CN101768538B - 卧式多螺旋生物质连续水解糖化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卧式多螺旋生物质连续水解糖化装置及方法，包括有用于存储和连续输送反应原料的原料储存输送***，在原料储存输送***的输出端连接有用于充分搅拌并压缩固体和液体反应原料的主体反应段，在原料储存输送***的输入端连接有用于调节反应温度的热量提供***，在主体反应段输出端连接有用于将固体物料和液体物料分离的反应后续处理***。该本发明装置为真正意义上的连续水解糖化，可以连续地进行物料添加以及水解残渣的排出，有效地提高了生产效率；真正实现了水解反应的连续性，对于大型工业化生产奠定了基础。

Description

卧式多螺旋生物质连续水解糖化装置及方法

技术领域

本发明涉及到生物质制取液体燃料技术领域，尤其是一种生物质糖化发酵制取燃料乙醇的方法，以及适用于该方法规模化生产的新型连续装置。 

背景技术

传统化石燃料的不可再生性成为现代工业化前进的阻碍，成为各国关注并极力解决的焦点问题。同时，传统化石燃料的大量使用也给环境造成了很大的压力，全球气候变化以及各种自然灾害的发生，使人们意识到只有开发新型的环境友好型可再生能源才是人类可持续发展的根本。 

生物质作为一种清洁的可再生能源，可以有效的解决化石燃料短缺以及温室气体大量排放的问题。新型技术的开发，可以将农业，林业等生产所产生的废弃生物质资源有效地加以利用来生产新型的燃料。生物质原料制取燃料乙醇被认为是一种最有效、最直接、最具有工业化潜力的利用方式。该技术的生产工艺主要分为生物质原料水解糖化过程、可发酵糖的发酵以及乙醇提纯的过程，其中如何得到高的可发酵糖浓度以及可发酵糖收率是该工艺需要解决的关键技术问题。 

生物质水解糖化过程主要可分为酸水解和酶水解两类，其中酸水解的处理方式较为普遍，因为酸水解不仅可以作为直接糖化生物质的方法而且还被广泛地用做酶水解的预处理方法。随着人们对环境保护的重视以及浓酸对反应装置的损害，稀酸、超低酸以及高温液态水水解糖化生物质技术日益受到人们的关注。 

生物质酸水解技术的发展过程也是酸水解反应器不断发展变化的过程。第一代酸水解反应器为固定床反应器，该反应器具有水解效率高，操作简单的优点，但水解过程中造成大量的可发酵糖损失，后来该反应装置多用于实验室内的动力学研究。渗滤式反应器为第二代酸水解反应装置，随着反应的进行，酸液穿过生物质原料床层，具有有效地缩短糖液在反应器内的停留时间以及酸液与固体物料接触充分，水解效率高的优点，目前大型中试规模的生产多采用该类型的装置。第一代和第二代酸水解装置均是间歇式反应器，具有劳动强度大、占地面积大、劳动生产率低等缺点，限制了燃料乙醇工业的发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术反应器无法连续反应导致劳动强度大、生产率低的技术问题，提供一种可以进行生物质原料的连续添加以及水解残渣的连续排出，实现水解糖化过程的连续化，有效地提高劳动生产率以及设备利用率的水解糖化装置及方法。 

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：卧式多螺旋生物质连续水解糖化装置，包括有用于存储和连续输送反应原料的原料储存输送***，在原料储存输送***的输出端连接有用于充分搅拌并压缩固体和液体反应原料的主体反应段，在原料储存输送***的输入端连接有用于调节反应温度的热量提供***，在主体反应段输出端连接有用于将固体物料和液体物料分离的反应后续处理***。 

