蒸汽爆破工艺概念澄清

蒸汽爆破工艺概念澄清
（鹤壁市汽爆工程技术研究中心，458000）
关键词：蒸汽爆破热喷放挤压膨化连续汽爆白酒酿造淀粉加工
第一部分理论概念
一、爆的物理概
爆的物理概念为：能量在短时间突发性全部释放完毕。

在化学反应、核反应以及物理减压过程，衡量其突发性的表征之一便是看其在能量释放时是否伴有“炸响”声即伴随冲击波产生，其反应过程在毫秒级时间内完成。

比如鞭炮装以少量火药便可将本体炸碎，同时伴随有清脆而响亮的鞭炮声。

烟花尽管装药量比鞭炮多，但由于火药能量释放是长时间依次释放形式，故不能将本体炸碎。

因此，无论是炸药还是压力容器所产生的爆破，只有具备了突发性炸响声，可产生爆破冲击波才属于物理意义上的真正的爆破。

与此不同，一些通过打开快放阀门，使容器内压力迅速降低的减压过程由于没有产生毫秒级冲击波，参与反应物料是依次按前后顺序从高压向低压反应释放平衡，故不会产生剧烈的炸响声，减压过程远未达到毫秒级将全部容器内物料降为常压，均不具备爆破及蒸汽爆碎的必备条件。

这些做功过程由于时间较长，不产生瞬间大功率，也就无法达到爆破所预期的物理化学效果。

如果将快速打开与容器相连阀门的过程，定义为蒸汽爆破或定义为蒸汽爆破的另一种形式，则将会引起大规模改写目前世界各国教科书中关于“爆”的公认物理学定义。

如果将每一次快速打开阀门的操作均称为爆破过程，则将会引起生活或生产中对阀门操作的概念恐惧与误解；因为我们在日常生活与工业生产中经常会遇到操作各类阀门。

如果利用一个压力容器加个阀门的设备进行生物质预处理时，将名为汽爆，实为热喷放所取得的所谓科研成果，称为是汽爆科研成果，则犹如羊头与狗肉的关系。

如果将一个压力容器加个阀门的设备称为“汽爆机”或“蒸汽爆破机的另一种形式”，则未免显得荒唐而滑稽。

如果使用一个压力容器加个阀门的设备做出的结果冒充汽爆结果，则涉嫌学术造假。

一个压力容器加个阀门的设备只能做有关热喷放状态的结果，但绝对做不出有关汽爆的结果。

如果将一个压力容器加个阀门的设备申报涉及“汽爆机”的专利，居然被受理;又居然被授予专利权，就如同将专利授予永动机一样的可笑。

如果………。

我们从不否定热喷放物理过程所应有的科学价值，但热喷放不能假冒蒸汽爆破华容取宠，误导后人学者。

科学的重要原则是实事求是，是追求真实，是需要通过标准实验取得的。

如果不具备标准汽爆工艺实验台；其汽爆数据从何而来？一切建立在不真实基础上所产生的汽爆著作、汽爆成果、汽爆项目、汽爆研究，均是无效而有害的，他们从不敢公开关于汽爆的重要数据-爆发速度；也不敢公开他们的“汽爆”实验设备的爆发速度。

