固体废弃物处理中的蒸汽爆破技术
蒸汽爆炸技术
蒸汽爆炸技术
蒸汽爆炸技术是一种利用蒸汽的高压和高温形成爆炸的技术。
在这种技术中，蒸汽被加热至超过其饱和温度和饱和压力，然后突然释放压力，导致蒸汽迅速膨胀和瞬间释放能量，产生爆炸效应。
蒸汽爆炸技术通常用于工业生产中的清洗、清理和研磨等领域。
其原理是利用蒸汽的高压能够迅速而彻底地清除污染物、沉积物或固体表面的杂质。
蒸汽被加热后，压力突然释放，蒸汽迅速膨胀，生成的动能和冲击力可以有效地将污染物或杂质从表面剥离或冲刷掉。
蒸汽爆炸技术具有高效、环保、无化学残留物等优点，被广泛应用于食品加工、化工、石油化工、电力等行业。
然而，蒸汽爆炸技术也存在一定的安全隐患，如果操作不当或设备失效，可能导致爆炸事故发生，造成人员伤亡和设备损坏。
因此，在使用蒸汽爆炸技术时，必须严格遵守相关安全规定和程序，确保设备的正常运行和操作人员的安全。
同时，定期的设备维护和检修也是确保蒸汽爆炸技术安全使用的重要措施。
蒸汽爆破预处理技术应用于秸秆厌氧发酵的技术经济分析
蒸汽爆破预处理技术应用于秸秆厌氧发酵的技术经济分析随着全球对可持续能源的需求不断增长，秸秆厌氧发酵作为一种绿色能源技术，受到了越来越多的关注和发展。
然而，秸秆作为一种难以降解的生物质，其直接利用效率较低，需要进行预处理以增加厌氧发酵的产气率和稳定性。
蒸汽爆破预处理技术是一种广泛应用于生物质处理的方法，具有高效性、环保性等优势。
本文将从技术和经济两个方面对蒸汽爆破预处理技术应用于秸秆厌氧发酵的可行性进行分析。
一、蒸汽爆破预处理技术的原理和优势蒸汽爆破预处理技术是利用高温高压蒸汽对生物质进行处理，使得其纤维素和半纤维素分解产生出易于厌氧发酵的可溶性有机物。
该技术具有以下优势：1、高效性。
蒸汽处理能够在短时间内使得秸秆中的纤维素和半纤维素分解产生大量的可溶性有机物，提高了发酵的产气率和稳定性。
2、环保性。
该技术不需要使用化学药剂，不会产生污染物，对环境无害。
3、适用性强。
蒸汽处理适用于各种类型的生物质，同时可以对不同种类的生物质进行不同的处理方案，以达到最佳处理效果。
二、蒸汽爆破预处理技术在秸秆厌氧发酵中的应用蒸汽爆破预处理技术已经被广泛应用于秸秆厌氧发酵中。
其处理流程主要包括将秸秆经过机械粉碎后加入蒸汽处理器中，在高温高压的蒸汽环境下进行处理，处理后得到的秸秆被送入厌氧反应器进行发酵。
该处理流程具有高效性、环保性、稳定性等优势，可以大幅度提高秸秆的发酵效率和产气率。
另外，蒸汽爆破预处理技术还可以与其他预处理技术如碱处理、酸处理等结合使用，以达到更好的处理效果。
比如，在秸秆厌氧发酵中，将蒸汽处理和酸处理结合使用，可以在短时间内大幅度提高发酵的产气率和稳定性，进一步增加该技术在生物质处理中的应用范围。
三、蒸汽爆破预处理技术在秸秆厌氧发酵中的经济效益从经济效益方面考虑，秸秆厌氧发酵技术的应用可以减少能源的消耗，降低碳排放量，提高发酵产物的附加值。
同时，将蒸汽爆破预处理技术应用于秸秆厌氧发酵中，可以进一步提高发酵产气率和稳定性，降低发酵成本，进一步增加产生的经济效益。
固体废弃物处理中的蒸汽爆破技术
固体废弃物处理---固体垃圾蒸汽爆破工艺目前我国城市生活垃圾年产量达1亿多吨，且每年以8%-10%的速度增长，其中50%以上成分是有机物，主要是采用卫生填埋法处理（自然发酵），其存在着：（1）产生的渗滤液和填埋气体对环境造成巨大威胁；（2）处理周期长，生产成本高。
