[实用新型]应用于木质纤维素分步预处理的装置

说明书

技术领域

本实用新型属于生物质预处理的领域，特别是涉及应用于木质纤维素分步预处理的装置。

背景技术

我国有大量的可再生秸秆资源，每年的产量可达可6亿吨以上。秸秆等木质纤维素主要是由不可溶的纤维素、半纤维素、木质素组成。将半纤维素和纤维素转变成可溶性单糖，进而通过生物发酵制备燃料乙醇等可再生能源和化工产品是逐步替代当前化石(石油，天然气)衍生的燃料和石化产品的一种绿色途径。纤维素中葡萄糖高分子有规整的晶体结构和较高的聚合度，而且纤维素还被细胞壁的另外两种成分(半纤维素和木质素)“包裹”着，使之难以被一些化学催化剂和生物酶入侵水解成单糖。因此通过预处理打破这种“包裹”，将纤维素暴露出来以便更好的用酶或化学催化剂水解，成为利用木质纤维素制取燃料和化工产品必不可少的步骤。

预处理过程中一直存在着一个矛盾：既要一定恶劣的反应条件下完全的水解半纤维素成单糖，又要避免条件太恶劣，导致单糖进一步分解成抑制剂；方面降低了单糖的产率，另一方面又影响了下一步纤维素水解和发酵的效果；同时也要防止反应条件太温和，使得活性低的半纤维素不能溶解，降低了木糖的产率，同时由于纤维素暴露不彻底，同样也会影响下一步纤维素水解的效果。

因此，一些学者提出了分步预处理工艺，第一步将木质纤维素在相对较温和的条件下反应，溶解活性相对较高的半纤维素。反应后进行固液分离，分离出溶解的半纤维素，以避免其接触下一步较恶劣的反应条件而导致其分解成一些抑制剂。分离出的固体进入第二个反应容器内，在相对恶劣的条件下溶解剩余活性较低的半纤维素。

然而，第一步反应后的混合物在空气中冷却，再采用分离设备进行分离出固液，这里涉及到大量热量的损耗以及分离设备所需的能耗；再将冷的固体加入反应容器中用蒸汽或过热水加热至第二步的反应温度，进一步增加了一些加热的能量。当前的分步预处理过程中需要在反应容器外单独进行固液分离，存在能量消耗大，操作较复杂等弊端。因此，迫切需要寻找一种既减少能耗又能提高工效的设备，以解决这一矛盾。

发明内容

本实用新型针对当前分步预处理木质纤维素工艺的不足，提供了一种节能、便利的应用于木质纤维素分步预处理的装置。

本实用新型是采用如下方案实现的：所述的应用于木质纤维素分步预处理的装置，包括可形成密闭系统的反应容器，蒸汽输入管道与蒸汽喷头，在反应容器的左上方装有物料加入管道，在反应容器的右上方装有过热水输入管道，在反应容器的中下部装有多层过滤板，在每一层过滤板的左下方装有低压蒸汽输入管道，在每一层过滤板的右上方装有浆料输出管道，在反应容器的底部装有液体输出管道。过滤板的数目为1～30个，当过滤板超过2个时，过滤板介质的孔径从上到下逐级降低。所述的过滤板介质的孔径范围在1微米～5厘米之间。

由于一般分步预处理都是在高温(160-250摄氏度)、较高压力(0.4-5MPa)、较腐蚀的环境中进行，因此，过滤板介质采用金属纤维、不锈钢板等耐高温耐压耐腐蚀的材料。

同时，同种木质纤维素材料不同部位由于本身物理特性的差异、反应条件以及反应程度的不同，可能出现第一步预处理后纤维素尺寸大小有较大的分布。如果采用二种或二种以上不同孔径的过滤板介质，可以减少堵塞，提高效率，同时可最大程度地分离获得固体。因此，在每层过滤板左上方可设置浆料出口管道，右下方可设置低压蒸汽管道。

为了增加过滤的面积和效率，可将容器设计为底面直径大于容器高度。

在完成第一步的预处理后，可借助容器内在第一步反应条件下本身压力，打开液体输出管道，在压力差的作用下实现加压固液分离，滤饼在过滤板上形成，滤液通过液体输出管道流出。上方的过热水输入管道可对滤饼进行冲洗，高温热水可进一步溶解半纤维素和一些木质素并分离出来，避免木质素在低温时重新聚合沉淀到木质纤维素表面，影响下一步水解效果。第二步在更恶劣的反应条件下反应后，可打开浆料输出管道，同样在压力差的作用下，料浆被喷出浆料输出管道；同时一些进入过滤介质中的固体或液体也会在压力作用下冲出，最后经浆料输出管道排出，实现对过滤介质的清洗。另外过滤板层下方的低压蒸汽也可用于对过滤板的过滤介质进行冲洗。