一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理方法及其装置

摘要

本发明公开一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理方法及其装置。本发明方法将秸秆原料初碎、清洗、干燥、二次粉碎、微碎预处理；将经过微碎预处理制得的秸秆粉料进行水解，所述水解方法为：在秸秆中添加润滑添加剂、水解主催化酸、水解助催化酸，其中秸秆∶润滑添加剂∶水解主催化酸∶水解助催化酸固液比为1000g∶6～10ml∶15ml∶100ml。本发明方法有效地将纤维素、半纤维素和木质素三者分离，将包裹在纤维素外的半纤维素和木质素脱离下来，降低植物细胞壁的聚合度，提高秸秆木质纤维素的水解效率；本装置结构简单、易于操作、秸秆微碎和水解效率高、成本低、易于工业化，为秸秆减水剂的合成创造有利条件，具有潜在的工业化价值和应用前景。

权利要求

1.一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理方法，其特征在于：具体过程如下：S1、秸秆原料微碎预处理：

将原料秸秆捆经自然风干后，进行初碎、清洗、干燥、二次粉碎、微碎预处理；所述初碎为将原料秸秆粉碎成1～3cm的秸秆段；所述清洗为水洗除去经过初碎步骤原料秸秆中的泥砂、杂质；所述干燥为将经过清洗步骤的原料秸秆烘干至含水率在10％以下，含水率以质量百分比计算；所述二次粉碎为将干燥后的原料秸秆粉碎成10mm以下的秸秆段；所述微碎预处理为将经过二次粉碎步骤的原料秸秆粉碎至400μm以下；

S2、秸秆粉料水解预处理：

将经过S1微碎预处理制得的秸秆粉料进行水解，所述水解方法为：在秸秆中添加润滑添加剂、水解主催化酸、水解助催化酸，其中秸秆∶润滑添加剂∶水解主催化酸∶水解助催化酸固液比为1000g∶6～10ml∶15ml∶100ml；

所述润滑添加剂为硬脂酸、油酸中的一种或两种组合物；

所述的水解主催化酸为一元羧酸、二元羧酸或多元羧酸中的一种或多种组合物；

所述的水解助催化酸为质量浓度30g/L的稀硫酸或稀盐酸。

2.如权利要求1所述一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理的装置，包括设备支架(1)，以及安装于设备支架(1)上的粉碎构件、清洗构件、烘干构件、储料罐组成，其特征在于：所述粉碎构件包括秸秆初碎模块(2)、二次粉碎模块(12)、卧式球磨机微碎(13)，其中设备支架(1)上设置的秸秆初碎模块(2)依次连接1#秸秆粗料输送风道(4)、清洗模块(5)、预烘干模块(6)、粗料输送带(7)、螺旋干燥器(8)、旋风分离器(9)、集料仓(10)、2#秸秆干粗料输送风道(11)、二次粉碎模块(12)、卧式球磨机微碎模块(13)、1#粉料输送带(14)、缓冲储罐(16)、

1#集料仓称重模块(15)、2#粉料输送带(17)、螺旋挤出水解机组(19)、2#集料仓称重模块(21)、带推车的储料罐(22)；所述螺旋挤出水解机组(19)外部设置有加热器(20)，螺旋挤出水解机组(19)上方设置有配料储罐组(18)；旋风分离器(9)的上方设置有开口，所述旋风分离器(9)的开口通过管道与预烘干模块(6)连接。

3.如权利要求2所述一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理的装置，其特征在于：所述秸秆初碎模块(2)上方开始有进料口，其下方开设有粉末集料口，其侧壁下方设置有初碎原料秸秆出料口，所述粉末集料口连接粉末集料箱，所述初碎原料秸秆出料口通过1#秸秆粗料输送风道(4)连接清洗模块(5)上方开设的进料口，所述清洗模块(5)的侧壁上开设的出料口与预烘干模块(6)侧壁上开设的出料口相连接；预烘干模块(6)的底部开设有预烘干原料秸秆出料口和热风进口，所述预烘干原料秸秆出料口通过粗料输送带(7)连接螺旋干燥器(8)侧壁中部开设的进料口，所述螺旋干燥器(8)的顶部开设有热风出口，其下端开设有热风进口，所述热风进口连接风机，所述螺旋干燥器(8)的热风出口连接旋风分离器(9)侧壁中部开设的进料口，旋风分离器(9)的上方设置有开口，其下部开设有分离出料口，所述旋风分离器(9)的开口通过管道与预烘干模块(6)下方的热风进口连接，分离出料口通过管道连接集料仓(10)顶部开设的进料口，其底部开设有集料仓出料口，集料仓出料口通过2#秸秆干粗料输送风道(11)连接二次粉碎模块(12)顶端的粉碎腔进料口，二次粉碎模块(12)底端开设有粉碎原料出料口，粉碎原料出料口连接卧式球磨机微碎模块(13)的进料口，卧式球磨机微碎模块(13)的出料口通过1#粉料输送带(14)连接缓冲储罐(16)顶部开设的进料口，缓冲储罐(16)底部开设的出料口连接1#集料仓称重模块(15)顶部开设的进料口，1#集料仓称重模块(15)底部开设的出料口通过2#粉料输送带(17)与螺旋挤出水解机组(19)的进料端连接，螺旋挤出水解机组(19)的出料端连接2#集料仓称重模块(21)的进料口，2#集料仓称重模块(21)的出料口连接带推车的储料罐(22)；所述螺旋挤出水解机组(19)由四个串联的