而沼气固态发酵充分利用了固体垃圾和秸秆的特点，使得未发酵完的底物能方便作为肥料和饲料等用；同时在还田及其体积、添加量上、运输上都具有沼气湿发酵不可比拟的优点。
从这些方面来看，沼气固态发酵应用前景广阔。
但目前迫切强化需要固态发酵沼气技术工程化研究，提高固态发酵沼气技术水平和实用性。
笔者从固体原料预处理和周期刺激固态发酵沼气两个方面着手研究，提出一种周期刺激汽爆秸秆和城市垃圾进行固态发酵沼气的方法。
首先将风干秸秆或筛选的有机垃圾经过汽爆处理后放入固态发酵罐体中；然后将汽爆物料与沼气迅速混合，密封于发酵罐体中进行固态发酵；通入发酵的沼气排净罐体中的空气，采用外界周期压力变化以强化固态发酵的速率；迅速排气收集沼气。
5.14.1 固体垃圾蒸汽爆破过程（1）粉碎作用在汽爆过程中，垃圾内部的蒸汽从高压瞬间释放到低压时的爆破力使垃圾粉碎。
该粉碎过程比机械粉碎更彻底，更完全，因为蒸汽会充满垃圾的所有周质空间，无孔不入，爆破使得大小有机垃圾都能够完全粉碎。
这样可以省略垃圾分选步骤中的机械粉碎步骤。
（2）分解作用在高温条件下，垃圾中的蛋白质、脂肪、纤维素等大分子物质部分降解，特别是一些难以生物降解的物质，如园艺垃圾中的纤维素、木质素会在汽爆过程中部分水解，或者它们的分子结构发生有利于生物降解的改变，这是因为蒸汽无孔不入，能够在有机物的分子水平上发生作用。
这将会提高垃圾厌氧消化的转化率，缩短消化时间。
（3）消毒作用在密封的汽爆罐内，蒸汽压力达到8-12个大气压，蒸汽温度达到160℃左右，垃圾在汽爆罐内保持5分钟左右，垃圾中的有害病毒和细菌大部分被杀死。
这样在后面的处理过程中，工作人员会更加卫生安全。
蒸汽弹射爆破
蒸汽爆破蒸汽爆破即汽爆(Steam Explosion）,是应用蒸汽弹射原理实现的爆炸过程对生物质进行预处理的一种技术。
其技术本质为：将渗进植物组织内部的蒸汽分子瞬时释放完毕，使蒸汽内能转化为机械能并作用于生物质组织细胞层间，从而用较少的能量将原料按目的分解.由于其既避免了化学处理的二次污染问题,又解决了目前生物处理效率低的问题，是生物质转化领域最有前景的预处理技术。
中文名：蒸汽爆破外文名：Steam Explosion类型：自然现象发生对象：生物质，植物作用:结构重排主要介绍植物细胞中的纤维为木素所粘结，与高温、高压蒸汽作用下，纤维素结晶度提高，聚合度下降，半纤维素部分降解，木素软化，横向连结强度下降，甚至软化可塑，当充满压力蒸汽的物料骤然减压时,孔隙中的气剧膨胀，产生“爆破”效果,可部分剥离木素，并将原料撕裂为细小纤维。
可以认为，在蒸汽爆破过程中存在以下几方面作用：①类酸性水解作用及热降解作用：蒸汽爆破过程中，高压热蒸汽进入纤维原料中，并渗入纤维内部的空隙。
由于水蒸汽和热的联合作用产生纤维原料的类酸性降解以及热降解,低分子物质溶出，纤维聚合度下降。
②类机械断裂作用：在高压蒸汽释放时，已渗入纤维内部的热蒸汽分子以气流的方式从较封闭的孔隙中高速瞬间释放出来,纤维内部及周围热蒸汽的高速瞬间流动,使纤维发生一定程度上的机械断裂。
这种断裂不仅表现为纤维素大分子中的键断裂，还原端基增加,纤维素内部氢键的破坏，还表现为无定形区的破坏和部分结晶区的破坏。
