第一章-生物质原料的处理

第一章生物质原料处理过程与设备,1、生物质原料筛选与分级2、生物质原料的粉碎3、生物质原料固体间的混合,第一节生物质原料筛选与分级,生物加工原料在很多情况下往往会混入沙土、石子甚至金属等杂物。进行生产前，必须先将原料中混杂的杂物除去。所以在生产前，原料的除杂、筛选与分级处理是十分必要的。,一、磁力除铁器,目的是将夹杂在原料中的小铁块、螺丝等金属杂物除去，磁选设备分永磁溜管和永磁滚筒。,1.永磁溜管,在溜管上有23个盖板，每个盖板上装有两组前后错开的磁铁。工作时，原料从溜管上端流下，磁性物体被磁铁吸住。连续磁选、拆板清理。,2.永磁滚筒,包括进料装置、滚筒、磁芯、机壳和传动装置等。磁芯，由锶钙铁氧体永久磁铁和铁隔板按一定顺序排列成170的圆弧形，安装在固定的轴上。磁芯一般固定不动。,二、筛选设备,生产中往往需要将粒度的不同物料分级，来进行不同的处理，这就需要筛选分级。筛选操作常常是将物料从筛的一端加入，并使其向筛的另一端移动，从而使尺寸小于筛孔的物料穿过筛孔落下，成为筛下物，而尺寸大于筛孔的物料经过筛面从筛的另一端引出。,1.震动筛,筛体内有三层筛面。第一层是接料筛面，筛孔最大，筛上物为大型杂质，筛下物为粮粒及大型杂物，筛面反向倾斜，以使筛下物集中落到第二层的过程中，筛条的棱对料产生切割作用，厚度约有筛孔的1/4，一层料及其中的细粒被棱切割而被筛下。常用筛子有两种：一种是由金属丝（或其他丝线）编织而成的；另一种是冲孔的金属板。筛孔的形状有圆形、正方形、长方形等。,2.圆筒分级筛,物料从小孔端进入，由大孔端排出，从而分出三个级粒。机理：圆筒用铁板冲孔后卷成，分层几节筒筛，布置不同孔径的筛面。圆筒用齿轮带动。筛分的大麦由分设在下部的2个螺旋输送机分别送出，未筛出的一级大麦从最末端排出。,三、精选机,颗粒状的生物质原料（如大麦、小麦）等必须进行精选和分级。常用的精选机有滚筒精选机和碟片精选机两种。,精选机理：利用带有袋孔（窝眼）的工作面来分离杂粒物料，袋孔中嵌入长度不同的颗粒，带升高度不同而分离。,1.碟片式精选机,机理：一组同轴安装的圆环形铸铁碟片，碟片的两侧工作面制成许多特殊形状的袋孔，当碟片在大麦堆中转动时，短粒物料被嵌入袋孔而被带到较高位置，由于孔底逐步向下倾斜，短粒物料受本身的重力作用从袋孔中倒出，落入收集槽中。长粒物料因长度较袋孔长，虽能进入袋孔，但其重心仍在袋孔之外，当碟片还未带到一定高度，即从袋孔中滑落，使长粒物料和短粒物料分离。,2.滚筒式精选机,主要构件是一个表面开有袋孔的旋转圆筒。长粒物料不能进入袋孔，在进料压力和滚筒倾斜的影响下向滚筒另一端移动流出，短粒物料则嵌入袋孔被带到较高位置，落入中央收集槽中，由螺旋输送机送出从而得到分离。,第二节生物质原料的粉碎,粉碎指大块固体物料破碎成小块物料，或小块物料进一步破碎成粉末状物料。挤压粉碎固体原料放在两挤压面之间，当挤压面施加的挤压力达到一定值后，物料即被粉碎。冲击粉碎物料受瞬时冲击力而被粉碎。磨碎物料在两相对运动的硬质材料平面或各种形状的研磨体之间，受到摩擦作用而被研磨成细粒。劈碎物体放在一带有齿的面和一平面间受挤压即劈裂而粉碎。剪碎物料在两个破碎工作面间，如同承受载荷的两支点（或多支点）梁，除了在外力作用点受劈力外，还发生弯曲折断。