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气化前使用蒸汽爆破法的生物质预处理

申请号 CN201380040145.8 申请日 2013-06-04 公开(公告)号 CN104519991A 公开(公告)日 2015-04-15
申请人 三照普燃料公司; 发明人 罗伯特·S·埃姆普斯基; 约翰·T·特纳; 弗朗西斯·迈克尔·菲拉罗; 杰罗德·韦恩·霍曼; 韦恩·W·西蒙斯;
摘要 本 申请 涉及包括 蒸汽 爆破处理单元和 生物 质 气化 器的集成设备,用于由生物质生成 合成气 。蒸汽爆破处理单元将热、压 力 和 水 分的组合施加于生物质,从而将生物质制成湿的细颗粒形式。蒸汽爆破处理单元利用高压蒸汽对生物质内存在的任何气体和液体进行加热和加压,通过水分含量增加的生物质快速减压而从内部爆开生物质的整体结构。随后将产生的那些生物质的湿的细颗粒供给至生物质气化器的给料部分,生物质气化器使生物质颗粒发生生物质快速气化反应以产生合成气组分。
权利要求

1.由生物质生成合成气的集成设备,包括:
蒸汽爆破单元,其具有接收作为原料的生物质的输入腔、一个或多个蒸汽供应输入部以及两个或更多的工作站以预处理所述生物质用于随后供应至生物质气化器,其中所述工作站利用施加于所述生物质的热、压分的组合以使所述生物质成为湿的细颗粒形式,其中通过施加来自第一蒸汽供应输入部的蒸汽来开始降解所述生物质的纤维素纤维的木质素和半纤维素之间的键,蒸汽爆破处理至少部分地分解所述接收的生物质的整体结构,并增加所述接收的生物质的水分含量,然后在所述工作站中,施加来自第二蒸汽供应输入部的至少十倍于大气压力的蒸汽来进行加热并加压所述生物质内存在的任何气体和液体,通过将水分含量增加和键降解的生物质的快速减压,从内部爆开所述接收的生物质的整体结构,其中由所述工作站产生的湿的细颗粒形式的生物质具有厚度小于70微米和长度小于500微米的平均尺寸,产生的生物质的湿的细颗粒随后被供给至生物质气化器的给料部分;以及
其中,所述生物质气化器具有反应容器,所述反应容器被配置为使湿的细颗粒形式的生物质进行反应,所述生物质由于通过所述蒸汽爆破单元爆开而具有减小的颗粒大小和总体增加的表面积,其中所述生物质气化器具有第三蒸汽供应输入部和一个或多个热源,并在蒸汽的存在下,细颗粒形式的生物质在所述反应容器内进行快速生物质气化反应,至少生成包括氢气(H2)和一(CO)的合成气组分,其中所述蒸汽爆破单元和所述生物质气化器为所述集成设备的部分。
2.根据权利要求1所述的集成设备,其中所述蒸汽爆破单元的两个或更多工作站包括热补水工作站和蒸汽爆破工作站,其中所述热补水工作站具有用于接收生物质碎片的输入腔和第一蒸汽供应输入部,第一蒸汽供应输入部用于将约为大气压PSI压力、高于60摄氏度但低于145摄氏度的升高的温度的低压饱和蒸汽施加到容纳有所述生物质碎片的容器中的,从而开始分解、补水并软化接收的碎片形式的生物质,其中所述生物质碎片在所述热补水工作站停留得足够久以使水分饱和。
3.根据权利要求2所述的集成设备,其中所述热补水工作站将已软化并增加水分含量的生物质碎片供给至所述蒸汽爆破工作站,所述蒸汽爆破工作站的压力为所述热补水工作站压力的10到40倍,并且所述蒸汽爆破工作站将生物质水分含量进一步提高到以重量计至少40%、优选50%至60%的水分含量,其中所述水分含量为水的重量除以生物质碎片加上水的总重量。
4.根据权利要求1所述的集成设备,其中在所述热补水工作站之后,软化的碎片形式的生物质为1)破碎的生物质和2)压缩为塞状的的生物质的任意组合,然后所述生物质被供给入将塞状生物质移入所述蒸汽爆破工作站的连续螺旋输送器系统,其中在所述连续螺旋输送器系统中,所述塞状生物质防止来自所述蒸汽爆破工作站中出现的高压蒸汽的反吹背压影响所述热补水工作站,并且
其中来自所述生物质气化器的包括氢气(H2)和一氧化碳(CO)的合成气组分被供给至下游的有机液体产物合成反应器。
5.根据权利要求4所述的集成设备,其中所述蒸汽爆破单元、所述生物质气化器和所述有机液体产物合成反应器是集成设备的部分。
6.根据权利要求2所述的集成设备,其中在所述蒸汽爆破工作站中,所述生物质在来自第二蒸汽输入部的至少188摄氏度和160PSI的高温高压蒸汽中暴露至少5分钟,优选地,约10分钟,直到水分渗透生物质整体结构的多孔部分,并且所述生物质中所有液体和气体都升为高压,其中所述输送系统将所述生物质经过蒸汽爆破工作站供给至出口,其中小的开口伸入保持在4-10bar的降低压力的管中,任何内部高压液体和气体膨胀而从内部爆开所述生物质的整体结构,从而成为生物质的湿的细颗粒。