③氢键破坏作用：在蒸汽爆破过程中，水蒸汽渗入纤维各孔隙中并与纤维素分子链上的部分羟基形成氢键。
同时高温、高压、含水的条件又会加剧对纤维素内部氢键的破坏，游离出新的羟基，增加了纤维素的吸附能力。
瞬间泄压爆破使纤维素内各孔隙间的水蒸汽瞬间排除到空气中，打断了纤维素内的氢键。
分子内氢键断裂同时纤维素被急速冷却至室温,使得纤维素超分子结构被“冻结”，只有少部分的氢键重组。
蒸汽爆破技术基础
蒸汽爆破技术基础1.2.1固体多组分物料结构蒸汽爆破技术多用于固体多组分物料的预处理，特别是木质纤维素原料。
木质纤维素原料一般含有纤维素、木质素和半纤维素三大组分，约占固体物料总重量的80%。
对于秸杆，其中纤维素含量一般为30-35%，半纤维素含量一般为25-30%，木质素的含量一般为10%左右。
对于木材，其中纤维素含量一般为45-50%，半纤维素含量一般为10-20%，木质素的含量一般为25-30%。
除三大类组分外，固体物料还含有蛋白质、脂类、灰分、水分、果胶、低分子的碳水化合物等。
其中秸秆的灰分含量一般在5%以上（稻草的灰分含量高达15%），灰分中60%以上为二氧化硅；木材的灰分含量一般在1%以下，多数为0.3%~0.5%（对绝干原料）。
纤维素是不溶于水的均一聚糖，由葡萄糖基通过β-1，4-葡萄糖苷键连接起来的链状高分子化合物（图1-1）。
纤维素分子常排列在一起以聚集态存在，其中一部分排列比较整齐，有规则，呈现清晰的X-射线图，这部分称结晶区，排列不整齐，较松驰的部分称无定形区，纤维素的晶体结构常阻碍纤维素的降解。
半纤维素是由两种或两种以上的单糖基组成的不均一聚糖，大部分带有短的侧链，构成半纤维素的糖基主要有木糖、葡萄糖、甘露糖，阿拉伯糖，半乳糖及它们的各种衍生物，秸秆的半纤维素组成主要是聚阿拉伯糖基葡萄糖醛酸木糖。
木质素是一类由苯基丙烷结构单元通过碳-碳键和醚键连接而成的具有三度空间结构的高分子聚合物。
纤维素、半纤维素和木质素这三类物质都是高分子化合物，有很高的稳定性，不经处理或降解很难被动物直接吸收利用。
图1-1 纤维素分子链结构式在细胞壁结构中，纤维素分子链有规则地排列聚集成原细纤维，由原细纤维进一步组成微细纤维，微细纤维组成细小纤维，原细纤维之间填充着半纤维素，微细纤维周围包裹着木质素和半纤维素，且木质素和半纤维素间存在化学连接。
这样在细胞壁中纤维素以微细纤维形式构成纤维素骨架，木质素和半纤维素以共价键方式交联在一起，形成三维框架结构，把微纤维束镶嵌在里面。
生物质能工业中的蒸汽爆破技术
生物质能工业我国能源短缺，随着经济的迅速发展和对环保标准要求的逐步提高，迫切需要开发新的、清洁的可替代能源。
在众多可能替代化石燃料的能源中，生物质以其可再生、产量巨大、可储存等优点而引人注目。
而且生物质能是唯一一种可以转换为清洁燃料的可再生能源，其利用技术和化石燃料的利用方式具有很大的兼容性，因此以生物质作为原料不但可以弥补化石燃料的不足，缓解过分依赖大量进口石油的被动局面，实现我国能源安全战略，而且达到保护生态环境的目的。
对于我国这样一个幅员辽阔的农业大国来说，单就农作物秸秆而言，年产量高达7亿多吨，相当于3.5亿吨标准煤。
但目前，如此巨大的秸秆资源非但没有得到有效利用，反而由于就地焚烧已成为我国一大社会公害。