从一个没有爆发速度的汽爆设备所取得的结果，我们有理由怀疑它的真实性与学术价值。

二、汽爆机气体动力学基础
汽爆机的放气速度设计是按超音速设计。

其计算依据是气体力学基本方程。

该方程式可精确计算汽爆过程时间，及气体膨胀降温后的温度。

目前汽爆机的爆速是依据该方程式按0.00875秒设计。

在这个爆速下，水蒸汽可从260℃在0.00875秒的时间内降至-46℃，实现绝热膨胀做功。

而目前所谓的3立方、5立方伪汽爆，经气体力学基本方程验算，它的喷放时间为10.5秒，两者相差1200倍。

由于放气时间远远超出了气体力学基本方程范围，故不存在绝热膨胀过程，从理论上证明了伪汽爆的实质。

无论何种汽爆设备，其爆出时间均由两部分相互渗透组成：
第1部分：气流通道（阀门）开启时间
该时间为气流通道开启到额定截面积的全过程时间。

在QB及LB\SB系列的汽爆设备中，该段时间为0.005075 s。

第2部分：压力平衡（放气）时间
该时间计算方式可应用于任何一种汽爆设备。

首先要判断该放气过程究竟是绝热过程还是等温过程，这要根据具体情况确定。

一般气罐内当放气孔面积较大、排气快，接近于绝热过程；当放气孔面积较小、排气慢、器壁导热又好时则接近等温过程。

计算依据：气体力学基本方程（绝热过程），气体流动基本方程，绝热过程的声速方程。

上述方程在气体动力学基础教科书及一般技工学校教材中均可查阅，其中充放气时间常数计算方程如下所列：
式中τ——充气与放气的时间常数， s
k ——绝热指数，水蒸汽：k = 1.33
S ——汽缸密封口径(219mm)截面积mm2
V ——气罐的容积 L
Ts——气源绝对温度 K
下图为放气时的压力——时间特性曲线：
具体公式如上图中所示，为声速区与亚声速区两阶段时间相加，式中p1——初始绝对压力MPa
p*——临界压力，一般取p* = 0.192 MPa
按照LB-2-11各项数据带入，V=11L，S = 37668 mm2
当Ts= 493 K(220℃) , p1 = 2.31783MPa (相对压力2.2MPa) 时，则时间常数τ= 0.00085233s ，t2= 0.0036768 s
综上，两部分时间相加，即：
t1+t2 = 0.005075 + 0.003677 = 0.008752 s
由于两部分实际为相互渗透发生过程，即在汽缸拉开的过程已经在放气，而放气的同时汽缸也在不断拉开，因此，实际的爆出时间T应为：t1 ≤ T ≤ t1+t2 ，即 0.005075s ≤ T ≤ 0.008752s 以上数据为针对LB机型的爆出时间计算结果。

在对外宣传时按最长爆出时间公布，是为了保持数据严谨。

我们不妨以目前专利局公布的一种5立方汽爆罐专利为例，将其汽爆罐的相关数据带入上述公式，也可得出其爆出时间，与LB机型加以
比较。

其放气阀门为四寸球阀，开阀时间约为0.5秒，开阀有效截面积约为6280 mm2
即：V = 5000 L (5 m3)，S = 6280mm2，其他条件相同，可以得出：t1 = 0.5 s , τ=2.324s，t2 = 10.0 s , t1 + t2 = 10.5 s
从上述对比可以看出，由于气流通过截面积与气罐容积的巨大反差，使得两种设备的爆出时间相差1200倍。

三、汽爆工程热力学基础
一般的生活常识告诉我们，当使用高压锅完成蒸煮食品时，需放汽减压方可打开锅盖，此时我们会发现锅内食品是热的，约100℃；当我们在一个容器底部放置一个“快放”阀门做热喷试验时，我们会发现喷出物的温度同样在100℃附近；当我们利用汽爆工艺试验台做汽爆试验
时，我们测得：当采用4Mpa的蒸汽压，即250℃温度汽爆后，其爆出物料温度在0.00875秒瞬间降至约20℃（比室内温度略低），其反应过程时间与压力无关，与装料多少容积大小无关。

工程热力学告诉我们，汽体在膨胀做功后，将会使温度降低，即可理解为，以失去热功来置换机械功。

如果未发生膨胀做功，那么热功就不会产生功的置换与转移，其判定依据为是否可引起了物料温度的骤变。

有温度骤变的则发生过膨胀做功，无温度骤变的则没有发生膨胀做功。

从试验上分析热喷或膨化工艺，由于其缺乏汽体膨胀做功的必要结果条件，因此热喷和膨化工艺从工程热力学焓、熵、火用、火无等基础热力学过程来分析，缺乏对物料产生膨化做功的热力学条件，如果对未完成膨胀做功的热喷、连续蒸煮及膨化工艺，不顾工程热力学基本原理，毫无任何学术价值臆想它与完成膨胀做功的汽爆一致，主观的认为爆破速度与结果无关，那么仅可以理解为一种商业宣传或者一种幻想。