所述原料储存输送***包括原料罐，原料灌中轴线上设有搅拌轴，设置于搅拌轴上的机械密封及液体输送装置，所述原料灌上设有测温口、压力显示器和压力平衡管线；在原料罐内、围绕搅拌轴设有螺旋搅拌器，在搅拌轴的旁侧、原料罐内还设有折型搅拌器，在所述原料灌的底端分别设有预处理液排出口和固体物料输送口，所述固体物料输送口与主体反应段连通，所述机械密封及液体输送装置与所述热量提供***连接。通过螺旋搅拌器和折型搅拌器双罐交替进料，简易地实现生物质物料的连续输送；独特的折型与螺旋型搅拌器的结合，可以有效地实现液体物料均匀混合以及松散物料的作用；通过外部输入过热蒸汽和液体来对整个原料罐体加温，与传统加热方式相比具有加热效率高，反应时间控制准确的优点；此原料罐可以作为生物质物料第一步处理的反应器，通过预处理液排出口将第一步反应液体收集，有效地提高了物料在主体反应段的水解效果，同时降低了早期产生可发酵糖的损失。 

所述主体反应段包括轴设在主体反应段内的螺旋进料器，该螺旋进料器分为原料输送段，原料压缩段，原料压缩后平推段,在所述主体反应段的外侧开有多个液体加入口,所述原料储存输送***的输出端连接在靠近原料输送段的主体反应段入口处，在主体反应段内还设有主体反应段测温口。主体反应段内可 以将原料进入的固体及液体物料通过输送段运输后进行一定比例的压缩，便于液体产物的排出，减少可发酵糖的降解；主体反应段包括五个液体的加入口，该液体加入口的作用是将部分反应液与原料呈现逆流式加入，便于固体与液体的混合，促进反应的进行；主体反应段在螺旋进料器中设计一个测温口，该测温口测得的温度为***稳定时的内部温度，可以准确地确定稳定状态的反应温度。 

所述反应后续处理***包括排渣螺旋推进器，固液分离装置，渣料排出装置，液体物料冷凝罐，固体渣料储罐，所述排渣螺旋推进器和渣料排出装置相互平行倾斜设置，渣料排出装置从低端到高端依次分为渣料输送段和渣料压缩段，排渣螺旋推进器低端的上方与主体反应段的输出口连通，排渣螺旋推进器高端的下方与所述渣料输送段连通，渣料压缩段的尾部与所述固体渣料储罐连通，在所述排渣螺旋推进器和渣料输送段的下端分别连接有固液分离装置，该固液分离装置下端与所述液体物料冷凝罐连接；在排渣螺旋推进器和主体反应段输出口之间设有渣料段测温口；所述液体物料冷凝罐上设有液体物料冷凝罐测温口，在固体渣料储罐上、以及靠近渣料压缩段的位置处分别设有第一固体渣料罐测温口和第二固体渣料罐测温口。固体渣料通过倾斜设置的排渣螺旋推进器向前推进，液体物料在低端通过压力差放出；排渣段采取二级螺旋推进装置，第一级排出的物料可以集中在第二级螺旋输送装置上，便于对物料的挤压。通过挤压，可以达到双重目的，一是将固体物料与液体物料很好地分离，便于液体物料的排出，二是可通过物料与螺旋壁的挤压起到密封的作用。 

所述固体渣料储罐与渣料排出装置之间通过固体渣料***阀连接。固体渣料***阀作为螺旋密封的补充，可以有效地保障***内部的压力。 

所述热量提供装置包括依次连接的液体输入泵和蒸汽发生器，所述蒸汽发生器连接到所述原料储存输送***。通过调节蒸汽发生器的温度，来产生工艺条件所需的高温过热蒸汽，以提供整套***所需的部分热量。 

所述折型搅拌器包括与搅拌轴上端连接的横杆，该横杆远离搅拌轴的端部上设有折杆，该折杆贴近所述原料罐内壁设置，折杆的底端延伸到所述原料灌的底端，在所述横杆和折杆上分别开设有多个喷射孔。折型搅拌器与螺旋搅拌 器配合进行原料的搅拌与输送，折型搅拌器通过内部喷射孔将液体反应物喷洒在生物质物料上面，在达到均匀混合的前提下提前对生物质物料进行浸润；并且在转动过程中，将原料罐内内壁附近的物料向中间移动，以便对螺旋搅拌器进行物料供给。 