1#螺旋挤出机、2#螺旋挤出机、3#螺旋挤出机、4#螺旋挤出机组成，所述1#螺旋挤出机、2#螺旋挤出机、3#螺旋挤出机、4#螺旋挤出机上分别设置有与加热器(20)连接的加热管，螺旋挤出水解机组(19)上方设置有配料储罐组(18)，所述配料储罐组(18)由1#配料储罐、2#配料储罐和3#料储罐组成，1#配料储罐、2#配料储罐、3#配料储罐中的配液分别为润滑添加剂、水解主催化酸和水解助催化酸。

4.如权利要求3所述的一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理装置的使用方法，其特征在于：

a.微碎预处理制得的秸秆粉料，通过1#集料仓称重模块(15)称取，送入由1#螺旋挤出机、2#螺旋挤出机、3#螺旋挤出机、4#螺旋挤出机中进行水解；

b.在水解过程中，首先开启加热器(20)中50～60℃的水通过盘管换热器加热机身，然后把配料储罐组(18)中的配液同时加入；

c.物料在进入1#螺旋挤出机，开启蠕动泵或液位阀门控制把配料储罐组(18)中1#配料储罐、2#配料储罐和3#料储罐的配液同时缓慢加入到螺旋挤出水解机组(19)中；

d.1#螺旋挤出机放料进入2#螺旋挤出机进行水解；

e.开启新一轮的秸秆物料进入1#螺旋挤出机，加入配料储罐组(18)中1#配料储罐、2#配料储罐和3#配料储罐中的配液，保温混合物料和初步水解；所述配料储罐组(18)各配料储罐，设有连通式液位计和液位刻度尺；

f.2#螺旋挤出机进一步水解物料放料进入3#螺旋挤出机强化水解，1#螺旋挤出机放料进入2#螺旋挤出机进一步水解；

g.3#螺旋挤出机水解物料进入4#螺旋挤出机深度水解、2#螺旋挤出机物料进入3#螺旋挤出机、1#螺旋挤出机物料进入2#螺旋挤出机、新物料进入1#螺旋挤出机的“间歇式连续推进”过程；

h.4#螺旋挤出机深度水解后的物料放料，通过2#集料仓称重模块(21)称重后进入带推车的储料罐(22)中达到规定重量后运走，下一个带推车的储料罐(22)进入工作。

5.如权利要求4所述的一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理装置的使用方法，其特征在于：所述秸秆为小麦秸秆或玉米秸秆中的一种或结合。

6.如权利要求5所述的一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理装置的使用方法，其特征在于：所述预烘干模块(6)使用的热空气来自于螺旋干燥器(8)排出的废热空气，预烘干的空气温度为50～150℃。

7.如权利要求4所述的一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理装置的使用方法，其特征在于：所述卧式球磨机微碎模块(13)的球磨机为卧式球磨机，球磨参数为：秸秆原料粒径10mm以下，转速10～50r/min，秸秆原料装填量10～15Kg，铜球直径10～15mm，球磨时间10～

15min，出料粒径75～400μm。

8.如权利要求4所述的一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理装置的使用方法，其特征在于：秸秆与润滑添加剂的固剂比=1000g∶(6～10)ml；所述的秸秆与水解主催化酸的固酸比=

1000g∶(10～30)ml；秸秆与水解助催化稀酸的固酸比=1000g∶100ml；

所述的一元酸为次磷酸、甲酸、醋酸、苯甲酸、丙烯酸、甲基丙烯酸、硬脂酸、油酸中的一种或多种组合物；

所述的二元酸为亚磷酸、乙二酸、对苯二甲酸、衣康酸、马来酸、马来酸酐中的一种或多种组合物；

所述的多元酸为磷酸、柠檬酸中的一种或两种组合物。

9.如权利要求4所述的一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理装置的使用方法，其特征在于：所述螺旋挤出水解机组(19)的螺杆挤出机为单/双螺杆挤出机，电机转速控制在50～

80r/min，每批物料在单个螺杆挤出机一定水解时间均为5min，相应由4个螺旋挤出机组成的水解机组总水解时间为20min。

10.如权利要求8所述的一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理装置的使用方法，其特征在于：所述加热器(20)通过缠绕在螺旋挤出水解机组(19)机壳外的盘管换热器对机壳内物料加热，热介质流向与螺旋挤出水解机组(19)内物料走向相反，呈逆流换热。

说明书

一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理方法及其装置

技术领域

[0001] 本发明涉及秸秆减水剂前驱体秸秆原材料预处理方法和设备领域，具体地说是一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理方法及其装置。

背景技术

[0002] 目前，直接把生物质秸秆用于减水剂的研究报道很少，大多是从秸秆中提取分离出纤维素、木质素，或用秸秆生产造纸、乙醇所得黑液废水为原料，用于减水剂的改性研究
或与聚羧酸减水剂复配研究。

