CN102677503A - 一种生物质连续水热预处理反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质连续水热预处理反应器，其特征在于结构由：两个或多个高压反应罐、热水供应和回收***、以及高压空气供应***组成。高压反应罐交替完成进料、进水、反应、液固分离、热水回收、充压和出料7个步骤，合理设置高压反应罐的数目可保证反应器始终处于进料和出料状态，从而实现生物质的连续水热预处理。本反应器结构简单，可简单手工操作，亦可使用工控机等手段实现自动控制。反应器实现了热水的回收，减少了废水；回收后循环利用的热水中含有预处理产生的有机酸可增加预处理效果，提高了效率，降低了成本。本发明的水供应和回收***使预处理过程始终处于最佳的条件，保证了预处理的效果。

Description

一种生物质连续水热预处理反应器

技术领域

本发明属于木质纤维素原料预处理领域，特别涉及一种生物质连续水热预处理反应器。

背景技术

随着石化资源的日益枯竭，以可再生的生物质资源替代石化资源，通过生物炼制技术将生物质转化为能源，化学品和材料是今后的发展方向，也是解决人类环境、资源和能源问题的必然手段。生物炼制，以生物能源的生产为例，其基本流程为：生物质收集、生物质预处理、纤维素酶解、乙醇或丁醇发酵、产品回收和副产品综合利用。在这几个主要生产环节中，生物质预处理处于核心地位，这是因为生物质预处理首先决定了纤维素酶解的效率。生物质如果不经过预处理过程，纤维素酶解率一般不超过30%，而且需要大量的酶制剂，通过适度的预处理，纤维素的酶解率可以大幅提高，甚至可以达到100%。生物质的组分复杂，如果单一利用其中的一个组分，除了导致原料利用率较低外，未利用的组分还导致环境污染。由此可见，生物质综合利用是其高效利用的前提条件，而适当的预处理方法是综合利用的重要保障。因此，生物质预处理在生物炼制过程中的重要性不言而喻。

人们很早就重视到生物质预处理的重要性，开发了各种预处理方法。按照目前的分类方法，基本上可以分为物理预处理、化学预处理、生物预处理。为了克服单一预处理方法的缺点，发挥其优势，还开发出了组合预处理的方法。但是相对应现有生物质利用所产生的增值效果，现有预处理方式的最大问题在于成本高昂。动辄数百元每吨的预处理成本，将生物质原料廉价的优势消耗殆尽。这些方法成本较高的原因可以分为几个方面：一是需要消耗一定数量的化学品，如酸，碱，氨气，二氧化碳等。这样的预处理方法如果不能较好的解决化学品回收问题时，会产生环境无染，并导致成本激增。而要解决回收问题，就需要一定量的回收设备，这无疑增加了额外投资；二是能耗过高。比如水热预处理，稀酸预处理，需要提供近200℃的高温，将生物质原料，主要是预处理体系中的水（水热预处理需要在液固比高达10∶1-20∶1的条件下进行）加热到200℃。如果过程中的能耗不能充分的回收利用，将会使过程所需的能耗过高。如果这样的预处理过程用于生物质能源的生产，就可能导致能源上的得不偿失。

在众多的预处理方法中，水热预处理作为一种新型的绿色反应工艺，由于不需要添加任何化学试剂、生成的降解产物少等优点而成为研究热点。余强等（余强,庄新姝,袁振宏,亓伟,王闻,王琼,杨丽芳,谭雪松.木质纤维素类生物质高温液态水预处理技术.化工进展,2010,29(11):2177）对这种预处理方式进行了文献综述。设计高效的水热预处理反应器，推进水热预处理在生物质炼制产业中的应用将具有重要的意义。