本发明还提供一种卧式多螺旋生物质连续水解糖化的方法，包括有如下步骤： 

(1)预处理反应：将生物质原料加入到原料罐中，通入反应液(蒸汽、蒸汽和酸液或者蒸汽与其它能够使生物质发生水解反应的化学溶液)，进行第一步预处理反应；经第一步反应后的生物质原料，在螺旋搅拌器和折型搅拌器的搅拌作用下连续进料到主体反应段中以进行第二步水解反应； 

(2)加热：过热蒸汽输入到主体反应段中并结合热量提供***为主体反应段加热，以达到预定的反应温度； 

(3)排液：当步骤(1)中的第一步反应达到第一预定反应时间后，排出预处理反应中生成的反应液，经冷却后储存； 

(4)调节主体反应段内螺旋进料器的转速，以满足反应物料在主体反应段内的停留时间； 

(5)在第二预定反应时间后，调节反应后续处理***中渣料排出装置内的螺旋轴的转速与主体反应段内螺旋进料器的反应渣料排出速度相匹配； 

(6)将在反应后续处理***中反应产生的液体产物排出，在冷凝后进行保存； 

(7)在第三预定反应时间后，开启反应后续处理***中的固体渣料***阀，将渣料排出装置内排出的固体水解残渣收集到固体渣料储罐内。 

本发明与现有技术相比，具有如下优点： 

1、该本发明装置为真正意义上的连续水解糖化，可以连续地进行物料添加以及水解残渣的排出，有效地提高了生产效率；真正实现了水解反应的连续性，对于大型工业化生产奠定了基础。 

2、通过机械装置的搅拌，固体物料与液体物料可以均匀混合，以提高反应效率。蒸汽以及高温液态水具有很好的热传递效果，可以快速地使反应***达到设定温度，以达到准确控制反应时间的效果；

3、反应液可以及时排出反应***，最大限度地降低了生成可发酵糖的降解； 

4、采用双螺旋作用排渣，实现了良好的固液分离效果，并通过对渣料的挤压，尽可能地回收糖液。 

5、该装置可以分步进行水解糖化反应，一次性完成两步水解，无需更换其它装置； 

6、该装置的设计，可以满足稀酸水解、超低酸水解以至高温液态水水解糖化工艺，并且原料选取广泛，基本生物质原料（木屑、玉米秸秆、稻草、甘蔗渣等）均可用于该套连续装置。 

附图说明

图1为本发明装置结构示意图； 

 附图标记说明：1-原料储存输送***，10-原料罐，11-搅拌轴，12-机械密封及液体输送部分，13-测温口，14-压力显示器，15-压力平衡管线，16-折型搅拌器，161-横杆，162-折杆，163-喷射孔，17-螺旋搅拌器，18-预处理液排出口，19-固体物料输送口，2-主体反应段，21-液体加入口，22-主体反应段螺旋进料器，221-原料输送段，222-原料压缩段，223-原料压缩后平推段，23-主体反应段测温口，3-反应后续处理***，31-渣料段测温口，32-排渣螺旋推进器，33-固液分离装置，34-渣料排出装置，341-渣料输送段，342-渣料压缩段，35-第二固体渣料罐测温口，36-固体渣料***阀，37-固体渣料储罐，38-第一固体渣料罐测温口，39-液体物料冷凝罐，310-液体物料冷凝罐测温口，4-热量提供装置，41-液体输入泵，42-蒸汽发生器。

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： 

请参阅图1所示，卧式多螺旋生物质连续水解糖化装置，包括有用于存储和输送反应原料的原料储存输送***1，在原料储存输送***1的输出端连接有用于充分搅拌并压缩固体和液体反应原料的主体反应段2，在原料储存输送***1的输入端连接有用于调节反应温度的热量提供***4，在主体反应段2输出端 连接有用于将固体物料和液体物料分离的反应后续处理***3。 