,粒径范围:粗碎.原料粒度401500mm，成品粒度550mm中细碎.原料粒度550mm，成品粒度0.15mm微粉碎.原料粒度510mm，成品粒度100m超微粉碎.原料粒度0.55mm，成品粒度1025m,一、粉碎设备,锤式粉碎机辊式粉碎机湿式粉碎机球磨机切片机超细粉碎机纳米粉碎机,1.锤式粉碎机,适用范围:中等硬度物料的中、细碎，脆性物料。工作原理：主轴上有钢质圆盘，盘上装有可拆换的锤刀。当圆盘随主轴高速旋转时，锤刀借离心力的作用而张开，将物料击碎，如遇过硬物料，则可以摆动让开，而不致损坏机器。优点：具有很高的破碎比（达10-50）单位产量能耗低、构造简单、结构紧凑、生产能力高缺点：机械磨损较大。,1.1锤刀,1.2筛面,用来控制粉碎程度，筛面采用铁板冲制。粉料通风的筛孔，孔径在1.5-2.5毫米之间，许多酒精厂所采用的筛孔大小都在此范围内。提高粉碎机效率的方法，一般有下列常用的几种：（1）采用密闭循环法，为了减少磨损，能较快地把大少不同的物料颗粒分开，将没有达到规定的颗粒，与已达到要求的细粉，一起通过筛面，再在粉碎机外部用单独的筛子，把不合要求的物料分离开来，重新回到粉碎机中进行粉碎。,（2）增加吸风装置，增加吸风机后，可以加速粉料离开筛孔，把粉碎机内已经粉碎好的细粉抽出来，提高了粉碎机的工作效率。据某厂采用后的经验，安装了旋风分离器，可以提高粉碎机的生产能力大约30%左右，而电耗也大为降低。（3）采用鳞状筛代替平筛。（4）采用湿式粉碎含水分较高的原料，会使粉碎带来困难，使锤碎机的筛孔被堵塞，粉碎效果显著降低，电耗也会增大。,1.3筛孔,筛板用以控制物料的粒度，筛板上有许多筛孔、筛孔直径根据产品粒度来确定。筛板上的孔有圆形或长条形，细粉碎机的筛孔多为圆形，粗粉碎机的筛孔多为长条形。筛板表面与锤刀顶端间隙对产品粒度有影响，产品粒度越小，间隙也越小，一般为5-10mm。,2.辊式粉碎机,辊式粉碎机广泛用于破碎粘性和湿物料块。啤酒厂粉碎麦芽和大米都是用辊式粉碎机，常用的有两辊式、四辊式、五辊式和六辊式等。,2.1两辊式粉碎机,两辊式粉碎机主要工作机构为两个相对旋转的平行装置的圆柱形辊筒。工作时，装在两辊之间的物料由于辊筒对物料的摩擦作用而被拖入两辊的间隙中被粉碎。两辊式粉碎机制造简便，结构紧凑，运行平稳。通常适于中碎和细碎。,依照装配结构可分为：（1）一个辊筒的轴承座可沿导轨滑移，另一辊筒轴承座固定；（2）两个辊筒轴承座均可沿导轨滑移。按照辊筒表面形状可分为：（1）辊筒表面光滑的；（2）辊筒表面有齿的；（3）辊筒表面有凸棱或凹槽的。按照粉碎工作原理可分为：（1）由挤压作用进行粉碎作业的；（2）由挤压、剪切与研磨作用联合作用进行粉碎作业的。,2.2四辊式粉碎机,四辊式粉碎机由两对辊筒和一组筛子所组成，原料经第一对辊筒粉碎后，由筛选装置分离出皮壳排出，粉粒再进入第二对辊筒粉碎。,2.3五辊式粉碎机,该机前三个辊筒是光辊，组成两个磨碎单元；后两个辊筒是丝辊，单独成一磨碎单元。通过筛选装置的配合，可以分离出细粉、细粒和皮壳。该机性能很好，如在啤酒加工过程中应用，通过调节可以应用于各种麦芽。,2.4六辊式粉碎机,该机性能与五辊式相同。