[0003] 木质素改性减水剂的研究，中国专利CN101337789 A“麦草碱木素缩合改性制备减水剂的方法”，将麦草碱木素加入到4.4～5.5倍重量的水中溶解，加入麦草碱木素重量0.6
～0.9％的硫酸铜，用烧碱溶液调节pH值为10～11，再加入麦草碱木素重量45～55％的无水
亚硫酸钠，升温至88～92℃，反应4～5h，制得磺化产品，其和定量的甲醛在pH值为11.6～
12.0、65～75℃条件下，进行缩合反应，制得减水剂。该方法制得的减水剂减水率低，只能作
为最普通的减水剂使用。中国专利CN 101759856 B“木质素磺酸钠减水剂的制备方法”，以
玉米芯、玉米芯酸解渣、甘蔗渣或玉米秸秆经过碱煮产生的黑液为原料，经过粗过滤、超滤
膜浓缩、磺化和喷雾干燥，制备出低含水量的木质素磺酸钠减水剂，该工艺对环境没有污
染、工序简单、成本低廉，但秸秆原料不能充分利用，浪费严重。中国专利CN 106698993 A
“一种聚羧酸减水剂”，利用废料白泥调浆、加热，再与玉米秸秆混均，再加入十二烷基硫酸
钠，搅拌后干燥挤压成块，酸浸得到水解液，利用CaO将秸秆水解液调到pH值为6.0～7.0，得
到的水解液经干燥、氧化、磺化后，加入到聚羧酸减水剂中，搅拌均匀后用超声波处理1～
2h，得到改性的聚羧酸系减水剂。该方法主要优势是将造纸废液用于制备聚羧酸减水剂，能
够很好地变废为宝，利用其中的强碱对玉米秸秆进行前处理，使得其能够更好地浸酸进行
水解。其实质是利用秸秆中的木质素磺化与减水剂复配。中国专利CN 102936110A“一种木
质素磺酸盐‑聚羧酸共聚复合高性能减水剂及制备方法”，以木质素磺酸盐、甲基烯丙基聚
氧乙烯醚和丙烯酸在过硫酸铵的作用下直接合成，氢氧化钠中和而得。其实质是木质素磺
酸盐改性聚羧酸减水剂。

[0004] 目前直接把生物质秸秆用于减水剂的研究，主要有两篇报道：中国专利CN106279574 A“一种利用秸秆改性的聚羧酸减水剂及其制备方法”，第一步，秸秆预处理：
将秸秆粉碎后，加入稀酸，搅拌混合均匀后浸泡18～36h，过滤并用清水冲洗秸秆至中性；第
二步，制备利用秸秆改性的聚羧酸减水剂：将甲代烯丙基聚氧乙烯基‑1000、甲代烯丙基聚
氧乙烯基‑2400、马来酸酐、丙烯酰胺、甲基丙烯磺酸钠和秸秆加入四回流装置和恒压滴液
漏斗，恒压滴液漏斗内加入过硫酸铵，开始滴加引发剂过硫酸铵，滴加速度为2～4滴/s，滴
加完毕后保温4～5h；降温至35～45℃，调节pH至6.8～7.2，即可得到利用秸秆改性的聚羧
酸减水剂。中国专利CN 105713164 B“一种利用秸秆制备的脂肪族减水剂及其制备方法”，
通过秸秆酸洗、秸秆改性脂肪族减水剂等步骤制备而成。具体为：秸秆进行预处理，将玉米
秸秆或小麦秸秆粉碎后，加入稀酸，搅拌混合均匀后浸泡18～36h，过滤并用清水冲洗秸秆
至中性；在反应釜中加入水，然后加入亚硫酸钠，溶解；在溶解后的亚硫酸钠溶液中加入丙
酮，磺化8～12min；然后加入预处理后的秸秆，搅拌反应20～40min；向溶液中加入甲醛，90
～95℃下再反应1～2h，制备秸秆改性脂肪族减水剂。该技术对秸秆废弃物资源进行了有效
利用，改善了现有的脂肪族减水剂缓凝效果差的缺点，提高了脂肪族减水剂的应用范围，降
低了生产成本。

[0005] 但这两项研究结果只是实验室的小试摇瓶试验，一是对秸秆的粉碎没有提出细碎的程度和方法，只是说秸秆粉碎，二是秸秆水解采用常规的稀盐酸或稀硫酸水解，会带入过
量的氯离子和硫酸根离子，影响减水剂性能，三是没有提出工业化试验的设想与构思，距离
产业化生产装置和生产系统还有很大的距离。

[0006] 农作物秸秆直接改性制备减水剂，对秸秆原料的预处理要求也很高，将细碎的粒度和水解效果直接影响所制备的减水剂性能，这也是秸秆基减水剂产业化生产必须考虑的
关键问题，否则起不到新型减水剂的开发利用价值。然而利用农作物秸秆来直接制备减水
剂的秸秆原料的微碎和水解预处理方法和设备装置，尚未见到这方面的报道。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提出一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理方法，本方法有效地将纤维素、半纤维素和木质素三者分离，将包裹在纤维素外的半纤维素和木质素脱离下来，降
低植物细胞壁的聚合度，提高秸秆木质纤维素的水解效率；本发明的另一个目的在于提出
一种预处理秸秆原料制备秸秆减水剂装置。

[0008] 为实现上述目的，本发明所述一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理方法，具体过程如下：

[0009] S1、秸秆原料微碎预处理：

[0010] 将原料秸秆捆经自然风干后，进行初碎、清洗、干燥、二次粉碎、微碎预处理；所述初碎为将原料秸秆粉碎成1～3cm的秸秆段；所述清洗为水洗除去经过初碎步骤原料秸秆中
的泥砂、杂质；所述干燥为将经过清洗步骤的原料秸秆烘干至含水率在10％以下，含水率以
质量百分比计算；所述二次粉碎为将干燥后的原料秸秆粉碎成10mm以下的秸秆段；所述微
碎预处理为将经过二次粉碎步骤的原料秸秆粉碎至400μm以下；

[0011] S2、秸秆粉料水解预处理：

[0012] 将经过S1微碎预处理制得的秸秆粉料进行水解，所述水解方法为：在秸秆中添加润滑添加剂、水解主催化酸、水解助催化酸，其中秸秆∶润滑添加剂∶水解主催化酸∶水解助
催化酸固液比为1000g∶6～10ml∶15ml∶100ml。