将生物质原料经过原料储存输送***1中的第一步预处理后连续地输送进入反应***中，在主体反应段2中的螺旋推进器的推进作用下进行水解反应，通过固液分离器进行固液分离，固体渣料通过多级螺旋的作用连续地排出反应***外部。该装置可以适用于生物质原料的酸处理、高温液态水处理以及在其它化学介质中制取化学品。 

对本发明的具体结构说明如下： 

原料储存输送***1包括原料罐10，原料灌10中轴线上设有搅拌轴11，设置于搅拌轴11上的机械密封及液体输送装置12，机械密封及液体输送装置12的一端设置在原料灌10内，另一端设置在原料灌10外并与热量提供***4连接，在原料灌10上设有测温口13、压力显示器14和压力平衡管线15；在原料罐10内、围绕搅拌轴11设有螺旋搅拌器17，在搅拌轴11的旁侧、原料罐10内还设有折型搅拌器16，在原料灌10的底端分别设有预处理液排出口18和固体物料输送口19，固体物料输送口19与主体反应段2连通；原料储存输送***1可以进行第一步预处理反应，采用两罐交替进料以及其内部两种搅拌器。 

折型搅拌器16包括与搅拌轴11上端连接的横杆161，该横杆161远离搅拌轴11的端部上设有折杆162，该折杆162贴近所述原料罐10内壁设置，折杆162的底端延伸到原料灌10的底端，并靠近在预处理液排出口18的上方，在横杆161和折杆162上分别开设有多个喷射孔163。搅拌轴11旋转带动横杆161转动，并驱动折杆162沿原料灌10内壁转动，能将处于原料罐周围的物料向搅拌轴11位置移动，以便对螺旋搅拌器进行物料供给。 

主体反应段2采用变螺距的螺旋推进器，包括轴设在主体反应段2内的螺旋进料器22，该螺旋进料器22分为用于输送来自原料灌10内原料的原料输送段221，以及压缩该些原料的原料压缩段222，原料压缩后平推段223，在主体反应段2的外侧开有多个液体加入口21，原料储存输送***1的输出端(即原料罐10的输出口)连接在靠近原料输送段221的主体反应段2入口处，在主体反应段2内还设有主体反应段测温口23。 

反应后续处理***3采用两级螺旋结合排渣，其包括变螺距的排渣螺旋推进器32，固液分离装置33，渣料排出装置34，液体物料冷凝罐39，固体渣料 储罐37，排渣螺旋推进器32和渣料排出装置34相互平行倾斜设置，渣料排出装置34从低端到高端依次分为渣料输送段341和渣料压缩段342，排渣螺旋推进器32低端的上方与主体反应段2的输出口连通，排渣螺旋推进器32高端的下方与渣料输送段341连通，渣料压缩段342的尾部与固体渣料储罐37连通，在排渣螺旋推进器32和渣料输送段341的下端分别连接有两个固液分离装置33，每个固液分离装置33下端与液体物料冷凝罐39连接；在排渣螺旋推进器32和主体反应段2输出口之间设有渣料段测温口31；液体物料冷凝罐39上设有液体物料冷凝罐测温口310，在固体渣料储罐37上、以及靠近渣料压缩段342的位置处分别设有第一固体渣料罐测温口38和第二固体渣料罐测温口35。 

热量提供装置4包括依次连接的液体输入泵41和蒸汽发生器42，蒸汽发生器42连接到所述原料储存输送***1，本实施例采用过热水蒸汽加热，同时还可以在反应器外部配以辅助加热措施。 

为保证反应***内的压力，在固体渣料储罐37与渣料排出装置34之间通过固体渣料***阀36连接。 

本发明中涉及的卧式多螺旋生物质连续水解糖化装置，主要应用于生物质制取燃料乙醇领域中的水解糖化工段，目的在于对生物质原料进行水解糖化处理，以产生可发酵糖。 

本发明中以木质纤维素为主要化学成分的生物质材料，包括农林废弃物，包括木屑、农作物秸秆、稻草以及回收的纸张等。但不局限于此，其适用性包括满足一定粒度、与上述所述生物质物料具有相同特性的生物质材料。 