因此，在我国开发利用秸秆生产燃料乙醇和裂解油既具有现实意义，又可推动我国甚至世界范围内以秸秆等农作物废弃物为代表的生物质生产液体燃料更上层楼。
虽然秸秆和木材同属于木质纤维素，都有纤维素、半纤维素和木质素组成（4：3：3），然而在结构和化学组成却有较大的差异，因而秸秆与木材的转化特性不相同。
在秸秆中各种组分的转化特性也不同的，其转化反应特性和转化产品也随着秸秆组分结构的不同而变化。
例如，秸秆生物转化过程主要利用的是秸秆中的纤维素，对木质素和半纤维素生物转化效率低，难于适应工业化的要求。
而秸秆快速热解得到的液体产物中含有大量的酸类（如乙酸）产品，木材热解则以醇类和酮类产品为主。
这表明，秸秆中纤维素、半纤维素和灰分影响了热解过程产生液体产物的品位。
为解决在秸秆转化过程中采用单一的生物或热转化方式存在的问题，应将生物转化技术与快速热解技术有机结合起来，避免在秸秆原料转化液体燃料研究上，套用或沿用木材的技术，传统的生物转化、热化学转化过程把秸秆作为性质“单一组分”的原料，致使其转化的技术经济关久攻不破，因此，为秸秆高效转化的根本出路在于其生物量的全利用，新的高效转化过程应该建立在秸秆组分分离后的分级定向转化以及转化过程间的集成优化原则之上。
环保吸附材料加工中的蒸汽爆破技术
环保吸附材料加工5.13.1 汽爆秸秆处理含Cr(VI)废水随着经济的发展,我国的生态环境遭到了严重的破坏,1981年,我国污水排放总量已达到303亿吨,其中工业污水238亿吨。
对全国44个城市的地表水的污染状况进行调查，地表水都受到污染，大量污染物是有机物，另外，汞、砷、铬的污染也较为严重。
对长江干流21个主要城市污水及有害物质排入量的统计资料显示，仅六价铬年排入量就为340吨，可见铬的污染较为严重。
因此,水体中铬的净化具有广泛而深远的意义。
秸秆作为农作物的副产品，在世界范围内，每年产量约20多亿吨，而我国占世界产量的20-30%。
倘若利用秸秆对含铬废水进行处理，既可解决能源回收问题，又可探索出一种低能耗废水处理方法，这必将是一条以废治废，资源充分利用的有效途径。
秸秆由大量有机物和少量矿物质、水组成,其中有机物包括碳水化合物、粗蛋白、粗脂肪,而碳化合物主要由纤维性物质和可溶性糖类组成,据有关资料介绍,天然纤维材料具有表面积大,良好的亲水性和多孔结构等特点,这对于重金属离子的吸附作用具有得天独厚的优势。
秸秆的汽爆过程可分为汽相蒸煮和爆破两个过程,其中汽相蒸煮为爆破过程提供选择性的机械分离。
在爆破过程中，膨胀的气体以冲击波的形式作用于物料，使物料在软化条件下产生剪切力变形运动。
由于这种激烈作用，纤维空间迅速扩大，造成原料比爆破前有更显著的多孔结构，内部比表面积也更加扩大显著，从而可以提高对重金属离子的吸附能力。
根据这一特性，将汽爆秸秆用于废水治理，在理论上是可行的。
目前,许多研究工作已报道了利用甘蔗渣、玉米芯、果皮、果壳、改性木材等纤维原料吸附工业废水中重金属离子,取得了令人满意的效果。
在国外，Odozi等用玉米芯与红洋葱皮、锯屑、苯酚、甲醛一起反应,制得复合树脂，该树脂用来吸附Zn2+、Cu2+、Mg2+、Fe2+、pb2+等各种例子。
Shukla将竹浆、芦苇纤维、纤维棉等用一氯呀嗪型染料进行预处理,经过染色的上述各种物质对铜粒子的吸附能力达95%以上。
蒸汽爆破技术概述
概述1.1.1蒸汽爆破技术的特点蒸汽爆破预处理是近年来发展起来的一种的预处理方法。
