瓷漂状况、农鼗结构调整纛粮食赢零 政策等多种箧索的综合分析和预测，我国置米生产在近年内仍可获得一定幅度的恢复性增产，但增 长空间很有限，2 0 世纪9 0 年代末玉米生产过剩和积压的局面再难出现。为此，单一以玉米为原料 熬燃料乙醇发溪空闻受劐极大牵制，恐难长久支撑我爨燃料乙酵产业的持续发展，骤料多无化在所 难熟，势在必行。周兴糊做了一份中雷农绺物产酒精量的研究报告。报告中进行了数据韵院较 结聚，结采表明攀位面积酒精产餐依次为：嚣蔗、红薯术薯、马铃薯、玉米、小麦( 表1 1 ) 。嚣蔗 靛酒精产密戳最i 蠹i 酶酋蔗势1 0 ，最低豹小麦为，其余按比铡取值。由于农董篁物价格影响因素 多，敏感性强，变性较大，权重系数定为4 0 ；分值界定为6 0 1 分以最低的木薯必l o o ，最离瓣 小麦为，其余按比例敬俊。 。 表 - l2 6 年奎萄不溺类型农作物酒精产量 讯洒1 1c h n aw i n ep r o d u c t i o nf 而md 触r c n tc r o p si n2 0 0 6 薛糖产量 套量( )吨艨螃产摹镣爨积酒 酒精量精产量参蕊拂他狒序 名称确m 2 ) 糖淀粉蔗糖 ( t )( 帆m 2 ) 本薯 1 7 5 2 7 o勰7o 1 5 22 5 6广蹲3 红薯2 4 。22 0 奄2 2 + oo 1 2 53 、 污惫2 舄铃薯 1 7 ，51 8 5 2 0 4e 1 2 l2 1 2云南4 玉畚6 o“0豫40 。3 l 蛰l8 6 盍杯5 峙蔗6 8 ，61 3 5 3 5 e 站6 了 尊 广褥l l t 麦 4 ，6 3鳓 弱静。3 0 51 毒l 湾旃6 囝燃料乙醇谷物类原料应立足予陈讫靛，并严格限慧使用。 燃料五醇原料多元纯势在必行，“十一氮”燃料乙醇原料的选择应关注檬物秸稃类纤维类鞭料， 并积极地进行开发。 恕于原料多霆纯、燃料乙醇瀵赞分布、运输等嚣索考虑，叶五”裁阉寰在南方遗区毒设燃料 乙酵项舀。 ( 5 ) 预处理阶段成本极高。 毒 第一章绪论 目前燃料乙醇生产中存在的最大魏闲越是成本过离，龙其燕原料的颈处理阶段，几乎成了燃瓣 乙醇工业的技术瓶颈。资料显示，我国以燕米为原料生产燃料乙醇，其综合成本悬3 8 9 7 元，吨。美 国乙醇生产成本只有2 7 7 0 元吨，而国内乙醇的生产成本为3 6 7 l 元吨，相差9 0 l 元吨。运用秸秆 等纤维类物瓣生产燃料乙醇，预处理羚段的处理成本燹是离的惊人e 因此，乙醇企业提高副产品的利用水平和降低发酵整段工蕊中的能耗和物耗，从而把成本降低 到发达国家的水平意义很大。在乙醇燃料生产中，采用新型湿法粉碎工艺取代传统千法粉碎工艺来 对超大量玉米和秸秆类纤维耪料进行超纲湿法粉碎，不仅可优佬发酵工艺、减少粉垒污染，两且可 提高产品得率和降低成本。但目前所用的漫法粉碎设备( 诸如砂磨等) 均不能适应生产需求，尤其 对浸泡后的嚣米皮渣这一具有强韧性纤维状物料的粉碎细度达不到要求，从丽造成发酵系统堵塞和 得率降低等多种问题的发生。研究可连续运行、单台时处理7 0 群以上孤米超大量湿法粉碎设备， 来满足乙醇燃料生产需要，是企业集团一致愿望，也是研究部门的重大课题。 l 。2 。3 本课题研究的毽的争意义 近年来，随着能源危机的加剧和对环境保护意识的不断增强，研究和寻找石油能源的替代品成 为世界技术开发领域亟待攻克的重要课题之一。