它由三对辊筒组成，前两对用光辊，主要以挤压作用粉碎原料，可以使得生物质原料的皮壳不致粉碎得太细而影响后一工序的操作，如啤酒厂的麦芽汁过滤。第三对辊筒用丝辊，将筛出的粗粒粉碎成细粉和细粒，以利于糖化时充分浸出有用物质。,3.湿式粉碎机,生物加工工厂中，粉碎原料时，往往会逸出较多的粉尘，影响环境。为了避免这一缺点，在某些产品的生产过程中，采用湿式粉碎操作，其所用到的粉碎机称为湿式粉碎机。湿式粉碎设备主要包括：输料装置、加料器、粉碎机和加热器等几部分。从粉碎机出来的粉浆进入加热器，利用蒸煮工段放出的二次蒸汽预热至一定温度后备用。,4.球磨机,目前工业上广泛应用的粉磨机械。由转筒和硬质球体组成。球体随筒旋转而升起，当球的重力大于所受的离心力时落下，对物料产生撞击，同时靠近筒壁的物料也可为圆球所研磨。研磨体装填量、尺寸大小的配合直接影响球磨机的操作质量。在细磨粒度较大时，研磨体的尺寸要大些，装填量少些，使冲力作用加强。,分类,按照筒体长径比不同，可分为（1）短筒球磨机，或称球磨机，其长径比在2以下；（2）中长磨，其长径比在2.5-3.5之间；（3）长磨，其长径比大于3.5。按卸料方式分为中心卸料球磨机，周边卸料球磨机和中间卸料球磨机。中心卸料球磨机是通过卸料端的空心轴颈卸料。周边卸料和中间卸料球磨机都是通过装在筒体上的卸料孔、筛网等专用卸料装置卸料。,分类,按传动方式分（1）周边传动：在球磨机筒体一端装有齿圈，而电动机通过减速箱驱动小齿轮而拖动齿圈使球磨机连续回转。（2）中心传动：由电动机经减速箱、联轴器而直接与球磨机轴颈连接而驱动，这种传动方式结构紧凑，传动效率高。按球磨机筒支承方式分（1）两端轴颈用轴承支承的球磨机（2）筒体一端轴颈用轴承支承，而另一端用托轮支承的球磨机（3）用两组托轮支承的球磨机。,5.切片机,刀具在切削加工时作圆弧运动，具有一个向下向前的速度。由步进电机驱动的进给机构做连续进给，若使进给速度和刀具切削的转速相配合，就能达到连续均匀切削的目的。,5.1LQ型切片机,是将加热的液体原料，通过不锈钢内冷却转辊在设备的料槽内转动粘带，至前部的可调节式切片刀装置对其进行切片，从而完成的液体经冷却切片转换为固体片料，也可对液体经冷却变为结晶体的原料进行切片。,5.26PSL-500型切片机,定切片机固定于定位环外侧，将原料放到螺旋刀盘的喂入轨道上（最好插入支承刀管内），起动电机，原料随转盘一起转动。在旋转过程中，原料产生的离心力，使之沿喂入导轨和支承刀管内孔迅速前移，顶到外侧定位环上，固定于定位环外侧的定切片刀，按照预定的厚度不断地定向、连续切削原料。切片在旋转切向力的作用下，往外抛出落入接料斗中，当盘内的原料切完后，停车，喂入原料继续切片。,性能特点：,（1）由于采用离心式切片原理，使原料受力较均匀，从而获得较均匀的原料。切片后不留或留有很小的尾端，原料利用率高；（2）调节范围大，应用范围广，适用于切割各种不同厚度的片状物料；（3）采用多把定切片刀，若干个喂入导轨及支承杆同时连续切片，生产率高；（4）耗能少、结构紧凑、安全、省时、省工、省力，操作和调节方便。,6.超细粉碎机,生物材料的超细粉碎除了使产品的粒度微细化外，还需保持产品的有效成分及营养物质不受氧化和损坏，不引入污染杂质，尽可能保持和改善产品的生化特性和风味等；另外，生物材料一般多含水分、纤维素、糖分、蛋白质及其它生物活性物质，使得加工过程中粘度大、韧性强、抗热性差，因而使物料的粉碎和分级较为困难。