7.根据权利要求1所述的集成设备,其中所述蒸汽爆破单元的两个或更多工作站包括热补水工作站和蒸汽爆破工作站,其中所述热补水工作站具有以高于木质素的玻璃化转变点的温度施加于所述生物质的蒸汽,从而软化生物质和提高所述生物质的水分含量,使得能够在所述蒸汽爆破工作站将生物质的纤维素纤维从所述生物质内部爆开,其中所述热补水工作站配置为接收碎片形式的生物质,所述碎片形式的生物质包括叶子、针叶、树皮和木材以及非木质生物质原料,如能源作物,然后使用蒸汽将生物质碎片加热至高于60℃,在所述蒸汽爆破工作站中,软化并补水的生物质碎片暴露于高温高压蒸汽持续设定的时间,从而在部分中空的纤维素纤维和生物质原料整体结构中的其他多孔区域内部形成高压蒸汽,然后蒸汽爆破单元出口处的压力通过在160到850PSI之间将生物质整体结构挤压到压力降低的管中发生快速压降从而引起内部爆破,从内部将生物质爆开成为细小的生物质细颗粒,其中将纤维束中的生物质整体结构从内部爆开成为纤维素纤维、木质素和半纤维素的碎片段造成1)与接收的碎片形式的生物质相比,细颗粒形式的生物质的表面积增加,以及2)将产生的生物质结构改变为细颗粒形式,从而流动性类似沙粒而不类似纤维。
8.根据权利要求1所述的集成设备,其中所述蒸汽爆破单元的两个或更多工作站包括热补水工作站和蒸汽爆破工作站,其中在所述蒸汽爆破工作站出口处,一旦所述生物质爆破为湿的细颗粒形式,则由于泄料管线中的蒸汽闪变并排出成为气态水,产生的生物质颗粒失去了一定比例的水分含量,其中产生的生物质颗粒和水分随后通过旋流过滤器分开,其中所述生物质细颗粒的所含水分在泄料容器出口处通过干燥器进一步干燥,所述干燥器优选地将所述生物质细颗粒的水分含量降低至以重量计1-20%,一般最高至30%,其中所述干燥器随后将水分含量降低的生物质细颗粒供给至所述生物质气化器。
9.根据权利要求1所述的集成设备,其中产生的水分含量降低的生物质细颗粒包括片段化的、撕碎的、切碎的纤维素纤维及这些的任意组合,所述生物质细颗粒具有厚度小于30微米和长度小于200微米的平均尺寸,其中将产生的生物质细颗粒供给至下游的生物质气化器,用于在所述生物质气化器的反应器中进行快速生物质气化反应,因为与接收的碎片形式的生物质相比,产生的生物质细颗粒对于等量的生物质具有更高的面容比,这允许对生物质原料进行更高效的传热和传质并且更快速地热解和生物质中的所有分子的气化。
10.根据权利要求2所述的集成设备,其中填充有高压蒸汽的蒸汽爆破工作站包括排出口,所述排出口配置为在下一工作站的降低的压力下“爆破”生物质原料,以产生细颗粒形式生物质,其中所述细颗粒形式生物质以高速流经泄料容器的供料管线,将包括1)可流动固体和2)气体中的任何一个的助流剂注入下列中的任何一个:1)蒸汽爆破工作站的排出口和2)供料管线中,以防止生物质阻塞,另外,供料管线具有沿其周围设置的加热盘管以保持细颗粒形式生物质的提升的温度,有助于防止所述细颗粒形式生物质中树脂和树脂酸的结晶。
11.根据权利要求1所述的集成设备,还包括:
水分离单元,其中所述蒸汽爆破工作站的出口工作站的收集室用于收集减小为较小颗粒尺寸的糊状生物质并供给至水分离单元,其中在旋流器单元中将水从细颗粒形式生物质中去除,并将水分含量降至以重量计小于20%的细颗粒形式生物质通过输送系统供给至烘焙单元,在小于700摄氏度的温度下、以预设时间量进行生物质的烘焙、干燥或热解。
12.生产细颗粒形式生物质的集成设备,包括:
蒸汽爆破单元,其具有用于接收作为原料的生物质的输入腔,两个或更多的蒸汽供应输入部,用于预处理生物质从而随后供应至致密化单元的两个或更多工作站,i)其中所述工作站利用对所述生物质施加的热、压力和水分的组合以使所述生物质成为湿的细颗粒形式,
ii)其中通过施加来自第一蒸汽供应输入部的蒸汽来开始降解所述生物质的纤维素纤维的木质素和半纤维素之间的键,第一工作站至少部分地分解所述接收的生物质的整体结构,并增加所述接收的生物质的水分含量,并且
iii)然后在下一工作站,施加来自第二蒸汽供应输入部的至少十倍于大气压力的蒸汽来进行加热并加压所述生物质内存在的任何气体和液体,通过将水分含量增加和键降解的生物质的快速减压,从内部爆开所述接收的生物质的整体结构,其中由所述工作站产生的湿的细颗粒形式的生物质具有厚度小于70微米和长度小于500微米的平均尺寸,随后所产生的生物质的湿的细颗粒以浆料形式从所述蒸汽爆破单元出口处直接供给至所述致密化单元,其中所述致密化单元配置为将所述湿的颗粒形式生物质致密化为致密形式,所述致密形式包括但不限于生物质小团,并且其中所述致密形式生物质随后被供给入下列中的一个或多个:1)生物质气化器,2)用于工艺用热的燃烧单元,3)产生电力的燃烧电源,4)产生化学品的工艺单元,以及5)打包单元,用于存储或运输至利用生物质小团的应用。
13.根据权利要求12所述的方法,其中由所述蒸汽爆破单元产生的湿的颗粒形式生物质被供应至干燥器,所述干燥器配置为将生物质水分含量干燥至0%到45%,随后将干燥的生物质输送至所述致密化单元。
14.在集成设备中由生物质生成合成气的方法,包括:
接收作为原料的生物质,在两个或更多工作站中预处理所述生物质,从而随后供应至生物质气化器;