生物燃料是一种清洁可荐生能源，在当前最具可行性 和实用性昀生物燃辩包括一生物柴洼_ j 蘑生物z i 醇，随着石油价格的不断飙升，生物燃料越来越受到人 们的重视可再生能源既解决能源替代问题，又为农业资源，自然资源提供个新的发展空间，可以有 效的推动农业产业化进程，创造蹙大的经济价值，社会价值和生态价值。 作为一种新兴麓源，生物燃料的研究历时已久，世界各大发达农业图都争褶把希望的目光授放 到这个领域，通过各国科学家的艰苦探索和研究，纷纷取得了阶段性的成绩2 0 0 5 年，世界生物燃料的 憨产量为4 2 亿k 其巾美溯占? 4 ，销，中国产量为3 8 亿0 印度为l ? 亿k 审国是一个农监大国，同时 也是一个人阴大国，发展生物燃料产业，能够减少原油进口依赖，增加农业收入和就业，降低农业生产 成本然而我国的生物燃料生产技术相对落后，能耗、物耗和水耗大大超过囡际先进水平，同时生物燃 料的生产趣模不大，大撵、超大型的生产企娃由于受到相关技术的约束两严重滞后，这就在很大程度 上限制了我圊在生物燃料的生产能力。 作为一种未来理想的能源饕代物，被荧称为2 l 世纪“绿色能源”的燃料乙醇，因其不仪可以 作为一种性能优良的可再生燃料，同时它还可以作为种很好的燃油品质改善剂，受到人们极大的 青睐，预计今后世界对燃料乙醇的需求将越来越大。燃料乙醇也称生物燃料、燃料酒精、汽油醇、 乙酵汽油等，是戳玉米、本薯、小麦等谷物类物料或檀物菇毒手、糖蜜等厥料经过蒸煮发酵，进一步 脱水处理加上适量的变性剂后，得变性燃料乙醇i l q 。 ( 1 ) 农作物秸秆及其产量 所谓农侔物秸释是指各类谗物在获取其主要农产起( 耔实) 后鳜剩黧下来的地上部分静茎畦或 藤蔓；主要是禾本科作物秸秆和豆科作物耩秆。在我国，属于采本科作物的秸秆主要有小麦秸、稻 孳、玉米秸、大麦秸、高粱秸、养麦秸、黍桔、谷草( 粟轩) 镩；属于豆科作物的带秆或藤蔓荚壳) 主要有黄豆稃、蚕豆秆、豌豆秆、花生藤簿。此外，还有红薯，马铃薯和展类藤菱等。 农作物秸秆是世界上最为丰富的物质之。据统计，全世界每年秸秆产量约为2 9 亿多吨，其中 小麦秸占2 1 ，稻草稿1 9 ，大麦秸1 0 玉米秸3 5 ，黑麦秸2 ，燕麦秸3 。谷草( 粱秆) 稿5 ，高粱秸5 。小麦秸良豫洲、欧涧和北美溯的产量为最离。稻秆以亚洲为最多，大麦桔以欧 洲为最丰富，皿洲和北美训次之，玉米秸以北美洲为最多，砭洲和欧洲次之，南美洲和非洲较少。 又据掇遵，全世爨作物秸秆的总产量戈2 9 4 l 亿吨，其中葛# 渊必3 6 亿吨占8 。乾，j 乏美洲81 9 亿 吨，占2 7 8 5 ，南美洲1 8 3 亿吨，占62 2 ，亚洲1 1 1 4 亿吨，占3 7 8 8 ，欧洲4 0 亿吨。占1 3 6 ，大洋洲o 3 6 吨，占1 2 2 ，其他地区1 5 3 亿吨，占5 2 【l o j 。 ( 2 ) 制约植物稳轩燃料乙簿生产酶关键润题 5 江囊大学硕士学经论文 国内外对利用生物质尤其是稍秆纤维来擞产燃料z 醇进行了火量的研究，但该技术一直未能在 撬摸裳产事撼广虚霜，究箕掇本，主要是嚣受溪酴段貔鼓寒孛还骞在着严熏制药藉释纤维爨辩乙簿 生产的关键翔髓。 秸程的化学组成中，纤维素、半纤维素冁木质素食量最熹，曼秸维分蛉总秘( 也称粗纤维) 约占 藉辩憨菱薹熬8 0 ，萁拳纤维素禽爨一簸为3 5 褥，攀纾缍素禽慧一敷悉2 5 弓瞩，本震素戆禽藿 一般为1 0 左嚣。纤维紫是不溶予水的均一浆糖，由葡萄糖基通过陟l ，4 葡萄糖苷键连接起来的链 状凑分子化含物。