,7.纳米粉碎机,纳米粒子一般是指颗粒尺寸在1nm到100nm之间具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应的超细粒子，该粒子具有的比表面积、表面原子数、表面能和表面张力很大，且随粒径的下降急剧增加，因而展现出许多特有的性质。CF气流超细粉碎机气流粉碎机的基本原理是利用空气、蒸汽或其他气体通过一定压力的喷嘴喷射产生高度的湍流和能量转换流，物料颗粒在这高能气流作用下悬浮输送，相互发生强烈的冲击、碰撞和磨擦，加上高速喷射气流对颗粒的剪切冲击作用，使得物料颗粒间得到充分的研磨而粉碎成细小粒子。,爆炸冲击粉碎法,上部为装填一定量硬团聚粉体的柱状金属容器，容器外围包裹了一层配制炸药。当上方的炸药起爆时，在容器外围自上而下产生强烈的柱面聚合激波使金属容器也自上而下发生剧烈收缩运动，并导致容器内的粉体和气体产生高速向心对流和向下的旋流运动，当收缩气流达到一定压力时，还有一部分粉体随气流运动通过减压阀经管道到达收尘器。,多层次分级纳米球磨技术,1为驱动装置，使之完成双向反复运动；2为粉碎装置，可由多个或十几个机腔构成；3为收集装置，可将纳米粉末收集后不断流出；4为进料装置，可直接添入微米粉末，也可联接普通粉碎机及气流粉碎机上。,主要特点,（1）多层次分级纳米球磨技术可将动、植物及其他制品在30-60min内粉碎成100nm以下粉末，可为纳米产品产业化提供最新的粉碎机械；（2）多层次纳米粉碎技术可在多层次机腔中进行粉碎并分级流动，直至流动到最后一层而从出料口流出100nm以下粉末；（3）多层次分级的粉碎机腔内设有多种弧形角度使钢球无定向撞击从而减少撞击盲点；,（4）为了克服定向运转造成的钢球定向运动，多层次分级纳米球磨技术采用双向反复运转运动使钢球在机腔内进行无定向撞击；（5）多层次分级纳米球磨技术利用多层次连续粉碎，使钢球在机腔内无定向撞击而使粉体在流动中达到100nm以下粉末是最新的纳米粉碎技术，可为大规模加工纳米粉体的产业化提供纳米粉碎机械。,第三节生物质原料固体间的混合,固体混合依靠机械作用，粒状成分在混合的同时，因为性质差别，同时伴以分离过程，所以，这种混合只能达到总体的均匀而不能达到局部的均匀性,一、固体混合的机理,固体混合的机理对流混合：固体粒子的循环流。剪切混合：粒子间相互滑动和撞击产生。扩散混合：存在状态不同而产生的局部混合作用。,二、混合设备,混合设备有两种，一种是不能转动的固定型混合机；一种是可以转动的回旋型混合机。1回旋型混合机：有水平圆筒型、倾斜圆筒型、V型、双锥形、立方体形等。如图1-26。水平圆筒型混合机与倾斜圆筒型混合机水平圆筒型混合机仅靠扩散作用混合，效率低。倾斜圆筒型混合机混合效果较好，有两种倾斜方式，两轴心重合并与水平面成一定角度，物料作螺旋混合。另一种是圆筒轴和旋转轴成一角度，物料呈复杂的环状移动。,V型混合机由两个圆筒V型交叉结合，交角80或81，减小交角可提高混合程度。主要靠粒子反复的分离与合一而达到混合作用。双锥型混合机由一个短圆筒两端各与一个锥形