蒸汽爆破技术在秸秆类原料厌氧发酵预处理中的应用

张 红 赵志斌 王鲁民

青岛中科华通能源工程有限公司 山东 青岛 266000

我国是农业大国，农作物秸秆资源丰富。据统计，2016年我国农作物秸秆产量达到7.9亿吨[1]。农作物秸秆含有大量有机质和营养元素，其中蕴含大量化学能，将其作为厌氧消化制沼气原料，将可有效缓解我国城镇化进程与农村环境之间的矛盾，优化农村地区能源结构。秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，秸秆表面蜡质层、纤维素结晶区、纤维素被木质素和半纤维素覆盖保护等结构因素，导致秸秆厌氧发酵存在停留时间长、利用率较低等问题。因此，在厌氧发酵前对秸秆进行预处理，破坏其大分子复杂结构，是提高其利用效率、推进秸秆资源化利用的有效手段。蒸汽爆破法由于其处理时间短、无二次污染、处理效果好等优点，是当前秸秆预处理研究热点[2]。

1 蒸汽爆破工艺流程

蒸汽爆破装置主要蒸汽锅炉、反应器、爆炸罐三部分组成，其中蒸汽锅炉为反应器提供高温高压蒸汽，达到一定压力并维持一段时间后，通过爆破阀控制突然降压，减压过程中，秸秆原料从反应器中排出，并在爆炸罐中回收。

2 蒸汽爆破作用机理

蒸汽爆破是利用高温高压水蒸气对秸秆进行蒸煮处理，并通过瞬间降压的方式产生爆炸效果，利用反应器与大气压力之间的压力差产生的剪切力破坏木质纤维素大分子复杂结构。蒸汽爆破存在以下4方面作用：

（1）类酸性水解及热降解作用。高温高压蒸汽侵入秸秆纤维内部空隙，在水蒸气和热的联合作用下，纤维原料出现类酸性降解和热降解，低分子物质溶出，纤维聚合度下降。

（2）类机械断裂作用。高压蒸汽瞬间释放时，深入秸秆纤维内部的热蒸汽分子高速释放，该作用使纤维产生机械断裂现象，秸秆表面蜡质层及内部的无定形区和部分结晶区也遭到破坏。

（3）氢键破坏作用。高温高压水蒸气渗入秸秆纤维各空隙中并于纤维素分子链上的部分羟基形成氢键。同时，高温高压含水条件下，纤维素内部的氢键会遭到破坏，并游离出新的羟基。高压蒸汽瞬间释放时，氢键断裂的同时，纤维素所处环境也会急速冷却至室温，使纤维素超分子结构被保留，增加了纤维素的吸附能力，并进一步引起残留氢键的破坏，加速了葡萄糖环基的运动，最终导致其他晶区破坏。

（4）结构重排作用。秸秆纤维素分子氢键受到破坏后，纤维素链的可动性增加，使纤维素链发生再排列作用，有助于向有序结构变化[3-4]。

3 蒸汽爆破影响因素

（1）秸秆收获期及粒径

秸秆收获期不同，其含水率差异较大（一般来说，秸秆含水率随着秸秆收获期的变长而逐渐降低），其纤维素、半纤维素、木质素和其他化学成分的含量也不相同，且大分子缠绕结构的强度也不尽相同，导致在蒸汽爆破预处理过程中，其预处理效果也产生非常大的差异。另外，秸秆粒径也是影响爆破预处理效果的重要因素，实验结果表明，秸秆粒径低于10mm时，其预处理能耗较高，且处理效果也不理想。

（2）反应器中蒸汽压力及稳压时间

秸秆原料在高温高压含水情况下，秸秆原料被软化，内部木质纤维素结构间的粘结力受到削弱，瞬间降压式，秸秆在内外部压力差得冲击下迅速膨胀，从而导致秸秆内部木质纤维素结构被破坏。因此，反应器中蒸汽压力越高、稳压时间越长，瞬间降压爆破后的预处理效果越好。但蒸汽压力越高、稳压时间越长其能耗越高，且在到达一定程度后，其效果将维持在一个比较稳定的状态。实验结果表明，蒸汽压力在1.5mpa，稳压4min，其耗能和与处理效果较理想[5]。

4 技术前景

秸秆厌氧发酵制沼气技术是当前比较热门的研究课题，传统的化学处理法、机械处理法在不同程度上存在二次污染、能耗高、处理效果不理想等问题。蒸汽爆破预处理技术具有处理时间短、处理设备占地面积小、无二次污染等优点，随着秸秆厌氧发酵制沼气工程项目的开展，其前景可期。但该技术也存在一定缺陷，如木质素分离不完全、营养物质损失大、能耗高、设备投资大、工作环境恶劣等。

笔者认为，该技术今后的研究将集中在以下几点：（1）开发自动化、标准化、连续型蒸汽爆破装置；（2）进一步优化蒸汽爆破压力、稳压时间等工艺参数；（3）蒸汽爆破技术与其他化学方法、机械方法相结合的高效预处理技术研究等。