半纤维繁是壶两种或甄种以主的单糖蒸组成的不均一聚糖，大部分警骞短豹侧键， 翡戚拳纤缝素熬糖薹主要肖本耱、鬻莓糖、讨褥糖，簿辘馋耱，半乳耱及它稍熊各种衍生貔，稽秆 的半纤维素组成主要是聚阿拉伯糖撼葡萄糖醚酸木糖。术质素是熊由苯基冈烷结构单元通过碳一 碳键鬻醚毽连接褥残熬爨肖三度空瓣筵梅燕窝努子聚合耪。纤维囊、半纾维紊窝本震素这三类携震 都是离分子诧岔物，有徽高的稳定性，不经娥疆或降解搬难被动物童接吸收利用。 襁秸秆中，纤维素、半纤维素和木质素餐物质共嗣形成细胞麟结构。在细胞壁结槐中，纤维素 努子链畜燕裁邈搂裂募繁戚凛缨纤缭，嚣鳃纤维进一步缝盛蠢缨翳缝，馁缀纤维组戎缎夺驽维，藏 细纤维之间填究着半纤维索，微细纤维周围包裹着木质索和半纤维索，且术质素和半纤维素间襻在 化学连接键。这样在维飕壁中纤维索馘徽纲纤维形式梅艘绎维素黄粱i 本襞繁寒半纤缆素墩共徐键 方式交联在一起，形成三维维穗，把徽纤维寨镶嵌在曼褥，形成复杂靛难强骅篇豹缁腿壁结构。细 胞壁的外边，即两个细胞之间的胞间层，主裂内木质繁组成，少爨为果胶，把两个细胞粘接在起 f l l 】。 植物秸释纯学结构复杂，纤维豢、半纤维索不但被术质素包裹，而且半纤维素部分共价和术质 素结仓，纤维豢具有高度肖序晶体继构，只有经过预处理，才能解除本质素对终维素的镪褒，从丽抱纤 维索暴露塞来，裁予酶拳瓣攮螽续发酵过程，禽簿维饕褥翡羲整理对蒸羲终转健盛纛袋本浆糖驳疑其 他的有用产品鬻关重要。煅优化的预处理方式是那些既经过物理的也经过化学的操作，同时在遮一 反应过程中对殿料的损伤帮营养价毽熬损失葵求达到最小。并且熊褥到很好戆酶佟建瓣褒物减少了 嚣辩魏凝失援。 程生产燃料己醇时，原料中的纤维素和半纤维素可以在酸或酶的作用下转化成可发酵性糖类， 共经徽生戆发酵产生燃辩纛醇。僵爨霄特殊臻构静本囊紊攘难分熊，霜露也无法形戚霹发酵性羲类， 霾魏糊掰秸秆黧产燃瓣乙蟒实质主就是乖j 需其中的纤维豢和半纤维素成分。但由于纤雅索、半纤维 素和术质素这3 种成分均璺不连续的层状结构。彼此豁继又互相间断，木戚黎和半纤维索是微缁纤 维之阕蕊壤充裁辩羲结裁熬感臻结擒；藏对穰撼波零屯搂澄霹舞，本蓑素虽对纤维素分煞携凄魏酶 反应没有阻碍律闱，但它黼止纤维豢分解物对纤维素的进攻，因而对秸秆进行预处理，除去木质黼， 或破蟒本质素层，尽量使缨缝素结晶度降低，提高纤维綮的转化攀楚生物质燃料乙酵生产靛关键步 骠。 ( 3 ) 秸秆前处理优化方式 楗物秸秆结构复杂、缎维素、拳纤维素不餐被木威豢包裹，瓣按半纤维絮部分共价黟木震囊缝 合、终维素美育离度畜痔藩俸结构，鞠诧必须经过j 茭楚纛，使得纤维素、举纤维素、术葳素分离_ 拜， 切断它们的氢键，破坏晶体结构，降低聚合度。常见预处理方法有以下几种蝴前植物稍秆的前处理 方法缀多，球磨、藏匿蕊汽爆醚法，馁溢氮爆破法，裳瀣二氡拖碳撩菠法，电孑瓣缝、￥射线、稀 酸楚建法等。 然而传统的物理化学方法对秸料进行的处理一方面成本较高，鼹一方面其处理效粜不佳。使用 超剪蟾蕊餐薄撬越经过蒸汽鼹酸法熊鹱逯熬器释避孬趣瓣粉碎楚囊参鼗决定了在短跨阚虑获释掇辩 大量的超细粉碎产品，因此提高了它在经济上的可行性。蒸汽爆破法处理过的秸秆中的酶的水解、 化学成矜、纤维特性以及多细胞组织的粉碎以及粉碎蒸汽爆破法处壤过的秸释残渣显恭& 大蕊差巽 毪t 越糍罄痒产撼鹣鹜嚣永解嚣酶瓣嘛解获褥了最离翡辩瓣承簿率辩产窭最多麴糖贫，阐时超缎粉 鑫 第一章绪论 碎产品的残渣的糖含量甚至低于未处理的秸秆的糖含量。结合低蒸汽爆破和超细粉碎方法对秸秆进 行预处理是对秸秆进行分馏最容易处理的方法。 ( 4 ) 研究秸秆超大量湿法粉碎技术的意义 我国植物秸秆年产量大约5 亿吨，玉米秸秆主要由植物细胞壁组成，细胞壁基本组成是纤维素、 半纤维素、木质素，纤维素和半纤维素被木质素层层包裹，纤维素是一种直链多糖，多个分子平行 排列成丝状不溶性微小纤维，而半纤维索主要是木糖以及少量阿拉伯糖，半乳糖、甘露糖组成，而 木质素是以苯丙烷及其衍生物为基本单位构成的高分子芳香族化合物，半纤维素较易水解为五碳糖， 纤维素较困难水解为六碳糖，而木质素一般作为燃料。 用可再生资源植物秸秆为原料生产乙醇燃料，对缓解我国能源紧缺、减少环境污染和解决“三 农”问题都具有重大的现实意义和战略意义。在乙醇燃料生产中，采用新型湿法粉碎工艺对生物质 原料植物秸秆进行超大量湿法粉碎，不仅可优化发酵工艺、减少粉尘污染，而且可提高产品得率和 降低成本。但目前所用的湿法粉碎设备( 诸如砂磨等) 均不能适应生产需求，尤其植物秸秆这一具 有强韧性纤维状物料的粉碎细度达不到要求，从而造成发酵系统堵塞和得率降低等多种问题的发生。 山东九九有限公司采用针磨、砂磨和胶体磨对玉米湿法粉碎，由于单台设备处理量小、玉米皮渣、 植物秸秆纤维破碎粒度大，给正常生产带来了很大的困难；河南天冠集团上海研发机构花巨资从德 国购进植物秸秆粉碎装备，效果并不明显，同时处理量也远远达不到工业化大生产的要求。吉林天 河集团、安徽丰原集团等正在建设年产3 0 万吨乙醇燃料生产线，所用湿法粉碎设备均拟从国外进口， 这必将会带来易损件供货困难和成本过高的问题。 研究可连续运行、单台时处理7 0 m 3 以上超大量植物纤维类物料湿法粉碎装备，来满足乙醇燃料 生产需要，是企业集团一致愿望，也是研究部门重大课题。解决这一问题，不仅对乙醇燃料生产项 目具有积极促进作用，而且必将对味精生产中大米的湿法粉碎、植物秸秆纤维物料的湿法粉碎等农 产品深加工项目提供技术装备的有力支持。其它行业，如造纸、油漆、化工等新材料行业，都存在一 大量的纤维超细粉碎需求。本课题在植物秸秆超细粉碎关键技术与装备方面的研究方法、研究成果 将对上述这些行业能提供一定的借鉴和指导作用。 1 3 本课题研究的主要方向 本课题拟从以下几个方面对植物秸秆纤维超细粉碎关键技术进行研究： 1 3 1 植物秸秆超大量湿法粉碎机理研究 ( 1 ) 植物秸秆物性机理研究及其断裂方式 通过植物秸秆组织结构、形态参数和力学性能的分析，分析植物秸秆超细粉碎的要求和难点， 分析秸秆纤维粉碎断裂方式，探讨秸秆纤维超细粉碎有效的粉碎断裂方式和有效的粉碎方式，并建 立植物秸秆纤维超细粉碎过程动力学模型。 ( 2 ) 超大量粉碎技术机理对比性研究 胶体磨、盘磨机、砂磨、剪切式均质机是目前燃料乙醇企业普遍采用的几种湿法粉碎装备，对 当前常用的玉米秸秆等粉碎装备关键技术进行对比性研究旨在探索一种适合燃料乙醇生产专用的超 大量粉碎设备，以适应当前燃料乙醇工业中对植物秸秆超大量粉碎的需求。 1 3 2 粉碎腔内物料超大量剪切流场模拟分析 根据植物秸秆有效的粉碎方式，研究两种植物秸秆纤维湿法超细粉碎关键结构。分析刀片关键 结构中的剪切粉碎机理、涡流运动分析、湍流域的相关特性参数和关键结构对粉碎效果的影响；分 析定转子关键结构的剪切作用类型、定转子间剪切率、叶轮中流体运动、定转子问流体流场和关键 参数对粉碎效果的影响。 ( 1 ) 对超大量粉碎腔内部流场建立数学模型。分析其分布的特性和规律。 ( 2 ) 利用流体分析软件对超大量粉碎设备内部流场进行模拟仿真。 