[0013] 本发明所述一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理的装置，包括设备支架，以及安装于设备支架上的粉碎构件、清洗构件、烘干构件、以及储料罐组成，所述粉碎构件包括秸秆
初碎模块、二次粉碎模块、卧式球磨机微碎，其中设备支架上设置的秸秆初碎模块依次连接
1#秸秆粗料输送风道、清洗模块、预烘干模块、粗料输送带、螺旋干燥器、旋风分离器、集料
仓、2#秸秆干粗料输送风道、二次粉碎模块、卧式球磨机微碎模块、1#粉料输送带、缓冲储
罐、1#集料仓称重模块、2#粉料输送带、螺旋挤出水解机组、2#集料仓称重模块、带推车的储
料罐；所述螺旋挤出水解机组外部设置有加热器，螺旋挤出水解机组上方设置有配料储罐
组；旋风分离器的上方设置有开口，所述旋风分离器的开口通过管道与预烘干模块连接。

[0014] 所述一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理的装置，所述秸秆初碎模块上方开始有进料口，其下方开设有粉末集料口，其侧壁下方设置有初碎原料秸秆出料口，所述粉末集料口
连接粉末集料箱，所述初碎原料秸秆出料口通过1#秸秆粗料输送风道连接清洗模块上方开
设的进料口，所述清洗模块的侧壁上开设有出料口与预烘干模块侧壁上开设有出料口相连
接；预烘干模块的底部开设有预烘干原料秸秆出料口和热风进口，所述预烘干原料秸秆出
料口通过粗料输送带连接螺旋干燥器侧壁中部开设的进料口，所述螺旋干燥器的顶部开设
有热风出口，其下端开设有热风进口，所述热风进口连接风机，所述螺旋干燥器的热风出口
连接旋风分离器侧壁中部开设的进料口，旋风分离器的上方设置有开口，其下部开设有分
离出料口，所述旋风分离器的开口通过管道与预烘干模块下方的热风进口连接，分离出料
口通过管道连接集料仓顶部开设的进料口，其底部开设有集料仓出料口，集料仓出料口通
过2#秸秆干粗料输送风道连接二次粉碎模块顶端的粉碎腔进料口，二次粉碎模块底端开设
有粉碎原料出料口，粉碎原料出料口连接卧式球磨机微碎模块的进料口，卧式球磨机微碎
模块的出料口通过1#粉料输送带连接缓冲储罐顶部开设的进料口，缓冲储罐底部开设的出
料口连接1#集料仓称重模块顶部开设的进料口，1#集料仓称重模块底部开设的出料口通过
2#粉料输送带与螺旋挤出水解机组的进料端连接，螺旋挤出水解机组的出料端连接2#集料
仓称重模块的进料口，2#集料仓称重模块的出料口连接带推车的储料罐；所述螺旋挤出水
解机组由四个串联的1#螺旋挤出机、2#螺旋挤出机、3#螺旋挤出机、4#螺旋挤出机组成，所
述1#螺旋挤出机、2#螺旋挤出机、3#螺旋挤出机、4#螺旋挤出机上分别设置有与加热器连接
的加热管，螺旋挤出水解机组上方设置有配料储罐组，所述配料储罐组由1#配料储罐、2#配
料储罐和3#料储罐组成，1#配料储罐、2#配料储罐、3#配料储罐中的配液分别为润滑添加
剂、水解主催化酸和水解助催化酸；旋风分离器的上方设置有开口，所述旋风分离器的开口
通过管道与预烘干模块的下方开口连接。

[0015] 所述的一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理装置的使用方法，实现步骤如下：

[0016] a.微碎预处理制得的秸秆粉料，通过1#集料仓称重装置称取，送入由1#螺旋挤出机、2#螺旋挤出机、3#螺旋挤出机、4#螺旋挤出机中进行水解；

[0017] b.在水解过程中，首先开启加热器中50～60℃的水通过盘管换热器加热机身，然后把配料储罐组中的配液同时加入；

[0018] c.物料在进入1#螺旋挤出机，开启蠕动泵或液位阀门控制把配料储罐组中1#配料储罐、2#配料储罐和3#料储罐的配液同时缓慢加入到螺旋挤出水解机组中；

[0019] d.1#螺旋挤出机放料进入2#螺旋挤出机进行水解；

[0020] e.开启新一轮的秸秆物料进入1#螺旋挤出机，加入配料储罐组中1#配料储罐、2#配料储罐和3#配料储罐中的配液，保温混合物料和初步水解；所述配料储罐组各配料储罐，
设有连通式液位计和液位刻度尺；

[0021] f.2#螺旋挤出机进一步水解物料放料进入3#螺旋挤出机强化水解，1#螺旋挤出机放料进入2#螺旋挤出机进一步水解；

[0022] g.3#螺旋挤出机水解物料进入4#螺旋挤出机深度水解、2#螺旋挤出机物料进入3#螺旋挤出机、1#螺旋挤出机物料进入2#螺旋挤出机、新物料进入1#螺旋挤出机的“间歇式连
续推进”过程；

[0023] h.4#螺旋挤出机深度水解后的物料放料，通过2#集料仓称重装置称重后进入带推车的储料罐中达到规定重量后运走，下一个带推车的储料罐进入工作。

[0024] 所述秸秆为小麦秸秆或玉米秸秆中的一种或结合。

[0025] 所述预烘干模块使用的热空气来自于螺旋干燥器排出的废热空气，预烘干的空气温度为50～150℃。

[0026] 所述卧式球磨机微碎模块的球磨机为卧式球磨机，球磨参数为：秸秆原料粒径10mm以下，转速10～50r/min，秸秆原料装填量10～15Kg，铜球直径10～15mm，球磨时间10～
15min，出料粒径75～400μm。

