纤维素类生物质连续水解的方法及其装置

摘要

本发明公开了纤维素类生物质连续水解的方法，将混有水分的固体生物质物料进料输送到内设有变螺距螺旋推动杆的卧式平推流反应器中，同时将反应液输入反应器中，混合物在变螺距螺旋推动杆的推动下前进，实现固液分离，固体残渣输入到垂直逆流床，通过等螺距立式螺旋推动杆向上输送，同时从垂直逆流反应器的上方输入反应液，最后在垂直逆流反应器的上部收集固体残渣，下部收集纤维素水解液。还包括实现该方法的装置，具有连续进料气锁系统、卧式平推流反应器、垂直逆流反应器，所述卧式平推流反应器内设有变螺距螺旋推动杆，其包括进料段、主反应段和压榨段，该进料段与连续进料气锁系统连通，卧式平推流反应器通过残渣输送装置与垂直逆流反应器连通。

说明书

技术领域

本发明涉及到生物质技术领域，尤其是一种纤维素类生物质连续水解的方法以及装置。

背景技术

随着大量化石燃料能源的不断消耗带来的能源危机和环境压力，开发可再生能源已经日益受到人们的重视。在众多新能源中，生物质能研究已经成为可再生能源研究的热点。生物质是一种可再生清洁能源资源，通过木质纤维素类生物质水解来制取燃料乙醇来代替部分化石燃料，缓解石油危机的有效方法之一。

木质纤维素类生物质作为最有前景的燃料乙醇生产原料，其生产工艺包括水解生成可发酵糖，糖发酵为乙醇以及乙醇的脱水提纯。其中的难点在于水解生产可发酵糖，木质纤维素类生物质水解的方法有酸水解和酶水解法，其中的超低酸水解方法日益受到重视。

酸水解反应器的研究对于酸水解技术的发展及应用具有重要推动作用。1932年德国开发出稀酸浸滤工艺，即Scholler process，该装置很简单，只是将稀酸溶液泵入木片床；二战中，美国林产品实验室(FPL)改进了Schollerprocess，产生Madison wood sugar process工艺，生产能力大幅度提高，后经过TVA等的多次改进，1952年出台了稀酸水解渗滤床反应器(percolationreactor)，目前仍是生物质糖化最简单的方法之一，且成为发明新方法的基准。

20世纪70年代后期至80年代前期，有关稀酸水解系统的模型和实验研究成为热点，通过动力学模型研究及工艺设计实践，研究者认识到高的固体浓度，固液的逆向流动以及短的停留时间是提高糖得率的关键；1983年由Stinson提出二阶段稀酸水解工艺，其原理是依据半纤维素和纤维素的水解条件不同，以不同的反应条件分开水解；近十年来研究热点在于开发新的反应器及其理论模型以提高稀酸水解产率；寻求新的水解工艺，如超低浓度酸的水解，有机酸水解等；对影响因素及水解机理更加深入的研究。新型反应器主要有逆流水解，收缩床水解，交叉流水解及其组合等。

国内有关纤维素类生物质水解反应器研究的专利主要有：CN1624076A生物质超低酸水解制取液体燃料装置，ZL200720054772.9纤维素类生物质水解装置，CN1927874A生物质连续稀酸催化水解制取单糖的方法及其装置。前两个专利是超低酸水解间歇反应器及压缩渗滤装置，只能实现间歇的反应和半连续反应，效率低，很难用于工程应用；第三个专利实现了生物质一步法的连续稀酸催化水解，因生物质的酸水解，是连串反应，糖类是中间产物，采用一步法水解，很难控制糖类产物的进一步降解，影响水解的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以实现纤维素类生物质的两步连续水解的方法及其装置，以提高反应糖得率，并有利于产物的分别收集利用，为其工业化实施作铺垫。

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：纤维素类生物质连续水解的方法，包括如下步骤：

(1)将混有水分的固体生物质物料输送到内设有变螺距螺旋推动杆的卧式平推流反应器中；

(2)同时将超低酸或高温液态水的反应液输入到卧式平推流反应器中，固体生物质物料与反应液的混合物在变螺距螺旋推动杆的推动下前进；

(3)上述混合物在卧式平推流反应器中在180-220℃，3.0-4.0MPa的条件下发生反应，然后通过变螺距压榨实现固液分离；

(4)固体残渣输入到垂直逆流床，通过垂直逆流反应器内的等螺距立式螺旋推动杆向上输送，同时从垂直逆流反应器的上方输入超低酸反应液，实现逆流反应；

(5)最后在垂直逆流反应器的上部收集固体残渣，下部收集纤维素水解液。

该固体生物质物料为半纤维素、纤维素和木质素的混合物。

包括有连续进料气锁系统、卧式平推流反应器、垂直逆流反应器，所述卧式平推流反应器内设有变螺距螺旋推动杆，其包括进料段、主反应段和压榨段，该进料段与所述连续进料气锁系统连通，在压榨段后的卧式平推流反应器的一端上连接有残渣输送装置，该残渣输送装置另一端与所述垂直逆流反应器连通。