由于汽爆时具有产生膨胀做功的物理学理论支持，我们正是利用这种物理学基础，依照膨胀降温做功的原理，利用膨胀功去分离纤维素、半纤维素、木质素、糖链等，以期实现对生物质进行发酵及萃取开展预处理工艺。

而热喷与膨化工艺无汽体膨胀做功产生条件缺乏工程热力学理论支持。

由于热喷与膨化不产生膨化功不具备纤维素等分离所需的分离力，只是完成将物料熟化变软而已。

四、蒸汽爆破的技术本质
汽爆的技术本质为：将渗进植物组织内部被压缩的气体短时间突发性释放完毕，目的是用较少的能量将原料按目的分解。

汽爆机是将容器内的全部原料在毫秒级的范围内，以炸散的形式悬在大气空间。

由于其作用时间短，能量密度高而且集中,蒸汽分子可以渗透到纤维素与木质素等大分子之间，可充分的在大分子水平上将物料分解。

汽爆的物理过程，类似于在封闭的房间外突发性降低气压，使房间内的气体向外冲出，将房间摧毁，达到分离纤维素与木质素等大分子的目的。

假如气压降低的速度较慢，则气体会从房间的各个孔隙中泄出，而不会使房间受到损坏。

在汽爆时，将植物（被爆物）置于一压力容器内，遵循在一个压力容器内压力处处相等的基本原理，利用植物表层微孔，将高压汽体渗透至植物组织内部，待植物组织内部压力与容器压力平衡后，突然将全体被爆物呈置于大气压下。

由于植物表层微孔很小，如果外压下降迅速，瞬间下降为大气压，此时植物内部被充汽体只有很少部分通过植物表层微孔原路返回大气压，而大部分存于植物内部的高压汽体，则在内外压差的做用下完成膨胀做功，破坏植物组织内部结构，从而完成木质素、纤维素、半纤维素等组织及糖链的分段分离。