[0027] 所述的润滑添加剂为硬脂酸、油酸中的一种或两种组合物，秸秆与润滑添加剂的固剂比＝1000g∶(6～10)ml；所述的秸秆与水解主催化酸的固酸比＝1000g∶(10～30)ml；所
述的水解助催化酸配液为质量浓度30g/L的稀硫酸或稀盐酸，秸秆与水解助催化稀酸的固
酸比＝1000g∶100ml；

[0028] 所述的水解主催化酸配液为一元(羧)酸、二元(羧)酸或多元(羧)酸中的一种或多种组合物；

[0029] 所述的一元(羧)酸为次磷酸、甲酸、醋酸、苯甲酸、丙烯酸、甲基丙烯酸、硬脂酸、油酸中的一种或多种组合物；

[0030] 所述的二元(羧)酸为亚磷酸、乙二酸(草酸)、对苯二甲酸、衣康酸、马来酸、马来酸酐中的一种或多种组合物；

[0031] 所述的多元(羧)酸为磷酸、柠檬酸中的一种或两种组合物。

[0032] 原则要求酸加入量随一元、二元和多元酸释放H+的特点依次减少，加入一元(羧)酸时，秸秆∶主催化酸的固酸比＝1000g∶30ml；加入二元(羧)酸时，秸秆∶主催化酸的固酸比
＝1000g∶20ml；加入三元(羧)酸时，秸秆与润滑添加剂的固剂比＝1000g∶(6～10)ml；秸秆∶
主催化酸的固酸比＝1000g∶15ml为宜；秸秆与水解助催化稀酸的固酸比＝1000g∶100ml。

[0033] 所述螺旋挤出水解机组的螺杆挤出机为单/双螺杆挤出机，电机转速控制在50～80r/min，每批物料在单个螺杆挤出机一定水解时间均为5min，相应由4个螺旋挤出机组成
的水解机组总水解时间为20min。

[0034] 所述1#集料仓称重装置与2#集料仓称重装置为悬挂式结构，能对秸秆粉料的精确称重，便于粉料的精准投放，确保水解质量。

[0035] 所述加热器通过缠绕在螺旋挤出水解机组机壳外的盘管换热器对机壳内物料加热，热介质流向与螺旋挤出水解机组内物料走向相反，呈逆流换热。

[0036] 所述的水解助催化酸配液为质量浓度30g/L的稀硫酸或稀盐酸，秸秆与水解助催化稀酸的固酸比＝1000g∶100ml。

[0037] 所述的螺杆挤出机为单/双螺杆挤出机，电机转速控制在50～80r/min。

[0038] 所述的一定水解时间，由于连续操作，每批物料在单个螺杆挤出机一定水解时间均为5min，相应由4个螺旋挤出机组成的水解机组总水解时间为20min。

[0039] 所述的配料储罐组的各配料储罐，设有简单的连通式液位计和液位刻度尺，便于各自配液的控制和分步加料。

[0040] 所述的加热器通过缠绕在螺旋挤出机机壳外的盘管换热器对机壳内物料加热，热介质流向与螺旋挤出机内物料走向相反，呈逆流换热。

[0041] 所述的集料仓称重模块为悬挂式结构，能对秸秆粉料的精确称重，便于粉料的精准投放，确保水解质量。

[0042] 本发明所述一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理方法及其装置，其有益效果在于：

[0043] (1)本装置的使用方法能够将原料便于清洗干净，又防止秸秆粉碎太细而在清洗过程中造成秸秆粉料中的有机成分大量损失和后续液‑固分离的困难；

[0044] (2)清洗后的秸秆段经过预烘干模块和螺旋干燥器的干燥工艺，预烘干模块使用的热空气来自于螺旋干燥器排出的废热空气，实现能源的充分利用，烘干效率高，易于达到
秸秆的含水率在10％以下的水平(以质量百分比计算)；

[0045] (3)利用球磨机的特点，易于把1～3cm左右的秸秆段细碎75～400μm的秸秆粉，便于后续的水解和减水剂的制备；球磨处理之后秸秆中的木质素成分基本被破坏，木质素的
降解使得纤维素更容易被水解，长时间球磨之后秸秆的结晶度都会下降，无定形态纤维素
的比率和反应活性面积增大，从而使得秸秆的纤维素更容易被弱酸渗透，更容易被水解；

[0046] (4)充分利用农作物秸秆的纤维素、半纤维素和木质素等生物基大分子组成成分，大分子中含有醚基、碳‑碳双键、丙烯醇羟基、酚羟基、羰基、甲氧基、羧基、苯环等多种官能
团和化学键的复杂特点，采用半干法(秸秆中水含量达10％左右，又加入液相水解催化酸)
螺旋挤出联合有机/无机酸混酸预处理方法降解秸秆原料，对设备的腐蚀性小、降解率高、
反应过程简单、反应条件温和、成本低、易于工业化应用；

[0047] (5)半干法螺旋挤出联合有机/无机酸混酸预处理秸秆原料所使用的有机酸主催化剂可作为后续制备减水剂所需不饱和小分子单体，尤其不饱和羧酸小分子单体能积极参
与后续的聚羧酸减水剂的合成，稍加过量也无需担心影响产品性能；

