CN102046762A - 用于从高压区域向低压区域排放预处理生物质的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供用于排放来自增压反应器的预处理生物质的设备和方法。预处理的、热的生物质被高压下添加在排放容器的顶部，该排放容器被部分地填充有水或水溶液。容器包括定位于容器侧面的水喷口，通过该水喷口注入水或水溶液，以便在容器下部分中形成强的湍流。该湍流，优选旋涡湍流或“水力旋流器”混合生物质和水，且在成堆的材料以高速作为浆体喷出穿过容器底部的孔或阀之前分开任何成堆的材料。稳定的温度分层形成在排放容器内，借此热水保留在容器的顶部，减少了从预处理反应器的热和蒸汽损耗。

Description

用于从高压区域向低压区域排放预处理生物质的设备和方法
发明领域
本发明涉及用于将已受到增压处理的生物质(biomass)排放进入低的或大气压力区域的装置和方法。
背景
强烈的兴趣产生于发酵和气化富含碳水化合物的生物质以给用于燃料的石化资源、畜牧饲料以及为有机化学前体提供替换物。包括工业和农业废物的木质纤维生物质被证明像碳水化合物资源一样尤其令人感兴趣。对于木质纤维生物质，一般需要预处理，以便从纤维素纤维中分离木质素和半纤维素，并因此增加水解酵素的催化有效的进入(catalytically effective access)。已报道过多种预处理工艺，其中的很多依靠高压下的高温处理。供参考，见参考文献1和2。
将预处理生物质从高压区域排放到随后的低或大气压力下的处理出现先前已由两种一般方法解决的技术问题。适合于半连续处理的粒子泵(particle pump)已发展成提供生物质从不同压力区域的压力密封转移。例如见WO03/013714，其通过全文引用特此并入。可选择地，在批处理中，预处理生物质从高压区域的排放已通过使用“蒸煮爆碎(steam explosion)”实现，其中生物质被完全地喷出压力处理设备而进入喷放罐。例如见US6506282。之前对于“排放”问题的解决方法通常已经不适合于连续的生物质处理。在生产规模中，连续处理相对于半连续或批处理是有利的，因为设备的大小能被显著地减小，例如在2到5的因数之间。能量损耗也能被最小化，而且在整个连续处理中避免了麻烦的能量脉冲。
对于木质纤维生物质预处理加工的改进是有利的，其减少了成本，特别是能量成本，或以其它方式促进按比例扩大(scale-up)到生产规模的使用。
这里描述了用于从高压区域向低压区域排放预处理生物质的适合用于连续生物质处理的设备和方法。优选的实施方案相对于现有技术中已知的方法和设备提供了增压预处理区域的减小的蒸汽损失、减小的能量消耗和简化的结构。
发明概述
提供用于从高压区域向低压区域排放预处理生物质的设备和方法。预处理的、热的生物质被在高压下添加在排放容器的顶部，该排放容器部分地填充有水或水溶液。容器包括定位于容器侧面的多个水喷口，通过该多个水喷口注入水或水溶液，以便在容器的下部分中形成强的湍流(turbulence)。该湍流，优选旋涡湍流(vortex turbulence)或“水力旋流器”混合生物质和水，且在成堆的材料以高速作为浆体喷出穿过容器底部的孔或阀之前分开任何成堆的材料。稳定的温度分层形成在排放容器内，借此热水保留在容器的顶部，减少了从预处理反应器(pretreatment reactor)的热和蒸汽损耗。
附图简述
图1A显示根据本发明的设备的一个实施方案的侧视图，而图1B显示该实施方案的顶视图。
图2A、2B、和2C显示根据本发明的设备的可选择实施方案的侧视图，而图2D显示该可选择实施方案的顶视图。
图3A、3B、3C、和3D显示根据本发明的具有用于保持排出孔通畅的机械装置的设备的侧视图，而图3E、3F、和3G显示该设备的顶视图。
优选实施方案详述
在某些实施方案中，本发明提供用于从高压向低压排放预处理的生物质的设备，该设备包括：
-大致圆柱形或圆锥形的排放容器，其具有到顶部的高压区域的开口；
-多个喷嘴或喷口，其沿着容器的侧面定位在距离底部相当于容器直径的0到2倍的距离处，通过该多个喷嘴或喷口可添加水或液体；以及
-容器底部的孔或阀门，预处理的生物质可通过该孔或阀排出，可选择地排出到一管道中。