在两个或更多所述工作站中将热、压力和水分的组合施加于所述生物质,从而使所述生物质成为湿的细颗粒形式,其中通过施加低压蒸汽开始降解生物质的纤维素纤维的木质素和半纤维素之间的键,所述工作站中的蒸汽爆破处理至少部分地分解了所接收的生物质的整体结构,并增加了所接收的生物质的水分含量,然后通过更高压力的蒸汽来进行加热并加压生物质内存在的任何气体和液体,通过将水分含量增加和键降解的生物质的快速减压,从内部爆开所述接收的生物质的整体结构,其中由所述蒸汽爆破工作站产生的湿的细颗粒形式的生物质具有厚度小于70微米和长度小于500微米的平均尺寸,产生的生物质的湿的细颗粒随后被供给至生物质气化器的给料部分;以及
使湿的细颗粒形式的生物质颗粒在生物质气化器中进行反应,所述生物质由于通过所述蒸汽爆破单元的两个或更多工作站爆开而具有减小的颗粒大小和总体增加的表面积,其中在蒸汽的存在下,由蒸汽爆破单元产生的生物质颗粒进行快速生物质气化反应,至少生成包括氢气(H2)和一氧化碳(CO)的合成气组分,其中所述蒸汽爆破单元和所述生物质气化器为所述集成设备的部分。
15.根据权利要求14所述的方法,其中所述两个或更多工作站包括热补水工作站和蒸汽爆破工作站,其中所述热补水工作站将约为大气压PSI压力、高于60摄氏度但低于145摄氏度的升高的温度的水分饱和的低压蒸汽施加到装有碎片形式的生物质的容器中,从而开始分解、补水并软化接收的碎片形式的生物质,其中生物质碎片在所述热补水工作站停留得足够久以使水分饱和,其中所述热补水工作站将已软化并水分含量增加的生物质碎片供给至所述蒸汽爆破工作站,所述蒸汽爆破工作站的压力为160至850PSI,温度在160至
270℃之间,并且所述蒸汽爆破工作站将生物质水分含量进一步提高到以重量计至少40%、优选50%至55%的水分含量,其中所述水分含量为水的重量除以生物质碎片加上水的总重量。
16.根据权利要求15所述的方法,其中在所述热补水工作站之后,软化的碎片形式的生物质为1)破碎的生物质和2)压缩的生物质的任意组合,然后所述生物质被供给入将生物质移入所述蒸汽爆破工作站的输送器系统,其中在所述输送器系统中,所述生物质防止来自所述蒸汽爆破工作站中出现的高压蒸汽的反吹背压影响所述热补水工作站。
17.根据权利要求14所述的方法,其中所述蒸汽爆破单元的两个或更多所述工作站包括热补水工作站和蒸汽爆破工作站,其中所述热补水工作站将蒸汽施加于所述生物质,以便软化生物质并提高生物质水分含量,从而从内部爆开碎片形式的生物质,其中所述生物质在高温高压蒸汽中暴露充足的时间以在部分中空的纤维素纤维和生物质原料整体结构中其他多孔区域的内部形成高压蒸汽,然后蒸汽爆破单元出口处的压力通过在160到
850psig之间将生物质整体结构挤压到压力降低的管中发生快速压降从而引起内部爆破,从内部将生物质爆开成为细小的生物质细颗粒。
18.根据权利要求14所述的方法,其中一旦所述生物质爆破为湿的细颗粒形式,则由于蒸汽闪变并排出成为气态水,产生的生物质颗粒失去了一定比例的水分含量,其中生物质细颗粒的水分含量通过干燥器进一步干燥,所述干燥器优选地将生物质细颗粒的水分含量降低至以重量计1-20%,一般最高至30%。
19.根据权利要求14所述的方法,产生的水分含量降低的生物质细颗粒包括片段化的、撕碎的、切碎的纤维素纤维及这些的任意组合,所述生物质细颗粒具有厚度小于30微米和长度小于200微米的平均尺寸,其中将产生的生物质细颗粒供给至下游的生物质气化器,用于在所述生物质气化器的反应器中进行快速生物质气化反应,因为与接收的碎片形式的生物质相比,产生的生物质细颗粒对于等量的生物质具有更高的面容比,这允许对生物质原料进行更高效的传热和传质并且更快速地热解和生物质中的所有分子的气化。
20.根据权利要求14所述的方法,还包括:
在所述蒸汽爆破工作站的排出口收集减小为较小颗粒尺寸的糊状生物质并供给至水分离单元,其中在旋流器单元中将水从细颗粒形式生物质中去除,并将水分含量降至以重量计少于20%的细颗粒形式生物质通过输送系统供给至烘焙单元,在小于700摄氏度的温度下、以预设时间加热生物质。
21.根据权利要求14所述的方法,其中将水从旋流器单元中回收并用作向所述生物质气化器的低压蒸汽输入,所述生物质气化器的输入含有在蒸汽爆破处理时回收的挥发物,包括松节油。

说明书全文

气化前使用蒸汽爆破法的生物质预处理

[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求于2012年6月22日作为部分继续申请提交的、名为“在气化前使用蒸汽爆破法的生物质预处理(Pretreatment of Biomass Using Steam Explosion Methods Before Gasification)”的第13/531,318号美国非临时专利申请的优先权和权益。根据《美国法典》第35编第119节,本申请还要求于2013年5月14日提交的、名为“在气化前使用蒸汽爆破法的生物质预处理(Pretreatment of Biomass Using Steam Explosion Methods Before Gasification)”的第61/823,360号美国临时专利申请的优先权和权益。

技术领域