[0048] (6)半干法螺旋挤出联合有机/无机酸混酸预处理秸秆木质纤维素原料过程中，不仅秸秆木质素、半纤维素和纤维素之间的进一步分离，秸秆水解的主要产物是甘露糖、葡萄
糖、半乳糖、木糖和阿拉伯糖。同时还发生各种复杂的反应，会伴随产生一些小分子化合物，
如预处理物料液相中通常有水解糖、有机酸、糠醛、5‑羟甲基糠醛和酚类化合物等；半纤维
素可伴随产生乙酸、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、半乳糖和葡萄糖等化合物；纤维素可产生葡萄
糖；木质素可产生酚类化合物；抽取物和灰分等可产生木材树脂等。同时，还有部分阿拉伯
糖和木糖进一步水解转化为糠醛、甘露糖和半乳糖及葡萄糖进一步水解转化为羟甲基糖
醛、糖醛进一步水解转化为甲酸、羟甲基糖醛进一步水解转化为甲酸和乙酰丙酸。生成的小
分子化合物均可作为合成减水剂所需的小分子单体，具有各自的特性，如单糖、多糖、羧酸
的的缓凝减水作用，糖醛和酚类化合物的保坍作用等，并且生成的甲酸、乙酸和乙酰丙酸等
有机弱酸提供H+，对水解有促进作用，加速水解过程，显著促进秸秆中纤维素和木质素的降
解，糖化率较高，反应条件温和，反应过程简单且基本无污染，易于工业化生产。

[0049] (7)利用螺杆挤出机具有平推流、高速挤压和强剪切的作用特点，长时间的高速挤压和强剪切的作用，进一步使得秸秆的结晶度下降，无定形态纤维素的比率和反应活性面
积进一步增大，从而使得秸秆的纤维素更容易被弱酸渗透，更容易被水解，使得秸秆水解变
得更为高效，并且易于控制，同时，由于在螺杆挤出机身外壳带有盘管式换热器，便于升温，
加快反应和易于操作；

[0050] (8)与螺杆挤出机组配套有配料储罐组，便于各自配液的控制和分步加料，螺杆挤出机组串联，延长螺杆挤出机内的水解时间，提高水解效率，易于实现“间歇式连续”操作过
程。

[0051] (9)配料储罐组设有简单的连通式液位计和液位刻度尺，便于控制液体物料的投放量；悬挂式称重集料仓模块，能对秸秆粉料的精确称重，便于粉料的精准投放，确保水解
质量。

[0052] (10)该套生产系统，工艺连续紧凑、设备简单、易于操作、秸秆微碎和水解效率高、成本低、易于工业化，为秸秆基减水剂的合成创造有利条件，具有潜在的工业化价值和应用
前景。

附图说明

[0053] 图1为本发明实施例的结构示意图；

[0054] 图中：1‑设备支架；2‑秸秆初碎模块；3‑原料秸秆捆；4‑1#秸秆粗料输送风道；5‑清洗模块；6‑预烘干模块；7‑粗料输送带；8‑螺旋干燥器；9‑旋风分离器；10‑集料仓；11‑2#秸
秆干粗料输送风道；12‑二次粉碎模块；13‑卧式球磨机微碎模块；14‑1#粉料输送带；15‑1#
集料仓称重模块；16‑缓冲储罐；17‑2#粉料输送带；18‑配料储罐组；19‑螺旋挤出水解机组；
20‑加热器；21‑2#集料仓称重模块；22‑带推车的储料罐。

具体实施方式

[0055] 下面对实施例中所用的秸秆原料是2017年秋季甘肃省天水地区收获的小麦秸秆和玉米秸秆、从新疆地区收获的棉花秸秆，收获后的秸秆经风干后，将干燥的秸秆(包括根
茎叶)经粉碎、研磨后所得的微细粉料进行木质素、半纤维素和纤维素等组成含量分析检
测，分析结果如下表1所示(以干物质计，质量分数％)；

[0056] 表1 秸秆组成含量分析检测数据

[0057] (干基质量，质量分数％)

[0058] 原料组分％ 纤维素 半纤维素 木质素 含水率 灰分小麦秸秆 36.7 27 15.4 5.46 13.1
玉米秸秆 38.1 21.1 18.0 6.77 11.5

[0059] 实施例1

[0060] 本发明所述一种秸秆减水剂的秸秆原料预处理方法，如图1所示，具体步骤如下：

[0061] S1、秸秆原料微碎预处理：

[0062] 将原料秸秆捆3经自然风干后，先经过秸秆初碎模块2粉碎成1～3cm的秸秆段，放料通过1#秸秆粗料输送风道4送入清洗模块5中，把初碎秸秆段中的泥砂等杂质清洗干净，
清洗后的秸秆段通过清洗模块5的出料口送入预烘干模块6进行初步烘干，再通过粗料输送
带7送入螺旋干燥器8进一步干燥，干燥后的秸秆段由螺旋干燥器8的上部吹出并进入与螺
旋干燥器8出料口相连的旋风分离器9中进行气固分离，获得的秸秆段固料投放入集料仓10
中，再通过2#秸秆粗料输送风道11送入二次粉碎模块12中，粉碎成10mm以下的秸秆段，放料
进入卧式球磨机微碎模块13中进行球磨细碎，粉碎原料出料粒度400μm以下，停止球磨，排
料；

[0063] 所述卧式球磨机微碎模块13中的球磨机为行星卧式球磨机，秸秆原料粒径10mm以下，转速10～50r/min，原料装填量15Kg，装球量1500个，其中直径为10mm的铜球1000个，直
径为15mm的铜球500个，球磨时间15min，所得微粉碎原料粒径在75～400μm之间；