在其它实施方案中，本发明提供用于从高压向低压排放预处理的生物质的设备，该设备包括：
-大致圆柱形或圆锥形的排放容器，其具有到顶部的高压区域的开口；
-至少一个喷嘴或喷口，其沿着容器的侧面定位在距离底部相当于容器直径的0到2倍的距离处，水或液体可被通过该至少一个喷嘴或喷口添加；以及
-容器底部的孔或阀，预处理的生物质可通过该孔或阀排出，可选择地排出到一管道中，
其中，排放容器被填充有构成其总内部容积的1/2到4/5之间的一定数量的水或水溶液。
在另外其他的实施方案中，本发明提供从高压向低压排放预处理的生物质的设备，该设备包括：
-大致圆柱形或圆锥形的排放容器，其具有到顶部的高压区域的开口；
-至少一个喷嘴或喷口，其沿着容器的侧面定位在距离底部相当于容器直径的0到2倍的距离处，水或液体能被通过该至少一个喷嘴或喷口添加；以及
-容器底部的孔或阀，预处理的生物质能通过该孔或阀排出，可选择地排出到一管道中，
其中，在排放容器内形成温度梯度，以使热水保留在容器的顶部。
在另外其他的实施方案中，本发明提供从高压向低压排放生物质的方法，该方法包括：
-通过根据本发明的设备来排放生物质。
图1A显示根据本发明的设备的优选实施方案的侧视图，而图1B显示该优选实施方案的顶视图。如图所示，设备包括圆柱形的排放容器(1)，并具有到顶部处的高压区域的开口(2)，通过该开口(2)添加预处理的生物质。在使用期间，容器被部分地填充有水或水溶液，且装配6个喷嘴(3)。通过喷嘴(3)引入水或水溶液，使得在排出孔(5)周围形成湍流(4)。排出孔(5)与管道(6)相通，通过该管道(6)可输送排出的、预处理的生物质。
在某些实施方案中，排放容器通过增压密封直接固定到增压生物质预处理设备。可选择地，增压生物质预处理设备可通过管子或其它运输装置与排放容器相通。
容器自身是优选大致圆柱形或圆锥形的，而且可以具有适合于需要使用的容量的任意尺寸。如在此使用的，术语“大致圆柱形或圆锥形”包括圆柱形和圆锥形部分的任意组合。例如，在顶部部分是圆柱形且在底部部分是圆锥形的排放容器是如在此使用的大致圆柱形或圆锥形。如在此使用的术语“容器的直径”指的是最宽的直径。在优选实施方案中，排放容器适合用在生产规模的生物质预处理中，而且具有至少500升或至少700升或至少2000升的容量。如在此使用的排放容器的“顶部”是与增压生物质预处理设备连接的端部，而“底部”是生物质被排出的端部。生物质被排出穿过的孔或阀可以是单个开口或集中在一个总区域中的多个开口。在某些实施方案中，可使用多于一个的排出孔或阀。
排放容器被填充有一定量的水或水溶液，优选地构成其总内部容积的约1/2到约2/3。在某些实施方案中，排放容器可被填充到其总内部容积的4/5。生物质被以通常在160-210℃之间的高温和以通常在5到25之间大气压的高压添加在容器的顶部。理想地，预处理的生物质应具有足够的密度和/或其他特性，使得在排放容器内的水或水溶液中下沉。在某些情况下，调整诸如草或稻草的非常长的颗粒的尺寸可能是有利的，以便实现快速的沉淀。
在优选的实施方案中，多个水喷嘴或喷口位于排放容器的侧面上，优选在距离容器的底部相当于容器最宽直径的约0到2倍的距离处。这些喷嘴或喷口用于至少两个目的-在容器的底部部分形成强有力的湍流，优选旋涡，并防止排放孔或阀的阻塞。在优选的实施方案中，一个或多个喷嘴或喷口被指向容器底部的排放出口，而且用作防止出口阻塞的目的。在优选的实施方案中，两个或多个喷嘴或喷口被投影在容器的中心，优选向下约20到60度之间的角度。如在此使用的术语“投影(project)”指的是水或液体被喷嘴或喷口引入的角度。通过这些喷嘴或喷口注入水或其它液体，以此方式在容器的下部中形成强有力的湍流，优选旋涡。在优选的实施方案中，通过这些喷嘴或喷口注入的水或液体稍微低于沸腾，优选约95℃。可选择地，向下指向容器的中心的多个喷嘴或喷口可同时用来产生湍流涡(turbulence vortex)，并防止阻塞。这个湍流分开成堆的材料，并将生物质与水彻底地混合。在另外一些实施方案中，可使用单个喷嘴或喷口。