[0003] 本申请一般地涉及使用蒸汽爆破法对生物质进行处理以作为气化或燃烧前的预处理。在一个实施方式中,本申请具体涉及这样的集成设备,其使用生物质从生物质生产液体燃料,或将生物质转化为致密形式以便于经济地运输至用于进一步加工成液体燃料、热/电力、动物饲料、褥草或化学品的设施。

背景技术

[0004] 该技术起初是为用干木片制作中密度纤维板而构想的。其他工艺要求研磨木片、干燥木片、再研磨木片、润湿纤维、纤维致密化以及随后的木片致密化(比如以颗粒的形式)等多个步骤。这些工艺复杂、成本高并且需要大量能源。一些其他典型工艺需要干燥生物质碎片,然后将生物质碎片研磨到非常小的尺寸,之后传送至加热/处理单元。这种干燥和研磨消耗大量能源和资金成本。这些工艺产生的细小纤维是蒸汽爆破处理(SEP)产生的细颗粒尺寸的许多倍。
[0005] 发明概述
[0006] 本发明涉及包括蒸汽爆破单元和生物质气化器的集成设备,其用于由生物质生成合成气。蒸汽爆破单元将热、压力和分的组合施加于生物质,以将生物质制成湿的细颗粒形式。蒸汽爆破单元施加高压蒸汽加热并加压生物质内存在的任何气体和液体,通过将水分含量增加的生物质快速减压,从内部爆开生物质的整体结构。随后将产生的生物质的湿的细颗粒供给至生物质气化器的给料部分,生物质气化器使生物质颗粒发生生物质快速气化反应以产生合成气组分。可选地,可以将湿的细颗粒处理为致密形式(如小球),以易于经济地运输至用于进一步处理为液体燃料、热力/电力、动物饲料、褥草或化学品的设施。
[0007] 附图简要说明
[0008] 以下多个图示涉及本申请的示例实施方式。
[0009] 图1A和1B示出了蒸汽爆破单元的实施方式的流程示意图,蒸汽爆破单元具有接收作为原料的生物质的输入腔、两个或更多蒸汽供应输入部以及两个或更多工作站以预处理生物质,用于随后供应至生物质气化器。
[0010] 图2示出了蒸汽爆破单元的实施方式的流程示意图,蒸汽爆破单元具有蒸汽爆破工作站,蒸汽爆破工作站将生物质细颗粒供应至干燥器、烘焙单元、致密化单元、生物质气化器或催化转化器。
[0011] 图3-1至3-5示出了用于示例性生物质气化器的可选配置。
[0012] 图3A和3B示出了集成设备流程图的实施方式,集成设备用于由生物质生成合成气,并由合成气生成液体燃料产品,或将生物质生成为致密形式。
[0013] 图4A至4C示出了不同水平放大的示例性生物质碎片,示例性生物质碎片具有由木质素环绕并结合在一起的纤维素纤维的纤维束。
[0014] 图4D示出了爆破为生物质细颗粒的示例性生物质碎片。
[0015] 图4E示出了具有绽裂或部分分离为单根纤维的纤维束的生物质碎片。
[0016] 图5示出了辐射热化学反应器的实施方式的流程图,该反应器配置为生成包括合成气产品的化学产品。
[0017] 附图示出了本申请的更多方面和实施方式。
[0018] 尽管以各种修改和替代方案描述了本申请,但其具体实施方式已经通过图示中示例的方式被示出,并且会在本文中详细描述。本申请应理解为不限于所公开的特定形式,相反地,本发明意图覆盖落入本申请的实质和范围内的所有修改、等同方案和替代方案。

具体实施方式

[0019] 在下文的描述中,为了透彻理解本申请,阐述了大量具体细节,例如具体化学品、命名的组件、连接方式、热源类型等。然而,对本技术领域的技术人员而言很清楚的是,即使没有这些具体细节,本领域技术人员也能够实施本申请。在其他情况下,没有对公知的组件或方法进行详细描述而是将其列在框图中,以避免对本申请造成不必要的模糊。因此,具体细节的阐述只是示例性的。具体细节可进行改变而仍落入本申请的实质和范围之内。
[0020] 一般而言,本文描述了多种用于生物质预处理的示例工艺和与其有关的设备。下面的附图和文字描述了用于使用生物质预处理的集成设备的多个示例性实施方式。在一个实施方式中,集成设备至少包括蒸汽爆破单元和生物质气化器以由生物质生成合成气。蒸汽爆破单元可具有接收作为原料的生物质的输入腔、一个或多个蒸汽供应输入部以及两个或更多的工作站来预处理生物质以随后供给至生物质气化器。这些工作站对生物质施加热、压力、水分的组合,以将生物质制成湿的细颗粒形式。通过施加来自第一蒸汽供应输入部的蒸汽来起始降解来自生物质的纤维素纤维的木质素与半纤维素之间的键,蒸汽爆破处理至少部分地分解了接收的生物质的整体结构,并增加了接收的生物质的水分含量。在最后的工作站,施加来自第二蒸汽供应输入部的至少十倍于大气压力的蒸汽用于加热并加压生物质内存在的任何气体和液体,通过水分含量增加并且键降解的生物质的快速减压而从内部爆开接收的生物质的整体结构。由这些工作站制成的湿的细颗粒形式生物质的平均尺寸为厚度小于70微米,长度小于500微米。随后将产生的生物质的湿细颗粒供给至生物质气化器的给料部分。生物质气化器具有配置用于使这些湿的细颗粒形式的生物质进行反应的反应容器,这些湿的细颗粒形式由于通过蒸汽爆破单元爆开而具有增大的表面积和减小的颗粒大小。生物质气化器具有第三蒸汽供应输入部和一个或多个加热器,在蒸汽的存在下,细颗粒形式的生物质在大于0.1秒的驻留时间内在反应容器内进行快速生物质气化反应,至少生成包括氢气(H2)和一(CO)的合成气组分。