这样，就实现了如纤维乙醇、生物基丁醇、生物质天然气、低聚木糖，木糖及其它类糖、无碱造
纸、麻类脱胶、烟叶加工、白酒酿造、淀粉加工等制取过程中重要的预处理过程。

第二部分与其他技术的区分
一、工作压力的区别
由于连续汽爆机是由汽缸与活塞组成的“压缩机”结构，较由筒体与焊接封头组成的热喷放罐安全可靠。

因此，我国《钢制压力容器》GB150-1998在第一章第三款中明确规定此类结构部件受压器室，不属于压力容器范围。

但热喷放罐由于筒体与封头形成焊接整体，具备了压力容器特征，在使用中具有危险性。

为此我国目前所批准的热喷放罐工作压力不允许超过1.8MPa。

而由汽缸与活塞组成的连续汽爆机，由于结构
固有的安全性，因此不属于压力容器，不需国家做生产批准。

因此其工作压力可根据客户要求做到任意压力。

众所周知，汽爆工作压力越高，则做功时间越短。

且蒸汽压力增高，增加耗煤甚微。

而汽爆机工作时间越短，则节约蒸汽越明显。

汽爆机目前其保压时间大多工作在10秒～60秒，而热喷放罐保压工作时间大多在600秒～1800秒，两者相差巨大。

就如现代化电厂，为了提高发电效率节煤，其蒸汽压力从超临界向超超临界发展，而低于临界压力的小发电厂，由于发电效率低下，不符合节能要求，而被国家强令关闭。

同样，由于热喷放技术工作压力低下，是早期在没有汽爆机出现前的一种不成熟技术，不符合节能减排的基本国策，因此热喷放技术将与小火电一样最终将被淘汰。

二、爆出物质量的区别
综前所述，真正的汽爆是在0.00875秒内将物料爆于大气压，而热喷放设备是在10秒内将物料喷于大气压。

物料从爆出开始至结束是有先有后依序爆出或喷出的。

其压力是从大至小至零在变化。

而最先爆（喷）出的物料与最后爆（喷）出的物料由于所处压力不同，其效果也不同。

关于此观点，就连热喷放专家也承认不同的压力将会有不同的结果，否则他们也不会规定出1.8MPa而不是0.5MPa。

汽爆由于全体物料均在0.00875秒范围内完成，那么他的最大时间差就是0.00875秒。

而热喷放则在10.5秒内完成，两者相差1200倍。

可见热喷放工艺所产生的物料其质量一致性极差，生熟不一。

通俗的讲，热喷放第一秒所喷出的物料与第10秒所喷出的物料是有巨大差异的，而汽爆全部差异也仅仅只有0.00875秒。

而一般发酵行业及最需要对原料进行预处理的单位，最基本的要求就是其所预处理后的原料一致性，否则“生熟”不一的预处理原料，难以完成统一的发酵或下一级工艺要求。

众所周知，衡量利用生物质项目是否先进的指标是得率与产率。

以最少的生物质原料获得最大的提取物为得率最大化。

每一种生物质利用项目都离不开高效而一致的预处理。

如果经预处理的物料是多种不同条件下处理的产物，那么为了照顾第10秒爆出的物料充分降解，就要延长发酵时间。

而延长了发酵时间，就要影响单位发酵容积下的产率。

当每立方发酵容积下的产物低时，要获得同样的生产量，就要增加发酵罐的数量，以扩大发酵容积，保证预期产量。

当发酵容积扩大后，不但增加了投资成本，还引起了物流量的增大。

而物流量的加大，势必引起能耗的增加。

如果发酵工艺按第一秒喷出物料性质确定，那么第10秒所喷出的物料利用率就要降低而影响得率。

得率降低后，要保证预期产量时，就要加大原料进入量，必将引起成本上升。

理想的发酵效率应该是全体物料在相同的发酵条件下，同时发酵完毕，而反对出现一部分物料早已发酵，而另一部分物料还未完成发酵的
现象。

因此追求汽爆物料的一致性是衡量汽爆技术是否先进的试金石。

目前，真正的汽爆技术，已将全体汽爆物料的处理时间局限在0.00875秒范围内，较长时间喷出技术所处理物料的一致性有了明显的提高，这也正是追求0.00875秒目标的原因所在。

生物质利用的红线是“不与人争粮，不与粮争地”。

但是由于农作物秸秆的能量密度低，在有用物质抽提过程中，稍有不慎，便会形成所投入的化石能源超过秸秆抽提价值。

因此提高秸秆的得率，降低预处理费用将是决定秸秆利用成败的关键。

反对为了一个科技兴趣不惜代价的实现将秸秆吃干榨净的不理智行为，提倡以最小的化石能源投入而取得最大得率的科学发展观。

三、生物质预处理效率对比
大多数生物质的利用前，均需要对原料进行预处理。

从目前已知的预处理方案看，主要有化学法、汽爆法、热喷法、蒸煮法。

化学法：由于环保及处理费用高的原因，早已被淘汰。

目前仅有少数企业以秘密的方式在地方政府保护下苟且生产，挑战国家环保法律。

热喷法：热喷法保压时间较汽爆法长，且喷出物料温度较高，需经过冷却才能进入下道工艺。

，这个时间的长短在研发阶段，没有经济要求的时候，仅从学术兴趣出发尚可。

但进入工业化后，由于生物质原料为热的不良导体，冷却时间很长。

刚喷出的物料温度大多在摄氏98度左右，而一般的发酵温度大多为摄氏35-55度，要将物料温度从98度降至35-55度，是一个漫长的过程。

一个预处理过程的总时间是保压时间与冷却时间的总和，一个生产节奏需要约1小时左右。

当项目处于小试阶段，小时处理量1至2吨时尚可，但项目在进入产业化后，面对每小时几十吨乃至上百吨刚喷出来的摄氏98度热物料需要快速冷却时，便超出了热喷放专家的专业范围。

任何一种冷却方式，均需要时间与空间及物流的疏导，由于物料通过势必引起物流能耗的增加；由于物料通过时间的延长，势必引起设备容积的增加；设备容积的增加势必降低容
积生产率，也就是产率，而产率的高低，是衡量生物质项目技术含量的重要指标。

