The Study on Hot Liquid Hydrolysis of lignocellulosic biomass

Abstract

木质纤维素类生物质制取燃料乙醇已经成为全世界的研究热点，酶水解是最高效的处理纤维素的方法。然而酶水解受到木质纤维素稳定结构的影响，需要对原料进行预处理。高温液态水预处理利用高温液态水的酸碱自催化功能，能够高效地溶解半纤维素，保留纤维素，实现预处理。 为更好地研究在高温液态水在预处理中的水解机理，并为连续式水解反应装置的设计提供必要数据，本文在总结国内外燃料乙醇现状和木质纤维素预处理燃料乙醇技术现状的基础上，首先在间歇和渗滤条件下以广州本地的稻杆为原料，研究了高温液态水水解的最佳工况，并对产物进行了分析；之后选取木聚糖作为半纤维素模化物，稻杆和棕榈壳作为草本与木本生物质的代表进行了关于水解动力学数学模型的研究，经过计算拟合得到了相关动力学参数；最后以前面的数据为基础设计计算了两段式连续水解反应器。 实验表明，间歇条件下较优工况是：稻杆在温度为200℃，压力4.0MPa，液固比为20:1，搅拌转速为500 r/min的条件下经过预热60min达到反应条件后保持10min，产物还原糖浓度达到8.9g/L，还原糖转化率达到51.85%，原料转化率达48.18%。渗滤条件下较优工况是：稻杆在160℃，液固比为20:1的条件下，经过水解42min达到最大糖浓度6.23g/L，还原糖转化率为41.53%。通过对间歇最佳工况条件下的固体残渣进行范式分析、电镜扫描以及工业分析和元素分析发现，半纤维素转化率达88.90%，纤维素只损失了5.72%，同时溶解了20.18%的木质素和33.05%的灰分。电镜扫描下残渣的孔隙率要大于原料，松散度也增加。工业分析与元素分析显示残渣的热值提高了221.2kJ/kg，挥发份和灰分都有所降低。 在总结了国内外半纤维素水解模型的基础上，采用假一级均相反应模型，对木聚糖（半纤维素模化物）、稻杆、棕榈壳的试验数据进行模拟，计算得到了动力学参数。其中木聚糖降解的活化能为65.58kJ/mol，其单糖降解活化能为147.21kJ/mol；相对应地稻杆和棕榈壳的参数分别为68.76kJ/mol和47.08kJ/mol、95.19kJ/mol和79.74kJ/mol。计算得到的数学模型与实验数据基本吻合。 最后，在间歇实验的基础上，结合国内外水解反应器的研究，设计计算了两段式连续超低酸水解装置，第一段为水平推流式，第二段为垂直逆流式，设计处理量为20kg/h。为后续该技术的工业化应用打下基础