[0021] 可能的生物质气化器的实施方式具有高温蒸汽供应输入部和一个或多个加热器,例如燃气燃烧器或回热加热器。在蒸汽的存在下,通过蒸汽爆破单元分解的生物质细颗粒在不足1秒的生物质气化器驻留时间内、在反应容器内、以超过700摄氏度的温度进行快速生物质气化反应,而生成包括氢气(H2)和一氧化碳(CO)的合成气组分,合成气组分被供给至甲醇(CH3OH)合成反应器。本领域技术人员会理解,下面在本说明文件中讨论的多个设计的部分和观点可用作单独的概念或彼此互相结合。
[0022] 一个或多个蒸汽供应输入部可包括由一个或多个旋流器单元回收的循环污水产生的低压蒸汽。例如,本文中描述的实施方式包括从旋流器单元汲取排出气体并将排出气体供给至生物质气化器。该设计还可包括几种方式来减少在SEP处理中使用的全部蒸汽与生物质的比例,以便减少设备产生的污水量并因此使得更容易对生成的生物质细颗粒进行干燥。
[0023] 可以通过一个或多个旋流器单元回收的冷凝污水的蒸汽雾化,将松节油和其他挥发物递送至生物质气化器。例如,含有挥发物/松节油的供给蒸汽可包括来自一个或多个旋流器并供给入气化器的排出气体。松节油回收单元可包括在气化器中(伴随销售产品),或包括在用于气化器或重整器的燃烧系统。
[0024] 在示例性实施方式中,在生物质颗粒SEP预处理步骤与生物质颗粒夹带气体供给入生物质气化器之间不引入额外的空气,这减少了排放并净化了气体。可包括多种选择来使用出自蒸汽爆破单元的原动气体在生物质气化器中夹带。
[0025] 还可引入多种方法来在蒸汽爆破单元出口减压以减少原动气体。相应地,可包括一个或多个减压区域将来自SEP容器的高压减为较低的排放压力。因此,设计可包括定位蒸汽爆破单元以外的压降点以将蒸汽爆破单元的高压降低至如4-10bar的压力。压降可能较早出现在通向旋流器的管道中。
[0026] 图1A和1B示出了蒸汽爆破单元的实施方式的流程示意图,蒸汽爆破单元具有接收作为原料的生物质的输入腔、两个或更多蒸汽供应输入部以及两个或更多的工作站以预处理生物质用于随后供应至生物质气化器。
[0027] 对于置于室外而没有特别干燥的生物质,碎片形式的生物质来料的水分值能够在约15%至60%之间变化。通过切片机单元104与一些滤器的配合可以生成生物质碎片,所述滤器具有可生成小于约1英寸并且平均长度约0.5英寸、平均厚度约1/4英寸的碎片的尺寸(例如,参见图4A示例示出的来自生物质原木453的生物质碎片451)。生物质切片机单元104可包括用来切削生物质的四个或更多个刀片。生物质原木的给料速度、刀片速度、刀具突出的距离和刀具度均能够用于控制碎片的大小。然后对碎片进行过筛并可对超尺寸那些的进行再切片。可将不同来源或木材种类的碎片混合以改善某些性质。可以用磁体或其他扫描器扫过以探测和去除杂质。生物质碎片供给到输送器上或可能置于蒸汽爆破单元108的热分解工作站的压力容器中,蒸汽爆破单元108利用初始低压饱和蒸汽开始分解、补水/增湿并软化生物质碎片。低压饱和蒸汽可为100摄氏度的温度。系统也可在此时注入一些助流剂,如回收自生物质气化器114的灰分,以防止生物质碎片阻碍或堵塞。
[0028] 切片机单元104可供给两种或更多类型的生物质原料,并且蒸汽爆破单元108可配置为接收两种或更多类型的生物质原料,其中不同类型的生物质包括1)软木、2)硬木、3)草类、4)植物壳类及5)混合的任何组合,在蒸汽爆破单元108内经蒸汽爆破处理为均质烘焙的原料,随后被收集并供给入生物质气化器114。蒸汽爆破单元108、烘焙单元112及生物质气化器114设计为灵活给料,通过至少控制由蒸汽爆破工作站和烘焙单元112产生的生物质颗粒大小从而无需改变进料设备的物理设计或生物质气化器114的物理设计。
[0029] 蒸汽爆破单元108具有接收作为原料的生物质的输入腔、一个或多个蒸汽供应输入部以及两个或更多的工作站以预处理生物质从而随后供给至生物质气化器114。这些工作站对生物质施加热、压力、水分的组合,以将生物质制成潮湿的细颗粒形式。通过施加来自低压蒸汽供应输入部的蒸汽开始降解来自生物质的纤维素纤维的木质素与半纤维素之间的键,蒸汽爆破处理至少部分地分解了接收的生物质的整体结构,并增加了接收的生物质的水分含量(例如,参见图4B示例示出的具有由木质素环绕并结合在一起的纤维素纤维的纤维束的生物质碎片)。在最后的工作站,将来自高压蒸汽供应输入部的至少10倍于大气压力的蒸汽用于加热并加压生物质内存在的任何气体和液体,通过将水分含量增加并且键降解的生物质快速减压而从内部爆开接收的生物质的整体结构。
[0030] 在实施方式中,蒸汽爆破单元108的两个或更多工作站至少包括热补水工作站和蒸汽爆破工作站。