申请号为201010171586.X的中国发明专利公开了一种纤维素类生物质高温液态水预处理的方法及装置。该装置利用高温高压的热水流过反应器中的生物质原料来实现对生物质的预处理，可以有效的回收过程中产生的木糖和低聚糖。但是该装置无法实现预处理过程的连续操作。在工业化生产中，连续处理相对于批处理或者半连续操作有一定的优势。采用连续操作可以显著的减小所需设备的大小，一般可减小50%-80%之间。连续操作所需的能耗也较小，同时避免了能耗消耗的波动。

申请号为200980120519.0的中国发明专利公开了一种从高压区域向低压区域排放预处理生物质的设备和方法。通过该设备可以实现从生物质预处理反应器中连续排出预处理后的生物质原料。但是这种设备通过向其中喷水来形成外界和反应器内部之间的一个缓冲区，物料是以浆状从反应器中流出，之后还要过滤才能得到物料。

实现连续水热预处理可以显著增加预处理效率，降低预处理设备和运行投资。专利号为CN200680034205.5的中国发明专利公开了一种基于颗粒泵（在专利号为CN02817599.9的中国发明专利中进行了公开）的连续水热预处理设备和工艺，用于预处理麦秸等生物质，然后用于燃料乙醇的转化。但是这种反应器结构复杂，造价高昂。

发明内容

【发明目的】生物质利用的前提是预处理，目前虽然有各种预处理方式，但是这些方式仍然有待于提高效率，降低成本。水热预处理，是一种有效的预处理方式，如果能提高其效率，降低其成本，将有助于其在工业化规模得到广泛应用。本发明在保留水热预处理的优点的同时，将水热预处理过程实现连续化，增加其效率，过程中实现能量和热水的回用，从而降低能耗。

【本发明的构思】连续化是提高反应器效率的一个重要手段。水热预处理过程中内部物料（主要是水）压力高，反应结束后需将物料的温度降低到100℃以下再将物料取出。这在间歇式操作的水热反应器中虽较容易实现，但操作所需的时间长，且需要冷却水。如果直接通过球阀类阀门快速将物料爆出，则可以提高出料速度，但是能耗损失较大，而能耗的损失主要是高温热水从200℃左右降低到室温下的能量损耗。如果将反应器中的物料在原位实现液固分离，高温液体进行回收并循环利用于后续连续化预处理过程，处理后的固体快速取出，则能很好地解决间歇式操作的这些问题，从而提高预处理效率，并降低预处理成本。

【本发明技术方案】本发明的基本构造如附图1和图2：

其核心是两个或多个高压反应罐4，高压反应罐4包括一个进料口5（耐高温球阀或者其他耐压阀门，例如中国专利01218677.5公开的阀门结构），和一个出料口10（耐高温球阀或者其他阀门，例如中国专利201010215443.4公开的阀门），粉碎到一定尺寸（1mm~100mm）的生物质原料，从进料口5进入，热水罐2中的热水21通过管路从打开的热水进口截止阀12进入高压反应罐4，反应物7在短时间内达到预处理所需的温度，并在高压反应罐中停留所需的时间，处理时间到达后，开动滤网驱动电机6，驱动滤网8沿滤网驱动螺杆9向下移动，将水解液22和处理后的物料23进行分开，打开热水回收管截止阀15和高压离心泵31将水解液22打回到热水罐2中回用，待水解液22回收完毕后，开动筛网驱动电机17将筛网14至于原始位置，然后打开高压空气进口截止阀26，让储罐1中的高压空气进入到高压反应罐中，待压力达到设定值后打开出料口25，反应器内外的压力差将反应器内部的物料28爆出，实现快速出料的同时利用剪切力进一步粉碎物料，撕裂纤维，破坏细胞壁结构，增加其比表面积；一个反应周期包含进料、进水、反应、液固分离、水解液回用、冲压和出料等7个步骤，一个反应器设置两个或多个高压反应罐，当一个反应罐处于进料阶段时，其他反应器处于进水、反应、液固分离、水解液回用、冲压和出料等阶段，这样配置合适的高压反应罐就会使反应器处于连续的进料和出料状态，从而实现了连续的预处理过程。反应器也可以根据需要只配置一个高压反应罐进行间歇式运行。反应器在运行过程中热水罐2中的热水21会吸附于处理后的物料28中被逐渐消耗，设置高压离心泵18根据热水罐2中的液位适时启动补充自来水，保持热水罐2中的液位，同时设置电加热管20适时调节加热功率保持热水21的温度在预处理所需的温度，热水21的温度也可以通过通入高压蒸汽或其他的供热方式来维持；反应器运行过程中储罐1中的高压空气会被消耗，设置空气压缩机3根据空气储罐1中的压力变化适时启动，维持储罐1中的压力。

