1、蒸汽爆破技術基礎固體多組分物料結構蒸汽爆破技術多用于固體多組分物料的預處理，特別是木質纖維素原料。木質纖維素原料一般含有纖維素、木質素和半纖維素三大組分，約占固體物料總重量的80%。對于秸桿，其中纖維素含量一般為30-35%，半纖維素含量一般為25-30%，木質素的含量一般為10%左右。對于木材，其中纖維素含量一般為45-50%，半纖維素含量一般為10-20%，木質素的含量一般為25-30%。除三大類組分外，固體物料還含有蛋白質、脂類、灰分、水分、果膠、低分子的碳水化合物等。其中秸稈的灰分含量一般在5%以上（稻草的灰分含量高達15%），灰分中60%以上為二氧化硅；木材的灰分含量一般在1%以下，

2、多數為0.3%0.5%（對絕干原料）。纖維素是不溶于水的均一聚糖，由葡萄糖基通過-1，4-葡萄糖苷鍵連接起來的鏈狀高分子化合物（圖1-1）。纖維素分子常排列在一起以聚集態存在，其中一部分排列比較整齊，有規則，呈現清晰的X-射線圖，這部分稱結晶區，排列不整齊，較松馳的部分稱無定形區，纖維素的晶體結構常阻礙纖維素的降解。半纖維素是由兩種或兩種以上的單糖基組成的不均一聚糖，大部分帶有短的側鏈，構成半纖維素的糖基主要有木糖、葡萄糖、甘露糖，阿拉伯糖，半乳糖及它們的各種衍生物，秸稈的半纖維素組成主要是聚阿拉伯糖基葡萄糖醛酸木糖。木質素是一類由苯基丙烷結構單元通過碳-碳鍵和醚鍵連接而成的具有三度空間結構的

3、高分子聚合物。纖維素、半纖維素和木質素這三類物質都是高分子化合物，有很高的穩定性，不經處理或降解很難被動物直接吸收利用。圖1-1 纖維素分子鏈結構式在細胞壁結構中，纖維素分子鏈有規則地排列聚集成原細纖維，由原細纖維進一步組成微細纖維，微細纖維組成細小纖維，原細纖維之間填充著半纖維素，微細纖維周圍包裹著木質素和半纖維素，且木質素和半纖維素間存在化學連接。這樣在細胞壁中纖維素以微細纖維形式構成纖維素骨架，木質素和半纖維素以共價鍵方式交聯在一起，形成三維框架結構，把微纖維束鑲嵌在里面。細胞壁的外邊，即兩個細胞之間的胞間層，主要由木質素組成，少量為果膠，把兩個細胞粘接在一起。這樣，纖維素、半纖維素和木

4、質素相互交織而形成復雜的難以降解的細胞壁結構。汽相蒸煮物理化學變化木質纖維素原料的主要成分為纖維素、半纖維素及木質素。而蒸汽爆破主要是利用高溫高壓水蒸氣處理纖維原料，在高溫高壓水蒸汽的物理化學作用下，半纖維素部分水解，木素軟化、易降解，從而使木材橫向聯結強度下降，細胞孔隙中充滿高壓蒸汽，變得柔軟可塑。當驟然減壓時，孔隙中的氣體急劇膨脹，產生爆炸，將木材放裂成細小的纖維束狀，從而實現原料的組分分離和結構變化，這是由蒸汽溫度和弱酸(由半纖維素降解所產生的醋酸)共同作用的結果。可以認為，在蒸汽爆破過程中存在以下幾個方面作用。（1）類酸性水解作用及熱降解作用。蒸汽爆破過程中，高壓熱蒸汽進入纖維原料中，

5、并滲入纖維內部的空隙。由于水蒸氣和熱的聯合作用產生纖維原料的類酸性降解以及熱降解，低分子物質溶出，纖維聚合度下降。（2）類機械斷裂作用。在高壓蒸汽釋放時，已滲入纖維內部的熱蒸汽分子以氣流的方式從較封閉的空隙中高速瞬間釋放出來，纖維內部及周圍熱蒸汽的高速瞬間流動，使纖維發生一定程度上的機械斷裂。這種斷裂不僅表現為纖維素大分子中的鍵斷裂，還原端基增加，纖維素內部氫鍵的碎壞，還表現為無定形區的碎壞和部分結晶區的碎壞。（3）氫鍵碎壞作用。在蒸汽爆破過程中，水蒸氣滲入纖維各孔隙中并與纖維素分子鏈上的部分羥基形成氫鍵。同時高溫、高壓、含水條件又會加劇對纖維素內部氫鍵的碎壞，游離出新的羥基，增加了纖維素分子