在优选的实施方案中，排放容器被大致垂直地定向，而且生物质在液体中下沉到容器的底部。可选择的实施方案可包括排放容器的更水平的定向。随着水/生物质混合物以高速排出，优选进入将混合物运送到进一步的处理阶段的管道中，容器底部的至少一个排出孔或阀获得压力上的下降。压降独自可足以驱动水/生物质混合物穿过管道。因为与***其它部分中的压力相比，增压区域中的水在沸腾之上的温度，所以从排放容器排出的生物质与水的混合物包含小的蒸汽泡，该蒸汽泡帮助确保生物质穿过管道的运输将不受堵塞。
离开容器的水/生物质混合物由于进入低压区时的快速蒸发通常会释放一些蒸汽。在优选的实施方案中，在运送穿过管道到达随后的处理阶段之后，生物质被从水中过滤。所以生物质可被从高干物质(high dry matter)进行预处理，在排放期间稀释成浆体，然后过滤回到适当的干物质含量(appropriate dry matter content)，用于进一步处理。从浆体过滤出的水可转而被回收且再循环回到排放容器。
排放容器顶部的液体很热，其中热通过汽蒸生物质被引入。然而在容器的底部，液体比较凉。随着生物质被排出，一些热通过液体被向下传送。然而，热水浮在较凉的水的顶部上，并形成稳定的温度分层，使得由添加的生物质引入的热的大部分保留在容器的顶部。该温度梯度转而减小了预处理反应器的热损耗，因而减小了生产规模的生物质处理中的能量消耗。
此外，优选实施方案是有利的，因为设计和结构简单，需要相对少的机械零件，且因此具有长的产品使用寿命。优选的实施方案还避免了对于蒸煮爆碎***通常遇到的机械搅拌的需要。
在某些实例中，成堆的生物质或生物质的变形，特别带有很长的纤维或细枝，可能堆积，以致堵塞容器底部的排出孔或阀。这可以通过用水反冲洗和/或通过使用简单的机械设备在孔或阀的周围进行刮削、切割或用其它方式清理来补救。在优选的实施方案中，根据本发明的设备装配有用来保持孔或阀通畅的机械装置和/或反冲洗。
在优选实施方案的通常使用中，排放容器中的水或水溶液的水平面会波动。在某些实施方案中，水平面的波动可以通过调节排出孔或阀的开口和/或穿过喷嘴或喷口引入的流的速度来控制。在某些实施方案中，稳态的水平面可通过调节排出孔的连续阀(continuous valve)来保持。
在优选的实施方案中，根据本发明的设备可用于连续的生物质处理中。如在此使用的，术语“连续处理”指的是原料非脉动地、相对稳定地流动通过处理阶段。
图2A、2B和2C显示根据本发明的设备的可选择实施方案的侧视图，而图2D显示该可选择实施方式的顶视图。图2A显示的设备包括排放容器，该排放容器具有宽直径圆柱部分(7)、圆锥部分(8)，以及窄直径圆柱部分(9)。图2B所示的设备包括排放容器，该排放容器具有宽直径圆柱部分(7)、弯曲的大致圆锥的部分(10)，以及窄直径圆柱部分(9)。图2C所示的设备包括排放容器，该排放容器具有宽直径圆柱部分(7)、弯曲的大致圆锥的部分(10)，以及窄直径圆柱部分(9)。如顶视图2D所示，喷嘴(3)被沿着排放容器在宽直径圆柱部分(7)和窄直径圆柱部分(9)中的侧面定位。设备还装配有用于保持排出孔(5)通畅的机械刮削装置(11)，该排出孔(5)与管道(6)相通。
图3A、3B、3C和3D显示根据本发明的具有用于保持排出孔通畅的可选择机械装置的设备的侧视图，而图3E、3F和3G显示该设备的顶视图。图3A所示的设备包括以旋转方式切过排出孔(5)的刮削装置(11)，如顶视图3E所示。图3B和图3C中所示的设备包括以水平运动切过排出孔的刮削装置(12)，如顶视图3F和3G所示。图3D所示的设备包括上升穿过排出孔(5)的搅动装置(poking means)(13)。将容易地理解到，用于保持排出孔通畅的机械装置自身可充当打开或关闭孔的阀。
实施例
根据本发明的设备被在Denmark，
Figure BPA00001265792800071