根据不同生物质预处理的需要，热水罐2中热水的温度设置在160-280℃之间，为保证反应器运行平稳，热水罐的体积设定为所有高压反应罐体积之和的1-2倍之间。

根据出料的难易程度，储罐1中空气的压力设置为0.5-2MPa之间，储罐1的体积配置为单个高压反应罐体积的1-10倍之间。

根据反应器的规模和需要，反应器可以简单的采用手动控制阀门的开关来运行反应器；也可以使用工控机结合组态软件或其他自控手段结合气动或电动阀门形成全自动的反应器。

本发明具有以下特点和优势：

1.通过两个（或多个）高压反应罐的交替使用，实现了水热预处理的连续操作，从而提高了预处理的效率；

2.将热水的储存罐单独放置，试验所需的温度可以在短时间内达到，而无需长时间的升温过程，这样缩短了物料在反应器内部停留的时间，保证了预处理条件的精确控制；

3.通过热水的回用，显著降低了预处理过程的能耗，从而降低了预处理成本，这在产业化应用中极为重要；

附图说明

图1生物质连续水热预处理反应器，

图2生物质连续水热预处理反应器中高压反应罐放料示意图

1，储气罐；2，热水罐；3，空气压缩机；4，高压反应罐（1）；5，进料口；6，滤网驱动电机；7，反应物；8，滤网；9，滤网驱动螺杆；10，出料口；11，高压空气进口截止阀；12，热水进口截止阀；13，高压空气进口截止阀；14，滤网；15，热水回收管截止阀；16，热水进口截止阀；17，滤网驱动电机；18，高压离心泵；19，冷水进口截止阀；20，电加热管；21，热水；22，水解液；23，物料；24，热水回收管截止阀；25，出料口；26，高压空气进口截止阀；27，滤网；28，物料；29，滤网驱动电机；30，滤网驱动螺杆；31，高压离心泵；32，高压反应罐（2）。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例

一种生物质连续热水预处理反应器，如图1所示，其核心是两个体积为5L的高压反应罐4和32，高压反应罐包括一个耐高温球阀作为进料口5和出料口10，粉碎到10mm长短的玉米秸秆，从进料口5进入，热水罐2中的热水21通过管路从打开的热水进口截止阀12进入高压反应罐4，反应物7在1min内达到200℃，并在高压反应罐中停留10min，处理时间到达后，开动滤网驱动电机6，驱动滤网8沿滤网驱动螺杆9向下移动，将水解液22和处理后的物料23进行分开，打开热水回收管截止阀15和高压离心泵31将水解液22打回到热水罐2中回用，待水解液22回收完毕后，开动筛网驱动电机17将筛网14至于原始位置，然后打开高压空气进口截止阀26，让储罐1中的高压空气进入到高压反应罐中，待压力达到1MPa后打开出料口25，反应器内外的压力差将反应器内部的物料28爆出，实现快速出料的同时利用剪切力进一步粉碎物料，撕裂纤维，破坏细胞壁结构，增加其比表面积；一个反应周期包含进料、进水、反应、液固分离、水解液回用、冲压和出料等7个步骤，一个反应器设置两个高压反应罐4和32，当一个反应罐处于进料阶段时，另外的反应罐在其他中间阶段，从而实现了连续的预处理过程。反应器配置体积为20L的热水管，反应器在运行过程中热水罐2中的热水21会吸附于处理后的物料28中被逐渐消耗，设置高压离心泵18根据热水罐2中的液位适时启动补充自来水，保持热水罐2中的液位，同时设置电加热管20适时调节加热功率保持热水21的温度在210℃；反应器配置50L的空气储罐，反应器运行过程中储罐1中的高压空气会消耗，设置空气压缩机3根据空气储罐1中的压力变化适时启动，维持储罐1中的压力在1.2MPa。