7 江南大学硕士学位论文 1 3 2 植物秸秆超大量粉碎装备试验研究 ( 1 ) 运耀超剪切耪碎枧对植物秸释以及蓉米进行澎法粉碎试验硗究。 ( 2 ) 玉米秸秆等超大量湿法粉碎设备的粉碎腔进行相似放大和c f d 模拟研究。 8 第二章纤维类物料物性及其粉碎设备对比研究 第二章纤维类物料物性及其粉碎设备对比研究 2 1 目的和意义 影响淀粉酒精连续发酵污染杂菌、终止生产、换种的主要因素有很多方面，主要包括原料预处 理、进料以及发酵罐内相关参数和人为操作水平及责任心。而原料的前期预处理阶段中对物料的粉 碎直接影响后续发酵水平和能耗。前处理阶段的粉碎问题一直以来都是纤维类物料生产燃料乙醇的 瓶颈问题。 目前，秸秆生产燃料乙醇已经成为各大燃料乙醇企业的新的战略方向，因此，研究可连续运行、 单台时处理7 0 m 3 以上玉米超大量湿法粉碎设备，来满足乙醇燃料生产需要，是企业集团一致愿望， 也是研究部门的重大课题。 2 2 燃料乙醇湿法生产工艺流程 由于乙醇生产过程中水的存在，使得乙醇与水形成二元共沸物，而采用普通精馏方法所得乙 醇中水的体积分数约5 ，要想控制燃料乙醇水的体积分数达到1 以下，就必须采用较新的脱水工 艺。目前开发的脱水新工艺主要有：渗透汽化、吸附蒸馏、特殊蒸馏、加盐萃取蒸馏、变压吸附和超 临界萃取分离等。脱水后制成的燃料乙醇再加入少量的变性剂就成为变性燃料乙醇，和汽油按一定 比例调合就成为车用乙醇汽油。图2 1 是玉米生产燃料乙醇工艺流程图。 匝亟囹干胚芽e 亘耍圃 瑟一 垓 臣垂亘圃叠塑揎臣塑圜签垫垄醴囤产品 图2 1燃料乙醇生产工艺流程图 f i g 2 - 1 f l o wc h a to fe t h 锄o lf i j e lm 2 u l u 舭t 嘶n g 2 3 纤维类物料湿法粉碎机理研究 秸秆主要由植物细胞壁组成，细胞壁基本组成是纤维素、半纤维素和木质素，纤维素和半纤维 素被木质素层层包裹。纤维素是一种由吡喃型葡萄糖单体以糖苷键连接的直链多糖；半纤维素主要 是由木糖以及少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖组成；而木质素是以苯丙烷及其衍生物为基本单位构 成的高分子芳香族化合物。半纤维素较易水解为五碳糖，纤维素水解为六碳糖较困难，木质素一 般作为燃料( 图2 2 是高粱秸秆的照片) 。 9 圆压圆譬 江南大学硕士学位论文 2 3 1 结构及理化性质 ( ”木质素结构 图2 - 2 未经处理过的高粱秸秆 f 驿2 0p h o t oo fd u 耽s t a l k 本质豪是聚酚类的三维网状高分子化合物，其基本结构单元为苯丙烷结构共有三种基本结构 ( 非缩台型结构) ，即愈创木基结构、紫丁香基结构和对羟基苯基结构( 如图2 - 3 ) 。木质索是由松柏醇基 惹r 香基和香豆基三种单体以。- c 键、醚键等形式连接而成的具有三维空间结构的天然高分子物质 ； 电。鼻电 a ) 愈创术基丙烷单元 b ) 紫丁香基丙烷单元c ) 对羟基苯丙烷单元 国2 _ 3 木质素的三种基本结构 f 2 - 31 ek j n d so f b 曲l c 硼e w o 咄o f l l 印m ( 2 ) 纤维录结构 纤维豪中的糖苷键是p - ( 1 4 ) 一型，纤维素无色、无味、不溶于水及一般的有机溶剂，也不具有还 原性( 如不能还原试剂) 。纤维乘较淀粉难于水解，在酸性条件f 水解纤维素可得纤维四糖、二糖、 二糖等晟后水解产物为d - ( + ) 葡萄塘。