原料用蒸汽加热至180-235℃,维压一定时间，在突然减压喷放时，产生二次蒸汽，体积猛增，受机械力的作用，其固体物料结构被破坏。
蒸汽爆破法技术最早始于1926年，当时为间歇法生产，主要是用于生产人造纤维板。
从70年代开始，此项技术也被广泛用于动物饲料的生产和从木材纤维中提取乙醇和特殊化学品。
80年代后，此项技术有很大的发展，使用领域也逐步扩大，出现了连续蒸汽爆破法生产技术及设备，即加拿大Stake Technology公司开发的连续蒸汽爆破法工艺及设备，并产生许多专利。
80年代后期，Stake Technology 公司，将此项技术应用于制浆造纸领域，它与加拿大魁北克大学共同研究，首先对杨木、后对许多非木材纤维原料进行了大量的蒸汽爆破试验，取得很好的效果。
在此基础上，开发研制了蒸汽爆破制浆技术和设备，并在制浆废液用于生产动物饲料技术方面也有深入的研究。
蒸汽爆破的几个优点可归纳如下：（1）可应用于各种植物生物质，预处理条件容易调节控制。
（2）半纤维素、木质素和纤维素三种组分会在三个不同的流程中分离，分别为水溶组分、碱溶组分和碱不溶组分。
（3）纤维素的酶解转化率可达到理论最大值。
（4）经过蒸汽处理后的木质素仍能够用于其他化学产品的转化。
（5）半纤维素产生的糖可以被全利用，转化为液体燃料。
（6）汽爆过程中产生的发酵抑制物可通过控制汽爆条件而大大降低。
该预处理方法适用于硬木、软木、农业废弃物，如蔗渣、麦草、稻草、玉米秸杆和其他非纤维素原料等各种植物生物质，而且正在这方面发挥越来越大的作用。
汽爆的缺点是：原料经汽爆后相对密度降低，体积增大，产生的发酵抑制物需要水洗去除。
1.1.2蒸汽爆破技术的主要内容蒸汽爆破技术应用领域不断扩大，其研究内容也不断扩大。
蒸汽爆破技术的实施要有相应的配套设备，因此蒸汽爆破设备的研发是该技术的主要研究内容之一，性质相似的原料可通用相同的设备，对某些特殊的原料则需要特殊的汽爆设备。
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固体废弃物处理---固体垃圾蒸汽爆破工艺
目前我国城市生活垃圾年产量达1亿多吨，且每年以8%-10%的速度增长，其中50%以上成分是有机物，主要是采用卫生填埋法处理（自然发酵），其存在着：（1）产生的渗滤液和填埋气体对环境造成巨大威胁；（2）处理周期长，生产成本高。
而沼气固态发酵充分利用了固体垃圾和秸秆的特点，使得未发酵完的底物能方便作为肥料和饲料等用；同时在还田及其体积、添加量上、运输上都具有沼气湿发酵不可比拟的优点。
从这些方面来看，沼气固态发酵应用前景广阔。
但目前迫切强化需要固态发酵沼气技术工程化研究，提高固态发酵沼气技术水平和实用性。
笔者从固体原料预处理和周期刺激固态发酵沼气两个方面着手研究，提出一种周期刺激汽爆秸秆和城市垃圾进行固态发酵沼气的方法。
首先将风干秸秆或筛选的有机垃圾经过汽爆处理后放入固态发酵罐体中；然后将汽爆物料与沼气迅速混合，密封于发酵罐体中进行固态发酵；通入发酵的沼气排净罐体中的空气，采用外界周期压力变化以强化固态发酵的速率；迅速排气收集沼气。
5.14.1 固体垃圾蒸汽爆破过程
（1）粉碎作用
在汽爆过程中，垃圾内部的蒸汽从高压瞬间释放到低压时的爆破力使垃圾粉碎。