[0031] 热补水工作站具有用于接收生物质碎片的输入腔以及用于将低压饱和蒸汽施加到装有生物质碎片的容器中的低压蒸汽供应输入部。热补水工作站配置为接收碎片形式的生物质,包括叶子、针叶、树皮及木材。为了软化并提高生物质水分含量以在蒸汽爆破工作站能够易于从碎片形式的生物质内部爆开生物质的纤维素纤维,热补水工作站以高于木质素的玻璃化转变点的温度将低压蒸汽施加于生物质。在实施方式中,使用蒸汽将生物质碎片加热到高于60℃。在约为大气压PSO的压力下、在高于60摄氏度但低于145摄氏度的温度下,低压蒸汽供应输入部将低压饱和蒸汽施加到装有生物质碎片的容器中,开始分解、补水并软化接收的碎片形式的生物质。低压供应输入部可包括有计划地设置于容器周围的数个喷嘴。碎片在热补水工作站停留得足够久以使水分饱和。
[0032] 热补水工作站将已软化并增加水分含量的生物质碎片供给至蒸汽爆破工作站,其压力为热补水工作站压力的10到40倍,并升高了温度,如160-270℃,优选地,204℃。压力可为180-850磅/平方英寸(PSI)(优选256PSI)。蒸汽爆破工作站将生物质水分含量进一步提高到重量占比至少40%,优选地,重量占比50%至60%的水分含量。重量占比的水分百分比可为水的重量除以包括生物质碎片加上水的总重量。在蒸汽爆破工作站,软化并补水的生物质碎片与高温高压蒸汽接触充足的时间,如3分钟至15分钟,以在部分中空的纤维素纤维和生物质原料整体结构中其他多孔区域内部形成高压蒸汽(例如,参见图4C示例示出的生物质碎片,其具有由木质素环绕并结合在一起的纤维素纤维的纤维束,但放大可见大量多孔区域)。
[0033] 应当注意的是,生物质碎片的蒸汽爆破处理(SEP)不使用机械细化器分离纤维,而是在SEP中从内部爆开生物质碎片。而且,在SEP中没有添加酸性化学添加剂,如添加酸;因此,甘蔗渣可达到88%或更高的收率。
[0034] 在热补水工作站之后,软化的碎片形式的生物质为1)破碎和2)压缩为塞状的任意组合,然后供给入连续螺旋输送器系统。连续螺旋输器系统将塞状生物质移入蒸汽爆破工作站。连续螺旋输送器系统使用塞状生物质以防止来自蒸汽爆破工作站中出现的高压蒸汽的反吹背压影响热补水工作站。能够使用其他方法,如1)止回和2)在每个工作站通过开启或关闭结构可隔离的情况下移动生物质。
[0035] 蒸汽爆破工作站能够在高至850PSI的压力下运行。栓塞螺旋进料器沿蒸汽爆破工作站运送碎片。将高压蒸汽引入称为蒸汽混合输送器的部分中的栓塞螺旋进料器。高压供应输入部可包括有计划地设置于蒸汽混合输送器周围的数个喷嘴。通过栓塞螺旋进料器可准确控制生物质碎片原料经过蒸汽爆破工作站的停留时间。在蒸汽爆破工作站,塞状生物质暴露于来自高压蒸汽输入部的至少160摄氏度和160PSI的高温高压蒸汽中至少5分钟,优选地,约10分钟,直到水分渗透生物质整体结构的多孔部分,并且生物质中的所有液体和气体都升为高压。
[0036] 如所讨论的那样,为使蒸汽爆破处理正常工作,系统需要生物质碎片中一定程度的湿度/水分来提供爆炸源。所以通常在蒸汽爆破反应器中,碎片的水分重量占比一般至少为50%到55%。在蒸汽爆破单元108的蒸汽爆破工作站中,装有软化的木质素的生物质碎片的室内压力和温度都升高,温度比热补水工作站中装有生物质碎片的容器的运行环境至少高20度,并且室内的压力大于10倍大气压,但停留时间短于在热补水工作站中的设定时间。
[0037] 连续螺旋输送器系统栓塞状生物质经过蒸汽爆破工作站供给至出口。
[0038] 在实施方式中,小开口形成了出口并伸入保持约4-10bar压力的管中或其他容器区域,高压下的任何内部液体或气体都膨胀到从内部爆开生物质。在某些情况下,压降从蒸汽爆破反应器内的高压一直降至大气压力。不论哪种情况,在蒸汽爆破工作站出口和旋流脱水工作站之间的管中或其他容器中发生的大幅压降都下降得很迅速。在实施方式中,通过在160到850PSI之间、以显著下降的压力(如4-10bar)将生物质整体结构挤压到管中,从而发生快速压降,当压力下降使蒸汽快速膨胀或由于压力降至其蒸汽压以下使液态水“闪变”为气态而引起内部“爆炸”,从内部爆开碎片形式的生物质成为细小的生物质颗粒。在其他实施方式中,蒸汽爆破工作站的蒸汽爆破反应器部分包括专的释放机构,其被配置为“爆破”生物质碎片材料至大气压力下的下一工作站。释放机构开启,将生物质从高压蒸汽爆破反应器推出该反应器排放阀或门,推入泄料罐的供料管线。
[0039] 因此,此工作站中离开蒸汽爆破反应器的加压蒸汽或超热水快速下降引起爆炸,爆炸将生物质碎片分解为细小的颗粒(例如,参见图4D示例示出的爆破为生物质细颗粒453的生物质碎片)。组成生物质的原始纤维束爆破为形成细粉离散颗粒的片段(例如,参见图4A-C示例示出的不同水平放大的生物质碎片,其具有由木质素环绕并结合在一起的纤维素纤维的纤维束,与图4D相比。)
[0040] 水分和生物质碎片被挤出反应器,排至压力接近大气压的容器,如泄料管线。在生物质材料的部分中空的纤维和其他多孔区域内,高压蒸汽或转变为气态的水造成生物质细胞爆破为湿粉细颗粒。生物质整体结构包括环绕着大量纤维素纤维的木质素和半纤维素的有机聚合物。在至少使用水分、压力和热的SEP步骤中从内部将生物质整体结构爆开,释放并暴露纤维素纤维,例如,使其能够在生物质气化反应时直接反应,而不是只有在木质素和半纤维素的层先反应然后暴露出纤维素纤维后才反应。高温也降低了分解生物质结构所需的能量/力,因为木质素的软化有助于纤维沿中间层的分离。