本实施例中以木屑作为生物质原料说明，具体操作步骤为： 

(1)将木屑加入原料储存输送***1中的原料罐10内，待蒸汽发生器42所产生的蒸汽达到预定温度时，向之前已添加过原料的原料罐中通入蒸汽和酸液或者通入蒸汽和水或者仅通入蒸汽。通过计量泵控制液体的流量，在达到一定液固比时关闭计量泵进行生物质原料的第一步处理； 

(2)在步骤1进行的过程中，通过液体入口21将过热蒸汽通入主体反应段2内，结合其它热量提供装置对反应装置进行加热，以达到预定的反应温度； 

(3)在步骤1中的第一步反应达到预定反应时间后，开启预处理液排出口18将反应液排出，排出的反应液进入冷却装置，冷却后的液体产品保存备用； 

(4)打开固体物料输送口19，同时调节控制主体反应段2螺旋进料器22转 速的变频器，以满足木屑在主体反应段2停留时间的需要，进行物料向主体反应段2的输送过程； 

(5)待一定反应时间后(该反应时间视物料在主体反应段2所停留的时间以及反应条件而定)，调节控制渣料排出装置34中螺旋轴转速的变频器，使其与主体反应段2中螺旋进料器22的反应渣料排出速度相匹配，保证渣料排出装置34排出的水解残渣与螺旋器壁达到一定的结合度以达到密封的效果； 

(6)调节固液分离装置33后的阀门大小，将反应产生的液体产物排出，进入液体物料冷凝罐39中进行冷凝，然后将液体产物输送进入产品储罐保存备用； 

(7)待一定反应时间后(该反应时间视排渣装置中螺旋轴34的转速而定)，开启固体渣料***阀36，然后将其关闭，目的在于使通过螺旋轴排出的固体水解残渣进入固体渣料储罐37，同时还不能造成***内部压力下降，因此需要尽快关闭此阀； 

(8)待反应进行一定时间后，或者已经将第一步反应的物料输送后或之前(具体时间视不同操作工艺而定)，对另外一个没有进行操作过的反应罐重复步骤1。 

本实施例中的反应介质为生物质原料和反应液(包括：酸、水以及可以对生物质原料进行水解处理的化学溶液)。 

本发明中涉及的连续装置不局限于单纯的生物质原料水解制取可发酵糖，对于将生物质原料在稀酸、超低酸、高温液态水以及其它反应介质的条件下通过水解制取其它化学品的方法同样属于本发明的范畴。 

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。 

Claims (7)

1.卧式多螺旋生物质连续水解糖化装置，其特征在于：包括有用于存储和连续输送反应原料的原料储存输送***（1），在原料储存输送***（1）的输出端连接有用于充分搅拌并压缩固体和液体反应原料的主体反应段（2），在原料储存输送***（1）的输入端连接有用于调节反应温度的热量提供***（4），在主体反应段（2）输出端连接有用于将固体物料和液体物料分离的反应后续处理***（3）；所述原料储存输送***（1）包括原料罐（10），原料罐（10）中轴线上设有搅拌轴（11），设置于搅拌轴（11）上的机械密封及液体输送装置（12），所述原料罐（10）上设有测温口（13）、压力显示器（14）和压力平衡管线（15）；在原料罐（10）内、围绕搅拌轴（11）设有螺旋搅拌器（17），在搅拌轴（11）的旁侧、原料罐（10）内还设有折型搅拌器（16），在所述原料罐（10）的底端分别设有预处理液排出口（18）和固体物料输送口（19），所述固体物料输送口（19）与主体反应段（2）连通，所述机械密封及液体输送装置（12）与所述热量提供***（4）连接；所述折型搅拌器（16）包括与搅拌轴（11）上端连接的横杆（161），该横杆（161）远离搅拌轴（11）的端部上设有折杆（162），该折杆(162)贴近所述原料罐（10）内壁设置，折杆(162)的底端延伸到所述原料罐（10）的底端，在所述横杆（161）和折杆（162）上分别开设有多个喷射孔（163）。