的INBICON的试验设施(pilot facility)中试验。该设备包括约2.0米高和0.5米直径的大致圆柱形的排放容器。容器具有390升的容量，且被安装在增压生物质预处理反应器上，该增压生物质预处理反应器具有在高达220℃的温度下每小时处理1000千克麦秆的能力。使用三种不同种类的生物质原料-麦秆、玉米秸秆，以及玉米青贮饲料来试验该设备。在所有情况下，生物质被切成1厘米到10厘米之间最长尺寸的大小，并在185℃到195℃之间蒸汽处理。在所有情况下，伴随以排放容器中约290升的水位来操作该设备。容器中的水位由阀控制，该阀作用以打开和关闭排放出口，且通过设置成在1.3米水平处打开和在1.5米水平处关闭的水位传感器来调节。排放出口具有25厘米到30厘米之间的直径。通过具有4.2毫米直径的三个喷口将25℃的水以3.6立方米/小时的速度注入容器。这些喷口被彼此等距地放置在容器的圆周周围，在0.25米的高度处，且被以向下到45°的容器的中心的角度定向。试验了三种类型的原料，预处理生物质可在没有任何问题的情况下从增压反应器卸载到大气压力。在所有情况下，形成了稳定的温度梯度。在水柱的顶部(1.5米)，温度被与增压预处理反应器相平衡，为195℃。在水柱的底部，靠近排放出口，温度是35℃。
在此描述的实施例和优选的实施方案仅仅是代表性的，而决不旨在限制本发明如在此由权利要求限定的范围。
参考文献
1 Y.Sun和J.Cheng，“Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production：a review”，Bioresource Technology(2002)83：1。
2 Felby，C.，Klinke，H.B，Olsen，H.S，等人，“Ethanol from wheat straw cellulose by wet oxidation pretreatment and simultaneous saccharification and fermentation”，APPLICATIONS OF ENZYMES TO LIGNOCELLULOSICS，卷：855，页：157-174，出版：2003

Claims (15)

1.一种用于从高压向低压排放预处理生物质的设备，包括：
-大致圆柱形或圆锥形的容器，其具有到顶部处的高压区域的开口；
-多个喷嘴或喷口，其沿着所述容器的侧面定位在距离底部相当于所述容器的直径的0.5到2倍的距离处，通过所述多个喷嘴或喷口能添加水或液体；以及
-孔或阀，其处于所述容器的所述底部，预处理的生物质能通过所述孔或阀排出，可选择地排出到一管道中。
2.一种用于从高压向低压排放预处理生物质的设备，包括：
-大致圆柱形或圆锥形的排放容器，其具有到顶部处的高压区域的开口；
-至少一个喷嘴或喷口，其沿着所述容器的侧面定位在距离底部相当于所述容器的直径的0到2倍的距离处，通过所述至少一个喷嘴或喷口能添加水或液体；以及
-孔或阀，其处于所述容器的所述底部，预处理的生物质能通过所述孔或阀排出，可选择地排出到一管道中，
其中，所述排放容器被填充有构成所述排放容器的总内部容积的1/2到4/5之间的一定量的水或水溶液。
3.如权利要求1或2所述的设备，所述设备适合于在所述排放容器内形成温度梯度，以使热水保留在所述容器的所述顶部。
4.如权利要求1或2所述的设备，所述设备适合于在所述容器的底部部分中形成旋涡湍流。
5.如权利要求1或2所述的设备，包括：至少500升的内部容积。
6.如权利要求1或2所述的设备，包括：两个或多个喷嘴或喷口，所述两个或多个喷嘴或喷口被以向下约20到60度之间的角度投影在所述容器的中心。
7.如权利要求1或2所述的设备，所述设备被垂直地或大致垂直地定向。
8.如权利要求1或2所述的设备，包括：阀，所述阀响应水位传感器来打开和关闭排放出口。
9.如权利要求1或2所述的设备，包括：机械设备，所述机械设备在所述孔或阀周围进行切割、刮削或以其它方式清除。
10.如权利要求1或2所述的设备，包括：6个喷嘴或喷口。
11.一种用于从高压向低压排放生物质的方法，包括通过权利要求1-10中的任一项所述的设备来排放生物质。
12.如权利要求11所述的方法，其中，设备用于连续的生物质处理。
13.如权利要求11所述的方法，其中，预处理生物质被排进管道，且由压降驱动到进一步的处理阶段。
14.如权利要求11所述的方法，其中，预处理生物质作为浆体被排出，所述浆体随后被挤压，以回收随后被再循环的水。
15.如权利要求11所述的方法，其中，水或液体被以约95℃的温度添加通过喷嘴或喷口。
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