張 紅 趙志斌 王魯民

青島中科華通能源工程有限公司 山東 青島 266000

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈資源豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年我國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量達(dá)到7.9億噸[1]。農(nóng)作物秸稈含有大量有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素，其中蘊(yùn)含大量化學(xué)能，將其作為厭氧消化制沼氣原料，將可有效緩解我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程與農(nóng)村環(huán)境之間的矛盾，優(yōu)化農(nóng)村地區(qū)能源結(jié)構(gòu)。秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成，秸稈表面蠟質(zhì)層、纖維素結(jié)晶區(qū)、纖維素被木質(zhì)素和半纖維素覆蓋保護(hù)等結(jié)構(gòu)因素，導(dǎo)致秸稈厭氧發(fā)酵存在停留時(shí)間長(zhǎng)、利用率較低等問題。因此，在厭氧發(fā)酵前對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，破壞其大分子復(fù)雜結(jié)構(gòu)，是提高其利用效率、推進(jìn)秸稈資源化利用的有效手段。蒸汽爆破法由于其處理時(shí)間短、無二次污染、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前秸稈預(yù)處理研究熱點(diǎn)[2]。

1 蒸汽爆破工藝流程

蒸汽爆破裝置主要蒸汽鍋爐、反應(yīng)器、爆炸罐三部分組成，其中蒸汽鍋爐為反應(yīng)器提供高溫高壓蒸汽，達(dá)到一定壓力并維持一段時(shí)間后，通過爆破閥控制突然降壓，減壓過程中，秸稈原料從反應(yīng)器中排出，并在爆炸罐中回收。

2 蒸汽爆破作用機(jī)理

蒸汽爆破是利用高溫高壓水蒸氣對(duì)秸稈進(jìn)行蒸煮處理，并通過瞬間降壓的方式產(chǎn)生爆炸效果，利用反應(yīng)器與大氣壓力之間的壓力差產(chǎn)生的剪切力破壞木質(zhì)纖維素大分子復(fù)雜結(jié)構(gòu)。蒸汽爆破存在以下4方面作用：

（1）類酸性水解及熱降解作用。高溫高壓蒸汽侵入秸稈纖維內(nèi)部空隙，在水蒸氣和熱的聯(lián)合作用下，纖維原料出現(xiàn)類酸性降解和熱降解，低分子物質(zhì)溶出，纖維聚合度下降。

（2）類機(jī)械斷裂作用。高壓蒸汽瞬間釋放時(shí)，深入秸稈纖維內(nèi)部的熱蒸汽分子高速釋放，該作用使纖維產(chǎn)生機(jī)械斷裂現(xiàn)象，秸稈表面蠟質(zhì)層及內(nèi)部的無定形區(qū)和部分結(jié)晶區(qū)也遭到破壞。

（3）氫鍵破壞作用。高溫高壓水蒸氣滲入秸稈纖維各空隙中并于纖維素分子鏈上的部分羥基形成氫鍵。同時(shí)，高溫高壓含水條件下，纖維素內(nèi)部的氫鍵會(huì)遭到破壞，并游離出新的羥基。高壓蒸汽瞬間釋放時(shí)，氫鍵斷裂的同時(shí)，纖維素所處環(huán)境也會(huì)急速冷卻至室溫，使纖維素超分子結(jié)構(gòu)被保留，增加了纖維素的吸附能力，并進(jìn)一步引起殘留氫鍵的破壞，加速了葡萄糖環(huán)基的運(yùn)動(dòng)，最終導(dǎo)致其他晶區(qū)破壞。

（4）結(jié)構(gòu)重排作用。秸稈纖維素分子氫鍵受到破壞后，纖維素鏈的可動(dòng)性增加，使纖維素鏈發(fā)生再排列作用，有助于向有序結(jié)構(gòu)變化[3-4]。

3 蒸汽爆破影響因素

（1）秸稈收獲期及粒徑

秸稈收獲期不同，其含水率差異較大（一般來說，秸稈含水率隨著秸稈收獲期的變長(zhǎng)而逐漸降低），其纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和其他化學(xué)成分的含量也不相同，且大分子纏繞結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也不盡相同，導(dǎo)致在蒸汽爆破預(yù)處理過程中，其預(yù)處理效果也產(chǎn)生非常大的差異。另外，秸稈粒徑也是影響爆破預(yù)處理效果的重要因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈粒徑低于10mm時(shí)，其預(yù)處理能耗較高，且處理效果也不理想。

（2）反應(yīng)器中蒸汽壓力及穩(wěn)壓時(shí)間

秸稈原料在高溫高壓含水情況下，秸稈原料被軟化，內(nèi)部木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)間的粘結(jié)力受到削弱，瞬間降壓式，秸稈在內(nèi)外部壓力差得沖擊下迅速膨脹，從而導(dǎo)致秸稈內(nèi)部木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)被破壞。因此，反應(yīng)器中蒸汽壓力越高、穩(wěn)壓時(shí)間越長(zhǎng)，瞬間降壓爆破后的預(yù)處理效果越好。但蒸汽壓力越高、穩(wěn)壓時(shí)間越長(zhǎng)其能耗越高，且在到達(dá)一定程度后，其效果將維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蒸汽壓力在1.5mpa，穩(wěn)壓4min，其耗能和與處理效果較理想[5]。

4 技術(shù)前景

秸稈厭氧發(fā)酵制沼氣技術(shù)是當(dāng)前比較熱門的研究課題，傳統(tǒng)的化學(xué)處理法、機(jī)械處理法在不同程度上存在二次污染、能耗高、處理效果不理想等問題。蒸汽爆破預(yù)處理技術(shù)具有處理時(shí)間短、處理設(shè)備占地面積小、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，隨著秸稈厭氧發(fā)酵制沼氣工程項(xiàng)目的開展，其前景可期。但該技術(shù)也存在一定缺陷，如木質(zhì)素分離不完全、營養(yǎng)物質(zhì)損失大、能耗高、設(shè)備投資大、工作環(huán)境惡劣等。

筆者認(rèn)為，該技術(shù)今后的研究將集中在以下幾點(diǎn)：（1）開發(fā)自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、連續(xù)型蒸汽爆破裝置；（2）進(jìn)一步優(yōu)化蒸汽爆破壓力、穩(wěn)壓時(shí)間等工藝參數(shù)；（3）蒸汽爆破技術(shù)與其他化學(xué)方法、機(jī)械方法相結(jié)合的高效預(yù)處理技術(shù)研究等。