而过低的产率，则显生产效率过低、设备投入过大。

蒸煮法：蒸煮法的蒸煮时间较长，较热喷法长的多，一般以小时记时间。

类似广东的煲汤，或类似熬中药。

一般认为山珍海味可用煲汤的方法长时间烹饪，用名贵的中药用来救命时，也可以用较长的时间煎熬。

但若用煲汤的方法或熬中药的方式煲熬一锅低价值的草时，而用的时候还需晾凉方可使用，则显得有些愚蠢而笨拙。

专家们在确定项目方案时，不能仅从个人爱好出发，需仔细核算其投入产出是否合理，即煲熬的投入成本不能超过草的价值，应请教在广东有烹饪经验的家庭主妇，虽然她们的文化水平没有专家高，但她们能正确的认为：用几个小时煲一锅汤用去的燃料，要超过用几分钟爆炒一盘菜所需的燃料用量。

在粮食白酒行业及淀粉加工行业，广泛应用蒸煮法，淀粉的蒸煮即糊化。

淀粉糊化后，如果温度继续升高至130度左右时，支链淀粉几乎全部溶解，网状组织被彻底破坏，粘稠胶体的淀粉淀粉溶液粘度迅速下
降，流动性增大，此种现象称为淀粉的“液化”。

淀粉质原料的蒸煮通常可以为间歇蒸煮和连续蒸煮。

目前我国大多数酒精生产厂家采用连续蒸煮工艺，淀粉的蒸煮即糊化。

淀粉糊化后，如果温度继续升高至130度左右时，支链淀粉几乎全部溶解，网状组织被彻底破坏，粘稠胶体的淀粉淀粉溶液粘度迅速下降，流动性增大，此种现象称为淀粉的“液化”。

白酒的定义是:以曲类、酒母为糖化发酵剂，利用淀粉质(糖质)原料，经蒸煮、糖化、发酵、蒸馏、陈酿和勾兑而酿制而成的各类白酒。

白酒制作方法为：
1．原料粉碎。

原料粉碎的目的在于便于蒸煮，使淀粉充分被利用。

根据原料特性，粉碎的细度要求也不同，薯干.高粱、玉米等原料，通过20孔筛者占60%以上。

2．配料。

将新料、酒糟、辅料及水配合在一起，为糖化和发酵打基础。

配料要根据甑桶、窖子的大小、原料的淀粉量、气温、生产工艺及发酵时间等具体情况而定，配料得当与否的具体表现，要看入池的淀粉
浓度、醅料的酸度和疏松程度是否适当，一般以淀粉浓度14～16%、酸度0.6～0.8、润料水分48～50%为宜。

3．蒸煮糊化。

利用蒸煮使淀粉糊化。

有利于淀粉酶的作用，同时还可以杀死杂菌。

蒸煮的温度和时间视原料种类、破碎程度等而定。

一般常压蒸料20～30分钟。

蒸煮的要求为外观蒸透，熟而不粘，内无生心即可。

汽爆法：汽爆物料可在汽爆的过程中将热能转为机械能，将木质素与纤维素分离及支链淀粉溶解，同时还伴随产生膨胀降温的物理过程，可使物料在0.00875S的时间内，从爆前的摄氏250度降至室温，因此没有物料冷却过程，直接进入下一生产环节，其生产节奏仅是保压所需的1—2分钟。

采用汽爆法可极大的加快生产节奏、降低生产成本、节约设备总价。

众所周知生产周期越长，则设备容积越大，设备容积越大则设备造价越高，生产周期越长则生产效率越低，两者相差上千倍。

因此热喷法、蒸煮法仅是学者们一种初期的；仅从个人兴趣出发的幼稚学术行为而已，无任何工业化实施的意义。

当进行粮食酿酒及淀粉加工行业采用超音速汽爆法替代蒸煮法时，粮食及淀粉在摄氏200度左右的温度下，以超过音速的速度从2 MPa进入大气压，此时摄氏200度左右的饱和水蒸气在巨大的压力差下对粮食及淀粉进行绝热膨胀做功，完成粮食及淀粉的熟化过程，则蒸煮时间从原来的20至30分钟，缩短到10秒左右，能耗下降95%左右；设备造价降低15%左右，生产面积减少80%左右，且可省去庞繁的冷却工艺过程，外观蒸透，熟而不粘，内无生心。