[0064] S2、秸秆粉料水解预处理：

[0065] S1预处理制得的秸秆粉料，将卧式球磨机微碎模块13中的原料通过1#粉料输送带14送入缓冲储罐16中，缓冲储罐16中的原料进入1#集料仓称重装置15，将1#集料仓称重装
置15中的原料称取15000g，送入由1#、2#、3#、4#螺旋挤出机串联组成的“之字形”螺旋挤出
水解机组19中进行水解；在水解过程中，首先开启加热器20中将50～60℃的水通过盘管换
热器加热机身，然后把配料储罐组18中的配液同时加入，物料在进入1#螺旋挤出机，开启蠕
动泵或液位阀门控制把配料储罐组18中1#配料储罐、2#配料储罐和3#料储罐的配液同时缓
慢加入到螺旋挤出水解机组19中，1#、2#和3#配料储罐中的配液分别为一定浓度剂量的润
滑添加剂、水解主催化酸和水解助催化酸，保温混合物料和初步水解一定时间后放料进入
2#螺旋挤出机进一步水解，开启新一轮的秸秆物料进入1#螺旋挤出机，加入配料储罐组18
中1#、2#和3#配料储罐中的配液，保温混合物料和初步水解，此过程中2#螺旋挤出机进一步
水解物料放料进入3#螺旋挤出机强化水解，1#螺旋挤出机放料进入2#螺旋挤出机进一步水
解；之后的过程是3#螺旋挤出机水解物料进入4#螺旋挤出机深度水解、2#螺旋挤出机物料
进入3#螺旋挤出机、1#螺旋挤出机物料进入2#螺旋挤出机、新物料进入1#螺旋挤出机的“间
歇式连续”过程，最后4#螺旋挤出机深度水解后的物料放料，通过2#集料仓称重装置21称重
后进入带推车的储料罐22中达到规定重量后运走，下一个带推车的储料罐22进入工作；

[0066] 所述的润滑添加剂为油酸，秸秆与油酸的固剂比＝1000g∶10ml；

[0067] 所述的水解主催化酸为一元(羧)酸为代表的丙烯酸，秸秆与丙烯酸的固酸比＝1000g∶30ml；

[0068] 所述的水解助催化酸为质量浓度为30g/L的稀硫酸，秸秆与稀硫酸的固酸比＝1000g∶100ml；

[0069] 所述的螺杆挤出机为单螺杆挤出机，机转速控制为50r/min；

[0070] 所述的单个螺杆挤出机水解时间为2.5min，相应4个螺旋挤出机组成的水解机组总水解时间分别为10min。

[0071] 实施例2

[0072] 本发明所述一种秸秆基减水剂的秸秆原料微碎‑水解预处理方法，具体步骤如下：

[0073] S1：秸秆原料微碎预处理，具体过程完全同实施例1的S1过程；

[0074] S2：秸秆粉料水解预处理，过程完全同实施例1的S2过程，区别在于加入的水解催化酸不同，具体表现在：

[0075] 所述的润滑添加剂为硬脂酸，秸秆与硬脂酸的固剂比＝1000g∶10ml；

[0076] 所述的水解主催化酸是以衣康酸为代表的二元(羧)酸，秸秆与衣康酸的固酸比＝1000g∶20ml；

[0077] 所述的水解助催化酸为质量浓度为30g/L的稀盐酸，秸秆与稀盐酸的固酸比＝1000g∶100ml。

[0078] 实施例3

[0079] 本发明所述一种秸秆基减水剂的秸秆原料微碎‑水解预处理方法，具体步骤如下：

[0080] S1：秸秆原料微碎预处理，具体过程完全同实施例1的S1过程；

[0081] S2：秸秆粉料水解预处理，过程完全同实施例1的S2过程，区别在于加入的水解催化酸不同，具体表现在：

[0082] 所述的润滑添加剂为硬脂酸和油酸各占1/2的混合物，秸秆与润滑添加剂的固剂比＝1000g∶10ml。

[0083] 所述的水解主催化酸是以柠檬酸为代表的多元(羧)酸，秸秆与柠檬酸的固酸比＝1000g∶15ml；

[0084] 所述的水解助催化酸为质量浓度为30g/L的稀硫酸和稀盐酸各占1/2的混合酸，秸秆与助催化酸的固酸比＝1000g∶100ml。

[0085] 比较例1

[0086] 常规秸秆原料粉碎‑常规无机酸水解预处理方法，具体步骤如下：

[0087] S1：秸秆原料粉碎预处理，具体过程如下：

[0088] 秸秆原料粉碎、清洗、干燥预处理；一定量的原料秸秆捆经自然风干后，先经过常规的农用秸秆粉碎机粉碎成1～3cm的秸秆段；再经清洗模块5把其中的泥砂等杂质清洗干
净；之后再分别经过预烘干模块6和螺旋干燥器8)进行二次烘干，使秸秆的含水率在10％以
下(以质量百分比计算)。

[0089] S2：秸秆粉料水解预处理，具体过程如下：

[0090] S1预处理制得的秸秆粉料，称取15000g，送入常规的降解设备‑加热反应釜中进行水解。在水解过程中，以稀硫酸或稀盐酸作为催化酸水解，采用稀酸浸泡搅拌器搅拌的水解
方法。首先加入质量浓度为10g/L的稀硫酸60L，要求催化酸提供的H+数量理论上与实施例
1、2、3基本相同，在水解温度为50℃，水解时间分别取20min、60min、120min、180min的条件
下水解。