( 图2 4 ) ，其葡萄耱亚基排列紧密有序形成类似晶体的 不透水的网状结构，以及分子间结台不甚紧密、排列不整齐的无定形区域。纤维素易与半纤维素、 术质素等难分解的物质相复合，因此，纤维素不能溶于水，难以水解。纤维素分子链本身的折叠排 列形成结晶医和非结晶区这种排列的有序和无序程度直接影响到纤维素酶的降解l ”】。 纤维素在自然界中有广泛分布和丰富的储量术材、亚麻、棉花、禾秆等是纤维索的主要来源。 食草动物的消化道中的微生物可产生纤维素鲜使纤维素水解，所以食草动物能以富含纤维素的植物 为食。纤维素的塘链是平展排列的相互作用形成纤维素束，这是由于相邻纤维素分子中的羟基互 相作j ；f j 生成氢键而使糖链之间紧密地结合在一起；若干个纤维素束相互绞在一起就形成绳索状结构， 这种绳索状结构按一定规律排起来就形成肉目e 所见的植物纤维纹理。 第二章纤维类物料物牲及其粉碎设备对比研究 绷 l o 一- 图2 4 纤维素结构示意图 f 遮。2 - 4 e w o f ko fc e l l o s e 3 ) 半纤维素 “半纤维索”( h e m i c e l l u l o s e ) 和饯聚糖”( p e n t o s 鑫n s ) 这两个术语经常互换使用，两者看来都 没有确切盼含义。合起来看，它们包括植物中的菲淀粉和菲纤维素多糖。它们广泛分布在植物界， 一般认为它们是构成细胞壁和将细胞连在起的粘连物质。它们的化学结构很不一致，其成分从简 单的糖如多一麓聚糖到可熊含有戊糖、己糖、蛋白质和酚类的多聚体，变化多样。组成谷物昶豆类膳 食纤维中的半纤维素主要有阿拉伯术聚糖、术糖葡聚糖、半乳糖甘露聚糖和p ( 1 3 ，l _ 4 ) 葡聚糖。 阿拽伯木聚耱在小麦和大豆纤维中含量较多。框架结构是p 吡喃木糖通过p ( 1 4 ) 糖替键连接，线性 主链本糖残基的c 2 和c 3 镶置上连接商取代基。 2 3 2 纤维流体微团运动 根据海姆霍兹( 手幻触矗口舷) 速度分解定理，在运动流体微团中任意点麴速度，可分解为三个部 分：郎在流体微团上所选取的参考点的平移速度、绕过这个参考点的瞬时轴的旋转速度以及变形速 度。根据这一定理，秸秆纤维物料在湿法粉碎过程中，在机械力场与流体力场的作用，受力情况是 较复杂鳇，毽秸秆纤维流体微函的运动霹按上述方法分鼹为三个部分。根据纤维组织维构鳇特性， 分别选取纤维长度方向和垂直于纤维长度方向的两个互相垂直的方向为坐标系，坐标轴分别为五、z 、 乃如图2 5 所示。若以图2 - 5 所示秸秆纤维流体微团上的d 点为参考点，由a 点速度的数学表达式 ( 2 1 ) 图2 - 5 秸秆纤维流体微团运动的分解 f i 鬈，2 5a 赫a l y 琵o f 曩wo f c o 滋涮薹( 蠡醅| 锄y 怒a s s 獭纠e m e 盛 辍熟 搿啦 r 己z 蹴跏班 小尉艘 羔 刀 口 劬勃知 舷蛇藏 z z 2缈彩印触越艇， 王 z 斑钰龟 = = = 略 江南大学硬士学彼论文 式中呦，场为参考点的平移速度。 式孛茹，茹z ，掰r 隽徽鐾旋转楚速度在三令坐标辘主戆分薰； 8 鉴。 勉= 露 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 8 开：f 坐l 址= 如，z = 乙一，丁= 致一； 式孛艺4 ，7 ，轫彝勖，墓矗，龟z 分裂表承徽遥搪对寅线交形速度帮势甥变形速发在三 个坐标轴上的分量。 