此反应器使用工控机结合组态软件和气动阀门形成全自动的反应器。

Claims (9)

1.一种生物质连续水热预处理反应器，其特征在于：该反应器由两个或多个高压反应罐（4）（32）、热水供应和回收***、以及高压空气供应***组成。

2.如权利要求1所述的一种生物质连续热水预处理反应器，其特征在于：所述的高压反应罐由进料口（5）、出料口（10）、固液分离装置组成。

3.如权利要求2所述的高压反应罐，其特征在于：所述的进料口（5）是手动、气动或电动耐高温高压球阀或者其他耐压阀门。

4.如权利要求2所述的高压反应罐，其特征在于：所述的出料口（10）是手动、气动或电动耐高温高压球阀或者其他耐压阀门。

5.如权利要求2所述的高压反应罐，其特征在于：所述的固液分离装置包括筛网（8）、筛网驱动电机（6）（17）和筛网驱动螺杆（9）组成，筛网孔径是1-10mm，筛网穿过驱动螺杆，在高压反应罐装料之前通过筛网驱动电机定位于罐内顶部，反应罐进料、进水、反应结束后，通过驱动电机带动筛网驱动螺杆将筛网从罐内顶部降至反应器底部，在这个过程中将水解液和处理后的物料进行固液分离。

6.如权利要求1所述的生物质连续水热预处理反应器，其特征在于：所述的热水供应和回收***包括热水罐（2）、高压离心泵（18）、管路和截止阀（19），反应器运行过程中，高压离心泵（18）根据热水罐中的液位开启维持热水罐中的液位，热水罐中的加热装置（20）根据热水罐中热水的温度调节加热功率以维持热水的温度，高压反应罐（4）（32）装料完毕后，打开相应的热水进口截止阀（12）（16），热水罐中的热水（21）将在压力作用下自行流入到高压反应罐（4）（32）中，待反应结束，液固分离完成后，打开热水回收管截止阀（24）（15），通过高压离心泵（31）的作用将水解液（22）打回热水罐（2），实现热水（21）的回收循环利用。

7.如权利要求6所述生物质连续水热预处理反应器，其特征在于，所述的热水供应和回收***中，热水罐（2）中热水（21）的温度设置在160-280℃之间，为保证反应器运行平稳，热水罐（2）的体积设定为所有高压反应罐（4）（32）体积之和的1-2倍之间。

8.如权利要求1所述的生物质连续水热预处理反应器，其特征在于：所述的高压空气供应***由储罐（1）和空气压缩机（3）和相应的管路和截止阀（11）（13）组成，反应器运行过程中，高压反应罐（4）（32）中的物料（7）反应完成，并进行液固分离后，打开高压空气进口截止阀（11）（13），储罐（1）中的高压空气进入高压反应罐（4）（32）中，随后打开出料口（10）（25），物料（28）将被爆出高压反应罐（4）（32），储罐（1）中的空气压力设定到一定的范围，当储罐（1）中的压力低于这个范围后自动启动空气压缩机（3）维持储罐中的空气压力。

9.如权利要求8所述的生物质连续水热预处理反应器，其特征在于：所述高压空气供应***，储罐（1）中空气的压力设置为0.5-2MPa之间，储罐(1)的体积配置为单个高压反应罐(4)(32)体积的1-10倍之间。

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