[0091] 比较例2

[0092] 常规秸秆原料粉碎‑本发明有机酸/无机酸混合水解预处理方法和设备装置，具体步骤如下：

[0093] S1：秸秆原料粉碎预处理，具体过程与比较例1的S1过程相同，制备的秸秆粉料粒度1～3cm。

[0094] S2：秸秆粉料水解预处理，具体过程与实施例1的S2过程相同，是在螺旋挤出机水解机组中以有机酸/无机酸混酸作为催化酸水解。

[0095] 比较例3

[0096] 本发明秸秆原料球磨微碎‑常规无机酸水解预处理方法和设备装置，具体步骤如下：

[0097] S1：秸秆原料粉碎预处理，具体过程与实施例1的S1过程相同，最后球磨制备的秸秆粉料粒度75～400μm。

[0098] S2：秸秆粉料水解预处理，具体过程与比较例1的S2过程相同，是在加热反应釜中以无机酸硫酸作为催化酸水解。

[0099] 水解液糖含量测定

[0100] 水解效果以水解液总糖含量(包括：甘露糖、葡萄糖、半乳糖、木糖阿拉伯糖)为评价依据。实施例和比较例中综合考虑了秸秆预处理过程中秸秆物料粒度、催化酸种类及用
量、水解设备特性等对秸秆水解效果的影响，并对本工艺的水解方法和设备装置作出评价。

[0101] 秸秆水解后物料，取量1g，加60ml纯净水溶解，搅拌5min，浆料取出在离心机上分离，离心转速500r/min，时间5min，分离上清液用于测定还原性糖和单糖组分含量。采用3，
5‑二硝基水杨酸法测定可溶性糖含量，评价秸秆木质纤维素的水解效果。剩下的沉淀是未
被水解的秸秆木质纤维素及其不溶性物料，继续用于后续秸秆木质纤维素的氧化磺化改性
和在减水剂的应用。

[0102] 实施例1‑3和比较例1‑3的水解效果如表2所示。

[0103] 表2 秸秆粉料粒径、水解催化酸、水解时间、水解方法对水解效果(糖含量)的影响：

[0104]

[0105] 从表2可以看出：秸秆粒度、水解催化酸的种类、水解时间、处理方法均对水解液总糖含量都有影响。实施例1‑3的水解效果优于比较例1‑3的水解效果。

[0106] 秸秆粒度越小，越有利于秸秆水解、总糖含量越高、水解时间越短、水解效果越好。这是由于：球磨处理秸秆，可以显著减小纤维素材料的尺寸，进一步破坏了纤维素晶体的有
序结构，降低纤维素的结晶度，增大其反应表面，提高其对化学试剂的可及性，使其更容易
被催化酸所降解，促进了碳水化合物聚合物向糖转变，因此，秸秆粒度越小，越有利于秸秆
的水解。

[0107] 从表2可以看出，在提供相同H+的有机酸联合无机酸与只用无机酸对秸秆降解效果影响不大，期初无机酸降解占优势，随着降解时间的延长，有机酸联合无机酸降解逐步占
优势的趋势。这可能是由于：有机酸联合无机酸作为秸秆水解催化酸，有机酸水解释放H+的
速度较无机酸水解释放H+的速度慢，水解前期无机酸占主导优势，随着水解的进行，无机酸
浓度越来越低，释放H+的速度变缓，有机酸对水解又具有优势，在理论释放相同H+的情况
下，最终出现有机酸联合无机酸与只用无机酸对秸秆降解效果影响不大的结果。

[0108] 从表2可以看出，在螺旋挤出机中进行水解效果远远优于在常规的反应釜中进行的效果。在几乎相同的最佳水解效果条件下，螺旋挤出机中进行水解的水解时间只为常规
的反应釜中进行水解的水解时间的1/8～1/9。这是由于螺旋挤出机具有较强的混合能力，
是典型的“三传一反”过程强化设备。通过螺杆挤出机的高速挤压和强剪切后，秸秆粒度进
一步减小，并在挤压过程中，物料和螺杆叶片之间、物料和物料之间产生很大的摩擦力，致
使物料发生压溃、细胞壁破裂完全、木质素和纤维素进一步分离，木质纤维素微孔增加，比
表面积增大，进一步改善了化学试剂的可及度。螺旋挤压过程中产生的机械热能使物料温
度升高，加快水解反应。随着螺旋挤出水解的进行，被降解的木质纤维素会不断产生很多的
可被溶液渗透和分解的活性点，对化学试剂的可及性增大，从而降解率提高。螺旋挤压和有
机酸联合无机酸水解的协同作用，提高了秸秆的水解效率，极大地缩短了水解时间。

[0109] 从表2可以看出：对于粒度为75～400μm的秸秆微粉，随着水解时间的延长，水解液的总糖含量出现出现先增后减的趋势，水解20min为极大值点。当然，1～3cm、2～10mm的秸
秆水解过程，随着时间的延长，也会出现这一现象，只是出现的时间点不同而已。这主要是
由于：螺旋挤出水解时间的延长不利于木质纤维素的降解，由于随着时间的延长，部分糖进
一步转化为其它产物，造成糖含量的下降。

[0110] 秸秆水解选用有机酸主催化剂可作为后续制备减水剂所需小分子单体，尤其不饱和羧酸单体能积极参与后续的聚羧酸减水剂的合成，稍加过量也无需担心影响产品性能。
并且降低和避免了无机酸盐酸或硫酸作为水解酸而带入过量的氯离子和硫酸根离子，对其
后续合成的秸秆基减水剂在钢筋混凝土的应用中会具有腐蚀性等不利的影响。

[0111] 以玉米秸秆、棉花秸秆、油料秸秆为原料，均有类似的效果。