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。细胞壁的外边，即两个细胞之间的胞间层，主要由木质素组成，少量为果胶，把两个细胞粘接在一起。这样，纤维素、半纤维素和木质素相互交织而形成复杂的难以降解的细胞壁结构。
1.2.2汽相蒸煮物理化学变化
木质纤维素原料的主要成分为纤维素、半纤维素及木质素。而蒸汽爆破主要是利用高温高压水蒸气处理纤维原料，在高温高压水蒸汽的物理化学作用下，半纤维素部分水解，木素软化、易降解，从而使木材横向联结强度下降，细胞孔隙中充满高压蒸汽，变得柔软可塑。当骤然减压时，孔隙中的气体急剧膨胀，产生爆炸，将木材放裂成细小的纤维束状，从而实现原料的组分分离和结构变化，这是由蒸汽温度和弱酸(由半纤维素降解所产生的醋酸)共同作用的结果。可以认为，在蒸汽爆破过程中存在以下几个方面作用。
（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。由于水蒸气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空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，纤维素内部氢键的碎坏，还表现为无定形区的碎坏和部分结晶区的碎坏。
（3）氢键碎坏作用。在蒸汽爆破过程中，水蒸气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、含水条件又会加剧对纤维素内部氢键的碎坏，游离出新的羟基，增加了
纤维素分子内的氢键。分子内氢键断裂的同时，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。这样使溶剂分子容易进入片层间，而渗入的溶剂进一步与纤维素大分子链进行溶剂化，并引起残留分子内氢键的碎坏，加速了葡萄糖环基的运动，最后导致其它晶区的完全碎坏，直至完全溶解。
（4）结构重排作用。在高温、高压下，纤维素分子内氢键受到一定程度的碎坏，纤维素链的可动性增加，有利于纤维素向有序结构变化。同时，纤维素分子链的断裂，使纤维素链更容易再排列。
一般认为汽爆破过程中，半纤维素发生部分自水解作用转化成单糖和低聚物，而木质素则降解成糖类和酚类低聚物。高温条件下，半纤维素链上水解下来的乙酰基生成乙酸又加剧了半纤维素的糖苷键和木质素上β－酯键的水解。因此，在一定范围内处理强度越大，则半纤维素的水解以及木质素的降解的程度越大，组分分离的效果越明显。
1.2.3蒸汽爆破过程
具有细胞结构的植物原料在高压(0.8—3.4MPa)、高温(180—240 o C)介质下汽相蒸煮，半纤维素和木质素产生一些酸性物质，使半纤维素降解成可溶性糖，同时复合胞间层的木质素软化和部分降解，从而消弱了纤维间的粘结。然后，突然减压，介质和物料共同作用完成物理的能量释放过程。物料内的汽相介质喷出瞬间急速膨胀，同时物料内的高温液态水迅速暴沸形成闪蒸，对外作功，使物料从胞间层解
离成单个纤维细胞。汽爆可分成两个阶段，首先是汽相蒸煮，高压蒸汽渗透到物料内的空隙，使半纤维素降解成可溶性糖，同时木质素软化和部分降解，降解纤维连结强度，为爆破过程提供选择性的机械分离。其次是爆破过程，利用汽相饱和蒸汽和高温液态水两种介质共同作用于物料，瞬间完成的绝热膨胀过程，对外作功。在爆破过程中，膨胀的气体以冲击波的形式作用于物料，使之物料在软化条件下产生剪切力变形运动。由于物料变形速度较冲击波速度小得多，使之多次产生剪切，使纤维有目的分离。二者相辅相成，汽相蒸煮条件的选择决定着汽爆目的性。汽相蒸煮的温度和蒸煮时间之间存在交互作用，根据Arrhenius定律，温度每升高10℃，热化学反应的速率加倍，温度的升高从而可缩短蒸煮时间，但爆破机械作用只有在汽相蒸煮临界点以上才能发挥出来。
1.2.4蒸汽爆破能耗
1.2.4.1 耗汽量
爆破过程的蒸汽消耗在下列几个方面：一为将设备预热到爆破温度。为保证在第一次爆破时能够达到预定的爆破压力和温度，设备必须先进行预热。由于加热从室温开始，所以耗汽量很大，而预热后再次爆破耗汽就大大减少；二为原料及水份的升温，水的比热大，含水率越高耗汽越多；三为蒸汽通过物料的孔隙以滤流的方式伴随物料漏出的蒸汽。塑化的物料压得很紧，物料间的孔隙率很小，通过的蒸汽量也很少；四为物料内细胞孔隙中所含的蒸汽。这部份蒸汽的骤然膨胀，产生爆炸效果，但蒸汽的密度比物料小得多，这部分蒸汽量也不大；五为设备热损失，这和物料在设备内的停留时间有关。连续爆破时第一项可以忽略，半连续爆破时设备温度有波动。但其热量大部分也可由物料吸收，扣除这些因素后，每kg风干物料消耗蒸汽量约为0.6kg左右，当然预浸的湿物料，或加水煮后再爆都将使耗汽量有所增加。若将爆后释放的常压蒸汽收集起来用于预热物料则将使汽耗下降，释放汽还可预热锅炉给水，作为采暖等生活用热温。
1.2.4.2爆破功率分析
由于爆破过程时间极短，可视为绝热膨胀。有效爆破功率（Pe）是以时间度量的有效爆破功。因此，Pe可用下式表示。
Pe
Ms Hs
Ts
Ml Hl
Tl
Mm Hm
Tm
=
?
+
?
+
?
???
其中 M ----------T 时间内膨胀的介质量
H--------爆破前后介质焓差
T-------------爆破时间
Φ-----------爆破系数
a------------爆破物质所占的比
ρ-----------爆破物质的密度
s, l, m ----(下标)分别代表汽相介质，高温液态水和爆破物料
从上述公式中可定性说明几个问题。
(1) 汽相介质
在物料间隙中的饱和蒸汽的爆破系数Φ接近于1，也就是说物料中的饱和蒸汽绝大部分以爆破的方式膨胀。a 代表物料中气体占的比例，液体比例大了，爆破效果就差。因此，物料中含水量对爆破作用影响较大。上述实验也证明了这一点。随着爆破压力增加，ρ值和△H 就升高。据物性手册介绍，汽相的焓低压时上升较快，在2.0Mpa 基本达到最大。因此，并非压力越高越好，另外，压力过高，操作时间极短，更不易控制。
(2) 液态介质
单位体积液态水和相同温度下水蒸气的热焓值(ρ.△H)相比的确
M a =????ρν
大得多，但它的膨胀系数极小。这部分的焓差需转化蒸气才有爆破作用。虽能减压闪蒸，由于汽化阻力太大，只有少量的汽化。因此， 系数极小。
(3) 爆破时间
物料的膨胀系数更小，但它对爆破时间和放料口处气相流失产生一定影响。放料口虽然越小，更多气体热能转化为动能，但放料时间加长，使较多气体在放料口流失。因此，放料口必须有一定比例。另外，物料的比表面积越小，即物料的尺寸大些，可减小放料口气体流失。