由于采用数控连续汽爆机，全部物料处理结果一致、统一，可将大量一线工人从高温环境中解放出来，以降低生产中不确定因素；降低劳动成本从而达到文明生产。

四、与其他技术的本质区别
所谓热喷放技术通常是指在装有物料的容器底部，装置快放阀门，通过此阀门的开启，在分数量级的时间内将物料在没有短促爆响声的情况下依次放入大气压环境。

其过程时间与容器的容积及所施加的压力有关，容积大与压力大都将增加热喷过程的时间。

而真正的汽爆，无论施
加的压力与容积如何改变都与爆速无关，都可以在0.00875秒内结束爆破过程，这是汽爆与热喷的又一个本质区别。

由于热喷时物料是依次通过该阀门，故物料分解随压力前后变化不一致而不一致。

更重要的是被爆植物组织内部气体压缩能做不到以爆的形式瞬间释放，而是从植物组织内逐渐的释放，造成物料分解成为不确定因素，从而导致不完全分解或不分解的效果，物料处理结果前后不一致
此前人们关于汽爆的概念，只做过“骤然爆破”、“瞬间完成”、“爆碎过程时间极短”、“突然减压”、“迅速打开放料阀门”等文学形容。

均无人提出过爆破过程最重要的可量化的爆破时间的研究：即冲击波脉冲宽度。

不同的脉宽决定了不同的爆炸当量，一定量的一定压力下的水蒸汽，以不同的时间释放完毕，其产生的作用结果是有着巨大的差别。

忽略或者回避这些差别将会误导汽爆生产工艺的研究与确定，其产生的结果则不同。

即可得出：不同的爆破冲击波脉宽。

将产生不同的物理结果。

我中心在利用汽爆试验台做植物汽爆试验时发现，其植物在压力场作用下，完成渗透压的过程很快，即内外压平衡时间很短，大部分植物比如玉米秸秆、小麦秸秆等草本类植物均可在1秒内完成，而小灌木、乔木类大部分在2秒内完成。

由于植物表面微孔的存在，汽体的进出均通过此孔。

如果突降压速度等于或大于渗透压速度，即汽爆时间大于或等于渗透压时间，渗气与放汽时间等同，则不能实现其物理意义上的汽爆，只能完成类似高压锅的蒸煮过程。

在改变植物组织内部结构方面，因为未产生压差，未能分解纤维素的晶格结构，这就是目前被称为热喷放的工艺。

还有一个容易与汽爆混淆的就是螺杆挤压膨化工艺。

挤压膨化是将含淀粉类物料，通过升温、升压使含淀粉类物料全部熔融，出现淀粉糊化，最后被挤出模孔，压力降至常压而迅速膨化,其体积膨胀50倍左右。

挤压膨化后食品的质构呈多孔状口感甚好，酥松具有独特的焦香味道，属休闲食品类，近代研究表明对女士
有一定的美容作用，由于挤压膨化工艺会引起体积膨胀，人们食用后会产生饱胀感，因此会起到减肥功效。

目前尚未有将属于终端工艺的挤压膨化做为预处理，用于前端工艺发酵的报道。

经挤压膨化后的淀粉类物料每立方米容重在10公斤左右，与做保温材料的苯板（包装用泡沫板）接近。

粮食类物料在挤压膨化加工前，其容重约为每立方米500公斤左右，与膨化后的容重相差近50倍。

在发酵行业其发酵得率一般与粮食类物料的重量有关，与粮食的体积无关。

即：以投入一公斤粮食能做多少酒，而不是将一公斤粮食经过挤压膨化后的体积为准。

一公斤经挤压膨化后的粮食类物料与不经挤压膨化的一公斤粮食的得酒率相差无几。

在发酵行业的另一个指标就是产率。

即每立方米发酵容积每天可产多少酒。

若采用挤压膨化做为发酵的预处理工艺，由于其体积增加了50倍，若要保持不变的产量，则要将发酵容积增加50倍；将生产场地及厂房扩大50倍；将物料输送设备增加50倍；相应的操作工人也将增加，其最终的结果将会引起成本的增加。

因此人们企图绕过汽爆工艺，采用原本用于生产休闲食品的挤压膨化工艺替代汽爆工艺用于预处理是不经济的方案。