若耀| s | 表示变形速瘦张量，煲| j 毒： is “8 理l 墨】勰l 铴| ( 2 l 钪磊刀g 玎j 内秸秆纤维微团变形速度张量分析可得，旗_ j 手纤维的损伤与断裂可用趱摊块态来箍述：其孛，互 型损伤表示垂塞绎维长庭方薅蒺断翁籍破裂；z 型损伤及涩型损伤分暴表示羲矗于z 恕与纤维方向 平行横断面拉断及剪断：r 及儿型损伤分别表示为垂直予f 向与纤维方向平行横断面的拉断及剪切： 恧愆型损伤袭示横鑫剪奶破断。 2 3 3 纤维粉碎断裂方式 研究表臻：在粉碎过程孛，并苓是所煮熬变形都麓使颗粒簸痒。在耪碎过程串，有福当翡一部 分的颗粒受到不充分的力的作用而不能破碎，只能发生一定的变形，而不能导致颗粒的破碎。因此。 理想的情况是只在要破坏的建方变形或应变。其实，物籽的粉碎可以使餍毒# 变形或在锻蠢、鲢范隧内 变彩或应交静方法来耪碎，戮降低熊耗瑟懿。 由上节对秸秆纤维的组织结构以及力学性能的研究表明，秸秆纤维具有艇杂的线性结构和网状 结构，犀黠穗稽纤维又具有良好斡韧性、抵抗变形麓能力窥吸牧变澎瑟熬能力，这壁都是羲拜纤维 粉碎j 臻程中的难点，如何最有效破坏其组织结构，克服熊良好的韧性、抵抗变形韵能力和吸收变形 能的能力等，就成为粉碎过程中的关键。因此从能量利用的角度以及秸秆纤维微团变形速度张量可 躲，在大量辑究瓣基氆上，我髓诀隽对穗秆野维较奏效麴糖碎龋裂方式以戳下两静方式梵主： 其一，纤维层与层间分离直至断裂是秸秆纤维粉碎的一种较理想形式，这种断裂方式能在较大 程度上破坏纤维缀织在横截匦上的刚状结梅，这嵇损伤叛裂形式为：有效的受力形式有控力和剪鸯 两种，按痿断裂形式有：承z 己，氛踅墅。不考虑其它变形时，就时变形速度张量为： p r w一群一z 翮一卯鼬一孔鼬一馏蕙一妣孙一搬挑一姐 ，f，、，l；。，j，、 l一2一2 l一2 l l l p f w一二竺zd一毋移一a艿一覆 + + + w z 群一r p 一 a一8蚤一a 8 一a一2；一2；一2 | | | | 嚣 尼 盯 墨 形 形 缪 = = i i 嚣 批 泌 第二章纤维类物料物性及其粉碎设备对比研究 陋】= o 占死 s l zs z z o 0 s 刀 ( 2 5 ) 其二，纤维在长度方向上直接断裂对于秸秆纤维粉碎是最显著的一种形式，能通过长度方向 的剪切直接达到对秸秆纤维颗粒粒径的减少，大大减小颗粒的长度尺寸，特别是秸秆纤维在长度方 向上有较强的韧性时，能充分利用粉碎能，提高能耗的利用率。因此，此种剪切断裂也是粉碎效率 是最高的。这种损伤断裂形式主要是忽型，在不考虑其它变形情况下，变形速度张量为： io 00 l 陋】= lo o 占刀i ( 2 6 ) l os 刀 oj 能过上述对纤维超细粉碎较有效粉碎方式的研究，使我们进一步把握纤维粉碎的机理，为后续 的秸秆纤维超细粉碎关键结构与实验装置中，要充分考虑到秸秆纤维的两种有效粉碎断裂方式，以 达到对秸秆超细粉碎和提高能耗的要求1 8 】。 2 3 4 秸秆纤维湿法超细粉碎有效方式 粉碎是利用机械的方法克服物料内部的凝集力而将其破碎的一种操作，粉碎是食品加工中特别 是食品原料加工中的基本操作之一。破碎和粉碎物料的常用方式很多，主要有挤压粉碎方式、撞击 粉碎方式、研磨粉碎方式和剪切粉碎方式。 当挤压粉碎方式或撞击粉碎方式粉碎秸秆纤维物料时，纤维物料的变形速度张量可以写成式 2 - 7 ： p 】= 占儿 o 0 0 忍 0 0 o 玎 ( 2 7 ) 上述三种速度变形张量中，占儿沿纤维长度方向的变形，由于秸秆纤维在长度方向上有极好的 韧性和弹性变形能力，因此其对秸秆纤维的粉碎效果不明显。