[0041] 因此,在蒸汽爆破工作站内部,开启机械机构(例如阀或门)或仅仅是在蒸汽爆破反应器中存在小洞。反应器在高压下填充有可能为塞形式的软化生物质碎片,并在一段时间后将那些软化生物质碎片暴露于低压下,这样的低压在物理学上将包括木质素、纤维素纤维和半纤维素的生物质纤维束的整体结构爆开成为片段并彼此分离。当蒸汽爆破处理在蒸汽爆破反应器中以较低的水平运行时(例如175-185摄氏度及160PSI),那么会出现细小纤维的以片段大小的颗粒,而在较高水平运行时(例如300PSI),则产生非常细的颗粒。
[0042] 由该工作站产生的湿的细颗粒形式的生物质具有厚度小于50微米和长度小于500微米的平均尺寸。在实施方式中,产生的水分含量降低的生物质细颗粒包括片段化的、破碎的、切碎的及这些任意组合的纤维素纤维,一般可具有厚度小于30微米和长度小于
250微米的平均尺寸。随后将产生的生物质的湿的细颗粒供给至生物质气化器114的给料部分。
[0043] 将纤维束中的生物质整体结构从内部爆开成为纤维素纤维、木质素和半纤维素碎和片段造成共三个结果:1)与接收的碎片形式的生物质相比,细颗粒形式生物质的表面积增加,2)不需要先进行木质素和半纤维素外层的反应再开始纤维素纤维的反应,以及3)改变细颗粒形式生物质的粘度以使其像沙粒一样流动而不像纤维。
[0044] 由SEP反应器造成的生物质形态变化可包括:
[0045] a.不存在完整的纤维结构,而将所有部分都爆破而产生更大的表面
[0046] 积,导致在生物质气化器中更高的反应速率;
[0047] b.纤维出现变形、分层,细胞壁外露并破裂;
[0048] c.一些木质素仍附着于纤维素纤维的细胞壁;
[0049] d.半纤维素部分水解并连同木质素一起部分溶解;
[0050] e.木质素与糖类/多糖(即半纤维素和纤维素)之间的键大部分被切
[0051] 割;以及
[0052] f.本文中讨论的许多其他变化。
[0053] 生成的湿的细颗粒可以为例如直径20-50微米的厚度和长度小于100微米的平均尺寸。应当注意,1英寸=25,400微米。因此,从切片机单元104出来的生物质碎片具有平均最高至1英寸的长度和0.25英寸的厚度,而成为湿的细颗粒后具有平均为直径20-50微米的厚度和小于100微米的长度,尺寸缩小了超过2000倍。饱和的生物质碎片发生的剧烈爆炸解压的速率比在碎片形式的生物质多孔区域中的饱和的高压水分能够从生物质结构中逃逸的速率更快。
[0054] 应当注意,不需要从外部机械分离细胞或纤维束,而是该处理使用蒸汽由内而外爆破细胞(例如,参见图4E示出的具有的纤维束绽裂或部分分离为单根纤维的生物质碎片451)。在生物质碎片上使用SEP产生了带有一些木质素覆盖的纤维素和半纤维素的细小颗粒(例如,参见图4D示出的生物质碎片示例,其包括第一生物质碎片451、爆破为细颗粒的生物质453)。这种木质素、半纤维素和纤维素的细小形式的复合物具有高表面积,能够在系统中以高密度移动/输送。
[0055] 产生的生物质细颗粒向下游供给至生物质气化器114,用于在生物质气化器114的反应器中进行快速生物质气化反应,因为与接收的碎片形式的生物质相比,细颗粒对于等量的生物质具有更高的面容比,这就允许对生物质材料进行更高效的传热并且更快速地热解和气化生物质中的所有分子。
[0056] 请参考图1B的示例,其中一个或多个蒸汽供应输入部可包括由一个或多个旋流器单元回收的循环污水产生的低压蒸汽。例如,本文中描述的实施方式包括从旋流器单元汲取排出气体并将排出气体供给至生物质气化器。而且,那些气体和任何额外的冷凝物可供给至松节油回收单元。
[0057] 在实施方式中,可能进行循环运行而不是连续输送器系统。循环运行允许将软的湿碎片装载到SEP反应器内,然后蒸汽输入部引入高温高压蒸汽10分钟来提高生物质中的气体和液体的压力。在此之后,阀或门开启,将生物质细颗粒挤压进通入供料管线中,进入泄料罐。
[0058] 蒸汽爆破工作站的出口工作站的收集室用于收集减小为较小颗粒尺寸的糊状生物质。一个或多个旋流过滤器能够与供料管线内联以将气态水从生物质颗粒中分离出来,生物质细颗粒再供给入泄料罐。
[0059] 如讨论的那样,在蒸汽爆破工作站的出口,塞状生物质爆破为湿的细颗粒形式。填充有高压蒸汽和/或超热水的蒸汽爆破工作站包括排出口,其被配置为在大气压力下“爆破”生物质材料至下一工作站以产生细颗粒形式生物质。细颗粒形式生物质以高速流经泄料罐的供料管线。
[0060] 湿的细颗粒形式的生物质进入泄料罐的供料管线。供料管线起初很小,比如直径只有1.5英寸,生物质颗粒以高速通过。在泄料管线初始部分可加入增流剂(例如,蜡),而纤维仍然是湿的以改善原料稠度并避免水合键合。供料管线现在扩大到直径60英寸,通过设置加热盘管并给泄料管线加温,使湿的细颗粒形式生物质保持其热量。生物质保温易于促进生物质的树脂和树脂酸结晶,防止纤维颗粒重新聚集到一起。因此,温度有助于防止木质素凝结以及树脂硬化。