所述垂直逆流反应器内设有等螺距立式螺旋推动杆，在该反应器顶部设有反应液喷头。

所述连续进料气锁系统和卧式平推流反应器之间通过原料预混装置连通，还包括有与所述压榨段连接的液体产物收集器。液体产物收集器用于将反应后的液体产物收集，使得固体残渣能更方便、更充分地进入到后续装置中。

在所述压榨段和液体产物收集器之间连接有冷却装置。冷却装置的设置可用于迅速降温，终止反应。

所述垂直逆流反应器上端设有反应残渣收集器及与其连通的残渣出料装置。残渣出料装置用于将最后反应阶段的反应残渣物收集。

在所述卧式平推流反应器和垂直逆流反应器外层设有保温层。保温层的设置能保证反应器的恒定反应温度。

所述残渣输送装置、残渣出料装置的螺旋叶片采用锯齿叶片。锯齿叶片有很好的搅拌和松散作用，利于物料在反应器中反应的均匀性。

纤维素类生物质连续水解方法通过把生物质中的半纤维素和纤维素在不同条件下分别连续水解来提高反应的糖得率。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、采用两步水解法，把生物质中的半纤维素和纤维素在不同条件下分别连续水解，避免了水解产物的进一步降解，提高了水解效果。

2、采用平推流反应器水解半纤维素，其水解过程及结果均优于传统的罐式搅拌反应器。纤维素在垂直逆流反应器中水解，处理效果好于并流反应器。

3、整个纤维素类生物质连续水解装置包括了给料系统、生物质水解反应系统和产物收集系统，实现了真正的连续操作。

附图说明

图1为纤维素类生物质连续水解装置示意图；

图2变螺距螺旋推动杆示意图；

附图标记说明：1、连续进料气锁系统，2、卧式平推流反应器，3、垂直逆流反应器，4、液体产物收集器，5、反应残渣收集器，6、残渣输送装置，7、反应液喷头，8、原料预混装置，9、保温层，10、冷却装置，11、等螺距立式螺旋推动杆，12、残渣出料装置，13、变螺距螺旋推动杆，14、纤维素水解液收集器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

如图1所示，本实施例装置包括连续水解装置由给料系统、生物质水解反应系统和产物收集系统组成，其中给料系统通过一个球形气锁装置来实现向高温高压进料；反应系统包括半纤维素水解的平推流反应器和纤维素水解的垂直逆流反应器；产物收集系统包括液体产物和固体残渣的收集。

具体包括有，连续进料气锁系统1、卧式平推流反应器2、垂直逆流反应器3。卧式平推流反应器2内为变螺距螺旋推动杆13，包括进料段A、主反应段B和压榨段C。在进料段A设有反应物进料口，与连续进料气锁系统1连通，压榨段C设有产物出料口，并连接有残渣输送装置6。

连续进料气锁系统1和卧式平推流反应器2之间通过原料预混装置8连通，还包括有与所述压榨段C连接的液体产物收集器4，并在压榨段C和液体产物收集器4之间连接有冷却装置10

垂直逆流反应器3内为等螺距立式螺旋推动杆11，在反应器顶部设有反应液喷头7。同时顶部设有残渣出料装置12和反应残渣收集器5，在底部设有纤维素水解液收集器14(包含有冷却装置10，该冷却装置中可充入高压氮气以保证低温效果)。其中残渣输送装置6和残渣出料装置12采用小段螺旋输送方式，螺旋转速采用调频变速器来调节，螺旋叶片采用锯齿叶片；而反应残渣收集器5上可连接冷却水以保证收集器内的低温。

以稻草为水解原料为例，将粉碎的稻草通过球型的连续进料气锁系统1送入到原料预混装置8，与流入的高温液态水的反应液混合，然后压入卧式平推流反应器2反应，经压榨段C压榨，反应后的半纤维素水解液进入液体产物收集器4，同时经其冷却装置10冷却，而反应残渣被推入残渣输送装置6，最后送入到垂直逆流反应器3，被等螺距立式螺旋推动杆11螺旋推动上升，在残渣向上输送的过程中同时有反应液从垂直逆流反应器3的顶部反应液喷头7喷出从而实现垂直逆流反应器3的逆流反应。反应结束后残渣通过反应器3顶部的残渣出料装置12推出到反应残渣收集器5，同时喷下冷水冷却，而水解反应液经垂直逆流反应器3下部的纤维素水解液收集器14收集，同时经其冷却装置冷却。

本发明中采用的为木质纤维素类生物质，包括木材、木屑、农作物秸秆等农林废弃物、草类以及回收的纸张等纤维类物质。在该变螺距螺旋推动杆的首端设置有法兰固定，并通过推力轴承和电机带动该推动杆转动。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。