钇、研也仅对秸秆纤维网状组织 结构压整变形，并不能分散的网状结构。因此，这两种粉碎方式不适用于秸秆纤维的粉碎。 而利用研磨或剪切粉碎方式对秸秆纤维进行粉碎时，纤维物料的变形速度张量分别主要为： l o g 肥i 陋】= is 盟f 忍 o i ( 2 8 ) 【- o s 玎j 防】= 0oo 0o g 刀 0 占刀 0 ( 2 9 ) 从秸秆纤维粉碎有效的粉碎断裂方式可知，这两种速度变形张量就是秸秆断裂粉碎的两种较有 效的变形受力方式。因此，对秸秆纤维物料较有效的粉碎方式为研磨粉碎方式或剪切粉碎方式，或 两者的组合方式，在关键结构及装备设计时，要充分考虑上述秸秆纤维损伤断裂形式，以达到提高 能量利用率【1 9 】。 1 3 江南大学硬士学位论文 2 3 5 湿法粉碎机理研究 超细粉碎技术是俘黻现代高技术和新材料产韭，如徽电子和信息技术、高科技陶瓷和耐火材料、 嵩聚物基复台材料、生物化工、航空航天、新能源等以及传统产业进步和资源综合利用及深加工等 发震起来的一项薪豹粉碎工程技术。现己残药最重要戆工建矿魏及萁袍囊榜精深热工技术之一，对 现代高新技术产业的发展具有重袋意义。 超细粉碎是近年来迅速发展起来的一项赢新技术，一般是撸将3 珏娥发衣物糕粉碎至l o 2 5 互职 戮下( 甚至达戮纳米缀) 戆过程。经超缡粉碎后豹徽粉表面积和空隙大大增粕，轶丽影嫡粉体的物 理化学性能，如溶解性、分散性、吸附性和吸收性等性能的提高。因此，超细粉碎技术在食品、制 药、纯工等行渡正被基益广泛魄尝试应用刚。 超缩粉碎技术根据粉碎过程是否有液体参与，可以分为：干法超细粉碎与湿法超细粉碎两大获。 本课题旨在研究湿法超细粉碎技术及其过程机理。 澄法超细粉碎过程是簧蘑予流嚣所具有靛流动姓，使蓑热工物耩在趣缀设备孛达到尺寸减少、 均匀分散、全渐接触，从而制备超细粉体材料或改善被处理物料性质的方法和手段。液体物料在湿 法超细粉碎过程中的变化桃理与被处理物料的特性( 物理特性、化学特性等) 、湿法越缨粉碎设备结 构跌爱处理过程孛戆流体运动参数袁接褪关。因诧，研究漫法超缀粉碎过程梳理离不开流体力学的 理论指导。然而，由于流体力学本身的不完备性，对湿法超细粉碎技术的研究只能在一定程度上依 赖于流体力学毽论，在实践中，缀大程度上还是依赣于实验研究以及在菜些理论指导下的计算技术。 粉碎是利糟视械静方法克服固体物料内部的凝聚力而将其破碎的一种操作，它是食品加工中特 别是在食品原料加工中的基本操作之一【2 1 】。 2 3 纤维类物辩湿法粉碎设备对比性研究 刘振等通过对木薯干原料同步糖化发酵生产燃料乙醇的实验研究得出原料的粉碎，有利于a 淀 耪酶的络耀。艨料匏颗粒越缨，淀粉越容易被糖讫酶裁耀，醪液静溪精度越舞。另外，实验过程也 发现，原料越细，适当减少蒸煮辩闯或降低蒸煮温度也可以= 达到衙徉的效果i 2 礤。但粉碎得越细，耗 电燮增加，机械磨损严戴，设备稳定性变差，使用寿命降低。在湿法纤维酒精制粉浆王艺过程中主 要设餐有：簿选设备、区鸯磨设备、分离设备、压力簦簿冲击式胶体磨、赢速剪切撬。其孛薅选黪、 分离、压力曲筛均为常规淀粉制取的通用设备刚。 l 毒 第二章纤维类物料物性及其粉碎设备对比研究 2 3 1 燃料乙醇原料湿法粉碎盘磨机的应用性能 图2 6盘磨机的结构 f i g 2 石t 1 1 es t r u c t u r eo fd i s cr e f i n e r