6、內的氫鍵。分子內氫鍵斷裂的同時，纖維素被急速冷卻至室溫，使得纖維素超分子結構被“凍結”，只有少部分的氫鍵重組。這樣使溶劑分子容易進入片層間，而滲入的溶劑進一步與纖維素大分子鏈進行溶劑化，并引起殘留分子內氫鍵的碎壞，加速了葡萄糖環基的運動，最后導致其它晶區的完全碎壞，直至完全溶解。（4）結構重排作用。在高溫、高壓下，纖維素分子內氫鍵受到一定程度的碎壞，纖維素鏈的可動性增加，有利于纖維素向有序結構變化。同時，纖維素分子鏈的斷裂，使纖維素鏈更容易再排列。一般認為汽爆破過程中，半纖維素發生部分自水解作用轉化成單糖和低聚物，而木質素則降解成糖類和酚類低聚物。高溫條件下，半纖維素鏈上水解下來的乙酰基生成乙

7、酸又加劇了半纖維素的糖苷鍵和木質素上酯鍵的水解。因此，在一定范圍內處理強度越大，則半纖維素的水解以及木質素的降解的程度越大，組分分離的效果越明顯。蒸汽爆破過程具有細胞結構的植物原料在高壓(0.83.4MPa)、高溫(180240 oC)介質下汽相蒸煮，半纖維素和木質素產生一些酸性物質，使半纖維素降解成可溶性糖，同時復合胞間層的木質素軟化和部分降解，從而消弱了纖維間的粘結。然后，突然減壓，介質和物料共同作用完成物理的能量釋放過程。物料內的汽相介質噴出瞬間急速膨脹，同時物料內的高溫液態水迅速暴沸形成閃蒸，對外作功，使物料從胞間層解離成單個纖維細胞。汽爆可分成兩個階段，首先是汽相蒸煮，高壓蒸汽滲透到

8、物料內的空隙，使半纖維素降解成可溶性糖，同時木質素軟化和部分降解，降解纖維連結強度，為爆破過程提供選擇性的機械分離。其次是爆破過程，利用汽相飽和蒸汽和高溫液態水兩種介質共同作用于物料，瞬間完成的絕熱膨脹過程，對外作功。在爆破過程中，膨脹的氣體以沖擊波的形式作用于物料，使之物料在軟化條件下產生剪切力變形運動。由于物料變形速度較沖擊波速度小得多，使之多次產生剪切，使纖維有目的分離。二者相輔相成，汽相蒸煮條件的選擇決定著汽爆目的性。汽相蒸煮的溫度和蒸煮時間之間存在交互作用，根據Arrhenius定律，溫度每升高10，熱化學反應的速率加倍，溫度的升高從而可縮短蒸煮時間，但爆破機械作用只有在汽相蒸煮臨界

9、點以上才能發揮出來。蒸汽爆破能耗.1 耗汽量爆破過程的蒸汽消耗在下列幾個方面：一為將設備預熱到爆破溫度。為保證在第一次爆破時能夠達到預定的爆破壓力和溫度，設備必須先進行預熱。由于加熱從室溫開始，所以耗汽量很大，而預熱后再次爆破耗汽就大大減少；二為原料及水份的升溫，水的比熱大，含水率越高耗汽越多；三為蒸汽通過物料的孔隙以濾流的方式伴隨物料漏出的蒸汽。塑化的物料壓得很緊，物料間的孔隙率很小，通過的蒸汽量也很少；四為物料內細胞孔隙中所含的蒸汽。這部份蒸汽的驟然膨脹，產生爆炸效果，但蒸汽的密度比物料小得多，這部分蒸汽量也不大；五為設備熱損失，這和物料在設備內的停留時間有關。連續爆破時第一項可以忽略，半

10、連續爆破時設備溫度有波動。但其熱量大部分也可由物料吸收，扣除這些因素后，每kg風干物料消耗蒸汽量約為0.6kg左右，當然預浸的濕物料，或加水煮后再爆都將使耗汽量有所增加。若將爆后釋放的常壓蒸汽收集起來用于預熱物料則將使汽耗下降，釋放汽還可預熱鍋爐給水，作為采暖等生活用熱溫。.2爆破功率分析 由于爆破過程時間極短，可視為絕熱膨脹。有效爆破功率（Pe）是以時間度量的有效爆破功。因此，Pe可用下式表示。其中 M -T時間內膨脹的介質量5H-爆破前后介質焓差T-爆破時間F-爆破系數a-爆破物質所占的比r-爆破物質的密度 s, l, m -(下標)分別代表汽相介質，高溫液態水和爆破物料從上述公式中可定性說明幾個問題。(1) 汽相介質在物料間隙中的飽和蒸汽的爆破系數F接近于1，也就是說物料中的飽和蒸汽絕大部分以爆破的方式膨脹。a代表物料中氣體占的比例，液體比例大了，爆破效果就差。因此，物料中含水量對爆破作用影響較大。上述實驗也證明了這一點。隨著爆破壓力增加，r值和H就升高。據物性手冊介紹，汽相的焓低壓時上升較快，在2.0Mpa基本達到最大。因此，并非壓力越高越好，另外，壓力過高，操作時間極短，更不易控制。(2) 液態介質單位體積液態水和相同溫度下水蒸氣的熱焓值(r.H)相比的確大得多，但它的膨脹系數極小。這部分的焓差需轉