2.如权利要求1所述的卧式多螺旋生物质连续水解糖化装置，其特征在于：所述主体反应段（2）包括轴设在主体反应段（2）内的螺旋进料器（22），该螺旋进料器（22）分为原料输送段(221)，原料压缩段(222)，原料压缩后平推段(223),在所述主体反应段（2）的外侧开有多个液体加入口(21),所述原料储存输送***（1）的输出端连接在靠近原料输送段(221)的主体反应段（2）入口处，在主体反应段（2）内还设有主体反应段测温口（23）。

3.如权利要求1所述的卧式多螺旋生物质连续水解糖化装置，其特征在于：所述反应后续处理***（3）包括排渣螺旋推进器（32），固液分离装置（33），渣料排出装置（34），液体物料冷凝罐（39），固体渣料储罐（37），所述排渣螺旋推进器（32）和渣料排出装置（34）相互平行倾斜设置，渣料排出装置（34）从低端到高端依次分为渣料输送段（341）和渣料压缩段（342），排渣螺旋推进器（32）低端的上方与主体反应段（2）的输出口连通，排渣螺旋推进器（32）高端的下方与所述渣料输送段（341）连通，渣料压缩段（342）的尾部与所述固体渣料储罐（37）连通，在所述排渣螺旋推进器（32）和渣料输送段（341） 的下端分别连接有固液分离装置（33），该固液分离装置（33）下端与所述液体物料冷凝罐（39）连接；在排渣螺旋推进器（32）和主体反应段（2）输出口之间设有渣料段测温口（31）；所述液体物料冷凝罐（39）上设有液体物料冷凝罐测温口（310），在固体渣料储罐（37）上、以及靠近渣料压缩段（342）的位置处分别设有第一固体渣料罐测温口（38）和第二固体渣料罐测温口（35）。

4.如权利要求3所述的卧式多螺旋生物质连续水解糖化装置，其特征在于：所述固体渣料储罐（37）与渣料排出装置（34）之间通过固体渣料***阀（36）连接。

5.如权利要求1所述的卧式多螺旋生物质连续水解糖化装置，其特征在于：所述热量提供装置（4）包括依次连接的液体输入泵（41）和蒸汽发生器（42），所述蒸汽发生器（42）连接到所述原料储存输送***（1）。

6.一种应用在如权利要求1所述的卧式多螺旋生物质连续水解糖化装置上的卧式多螺旋生物质连续水解糖化的方法，其特征在于，包括有如下步骤：

（1）反应：将生物质原料加入到原料罐中，通入反应液进行第一步反应；然后生物质原料在螺旋搅拌器和折型搅拌器的搅拌作用下连续进料到主体反应段中以产生水解反应，完成第二步反应；上述两步反应的反应条件为：反应温度为100～250℃；反应压力为 0～4MPa；

（2）加热：过热蒸汽输入到主体反应段中并结合热量提供***为主体反应段加热，以达到预定的反应温度；

（3）排液：当步骤（1）中的第一步反应达到第一预定反应时间后，排出预处理反应中生成的反应液，经冷却后储存；

（4）调节主体反应段内螺旋进料器的转速，以满足反应物料在主体反应段内的停留时间；

（5）在第二预定反应时间后，调节反应后续处理***中渣料排出装置内的螺旋轴的转速与主体反应段内螺旋进料器的反应渣料排出速度相匹配；

（6）将在反应后续处理***中反应产生的液体产物排出，冷凝后进行保存；

（7）在第三预定反应时间后，开启反应后续处理***中的固体渣料***阀，将渣料排出装置内排出的固体水解残渣收集到固体渣料储罐内。

7.如权利要求6所述的卧式多螺旋生物质连续水解糖化的方法，其特征在于：所述反应液包括蒸汽、蒸汽与酸液、蒸汽与使生物质发生水解反应的化学 溶液。 

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