该粉碎过程比机械粉碎更彻底，更完全，因为蒸汽会
充满垃圾的所有周质空间，无孔不入，爆破使得大小有机垃圾都能够完全粉碎。
这样可以省略垃圾分选步骤中的机械粉碎步骤。
（2）分解作用
在高温条件下，垃圾中的蛋白质、脂肪、纤维素等大分子物质部分降解，特别是一些难以生物降解的物质，如园艺垃圾中的纤维素、木质素会在汽爆过程中部分水解，或者它们的分子结构发生有利于生物降解的改变，这是因为蒸汽无孔不入，能够在有机物的分子水平上发生作用。
这将会提高垃圾厌氧消化的转化率，缩短消化时间。
（3）消毒作用
在密封的汽爆罐内，蒸汽压力达到8-12个大气压，蒸汽温度达到160℃左右，垃圾在汽爆罐内保持5分钟左右，垃圾中的有害病毒和细菌大部分被杀死。
这样在后面的处理过程中，工作人员会更加卫生安全。
同时，汽爆过程中，蒸汽会凝结在垃圾中的粉尘上，从而使得粉尘沉降下来，这样会减少臭味的散发。
但这不会严重影响厌氧发酵过程，因为高温杀死的主要是垃圾中的好氧微生物和病毒；而且在垃圾进入发酵罐时，还需向汽爆垃圾中加入厌氧消化污泥混合接种。
（4）分选作用
在汽爆过程中，高压蒸汽将垃圾从汽爆罐的出口喷射出来。
由于垃圾成分的比重不同，不同垃圾从汽爆罐出口喷射出来的远近距离也不同。
比重大的、没有能够粉碎的石头、金属等会在近距离降落下来，而比重轻的、粉碎了的垃圾会在远距离降落下来，从而起到分选作用。
5.14.2 汽爆处理垃圾后厌氧消化过程
汽爆处理垃圾后厌氧消化过程与一般的分选步骤相比，比较简单。
手选除去大体积的垃圾，如家具、电器等；风选将塑料袋除去；磁选将铁金属分选出来；汽爆处理粉碎垃圾，并将重的砖块、石头等进一步分选出来。
经过汽爆处理的垃圾进入发酵罐厌氧消化一吨垃圾汽爆消耗的蒸汽量与垃圾的含水量有关，如果含水量在60%左右，根据经验，消耗的蒸汽约为0.8吨。
蒸汽消耗的能量，可通过以下几个途径补偿：发电机发电过程中产生了大量高温热水，利用这部分热水来产生蒸汽，即充分利用余热。
汽爆处理过程省略了一般分选过程中的“鼓选、机械粉碎”等步骤，从而节省了部分能耗，节省的能量用于产生蒸汽。
汽爆过程提高了厌氧消化的转化率，沼气产量增加了，从而获得了更多的可用能量。
这部分能量用来补偿蒸汽发生过程中消耗的部分能量。
汽爆出来的高温垃圾需要冷却，采用冷却水充分吸收高温垃圾中的余热，再采用多种形式利用冷却水吸收的预热，如利用循环冷却水给发酵罐保温。
汽爆的垃圾温度较高，在汽爆垃圾在进入发酵罐时，不再需要给它们加温。
而且采用高温发酵产沼气，缩短发酵时间，降低能耗。
该技术的优点有：（1）经过汽爆处理后，城市生活垃圾的性质发生变化，如含水率升高、塑料溶解、有机成分分解，操作更卫生安全。
（2）由于所用秸秆经过汽爆处理，破坏了天然结构，利于微生物的降解，提高了秸秆利用率，降低垃圾处理成本。
（3）固体垃圾经汽爆
处理后，可有效地消毒，便于操作利用。
（4）固态发酵罐内气相周期波动使固态发酵物料温度、湿度均匀性提高，省去了搅拌装置。
（5）固态发酵沼气，在提高沼气收率的同时，也便于发酵渣的利用。
上述技术中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室已经国家发明专利授权“秸秆和城市垃圾周期刺激固态发酵沼气工艺，中国发明专利号 01125211.x，2001.8.27”。