[0061] 助流剂包括以下任何一种:1)从生物质气化器回收的灰分和2)烯(例如,蜡),助流剂注入以下任何一处:1)蒸汽爆破工作站的排出口和2)供料管线中,以防止生物质阻塞。另外,供料管线可具有沿其周围设置的加热盘管以保持细颗粒形式的生物质提升的温度,有助于防止细颗粒形式生物质中树脂和树脂酸的结晶。
[0062] 由于在泄料管线中的蒸汽闪变并排出成为气态水,产生的生物质颗粒失去了大比例的水分含量。通过旋流过滤器将产生的生物质细颗粒和水分分离并随后供给入泄料罐。因此,水分离单元是与泄料管线内联的。蒸汽爆破工作站的出口工作站的收集室用于收集减小为较小颗粒尺寸的糊状生物质并供给至水分离单元。在旋流器单元和/或干燥器单元中将水从细颗粒形式生物质中去除。
[0063] 在泄料罐出口处,通过干燥器单元(例如,气流干燥器或低温烘焙单元)将生物质细颗粒的水分内容物进一步干燥出来,干燥器单元将生物质细颗粒的水分含量减少到优选重量占比5-20%,一般最高至35%。纤维制备的目的是使生物质颗粒的表面积最大化并尽可能干燥到输出生物质细颗粒具有以重量计5-20%的水分。气流干燥器只吹热空气来干燥从泄料罐出来的生物质颗粒。气流干燥器一般能够位于泄料罐的出口处或替代其入口处的旋流器以使输出的生物质颗粒含有重量占比高于5%但低于35%的水分含量。
[0064] 产生的生物质颗粒与热机械制浆(TMP)的不同之处在于,颗粒表现的更像晶体结构,比容易卷缠和凝结的纤维更易于流动。
[0065] 水分含量降低到重量占比5%至约35%的细颗粒形式生物质通过输送系统供料,例如,供给至烘焙单元112在100至700摄氏度的温度下、以预设时间量进行烘焙或热解。
[0066] 输送器系统供应颗粒形式生物质给烘焙单元112,在低于700摄氏度的温度下、以预设时间量处理生物质,产生的排出气体用于生成一部分的合成气组分,将合成气组分用容器收集起来,可最后供应至液体有机产品合成反应器,如甲醇合成反应器。
[0067] 由于蒸汽闪变和进一步干,从泄料罐和气流干燥器出来的生物质细颗粒已经具有低水分含量,并且是带有木质素覆盖的纤维素纤维片段、木质素碎片、纤维素和半纤维素等的复合物。生物质气化器114具有反应容器,其被配置为使湿的细颗粒形式生物质以增大的表面积进行反应,增大的表面积是由于通过蒸汽爆破单元108进行了爆破。生物质气化器114具有高压蒸汽供应输入部和一个或多个加热器,在蒸汽的存在下,细颗粒形式生物质在0.1到5秒的驻留时间内在反应容器内进行快速生物质气化反应,至少生成包括氢气(H2)和一氧化碳(CO)的合成气组分。当产生的细颗粒以高密度供应给生物质气化器114时,小颗粒反应迅速并更容易且更完全地将生物质的较大的碳氢化合物分子分解为合成气组分。因此,几乎所有的生物质材料木质素、纤维素纤维和半纤维素完全气化,而不是一些碎片内部没有与焦化碎片的硬外壳分解为相同的程度。与碎片相比,这些细颗粒生成较少的残余焦油、较少的碳包覆和较少的析出物。因此,将生物质整体结构破碎为纤维束有助于减少稍后在生物质气化中产生的焦油的量。这些细颗粒也允许以较大的材料堆积密度供给入生物质气化器114。作为附注,除了在生物质气化器114中产生CO和H2之外,具有重量占比至少10%的液态或气态水可促进生成甲醇CH3OH作为反应产物。
[0068] 烘焙单元和生物质气化器114可合为整体单元。
[0069] 在备选方案中,生物质的湿的爆开颗粒可以浆料形式直接从蒸汽爆破反应器输出,或在干燥后,供给至制粒机。制粒机可使生物质致密化形成生物质小团,然后再将那些小团送入生物质气化器。这种直接供料并将生物质转化形成小团形式省掉了多个步骤和在那些省掉的步骤中涉及的大量能源消耗。或者,可将颗粒运往用于进一步处理为液体燃料、热力/电力、动物饲料、褥草或化学品的设施。
[0070] 在实施方式中,生物质气化器114设计为辐射传热给流经反应器的生物质颗粒,该反应器设计的快速气化的生物质颗粒停留时间为0.1到10秒,优选地,小于1秒。流经辐射热反应器的生物质颗粒和反应气体主要由来自辐射热反应器表面和可能夹带在流中的传热辅助颗粒的辐射热驱动。反应器可加热颗粒的温度一般超过900摄氏度,优选地,至少1200℃,以产生包括一氧化碳和氢气的合成气组分,并使生成的甲烷在出口产物的成分组成中保持≤1%的水平,使留在出口产物中的焦油和产生的灰分最小化。
[0071] 图3-1至3-5示出了生物质气化器114的示例性实施方式。图3-1示出了使用辐射热的喷泉反应器,其中携带生物质的夹带气从气化器底部进入,通过中心管喷射,涌出越过中心管形成的隔离壁,并落入外管和中心管之间形成的部位。图3-2和3-3示出了示例性的卡口反应器的辐射热设计,其中一系列辐射热管用于加热注入的生物质。燃气燃烧器能够直接提供热量给管或中间源(例如,加热气),再由中间源供给至管。生物质可在管外,而热量由内部供给管。可选地,生物质可在管板和耐火衬之间。图3-4示出了示例性的向下通风的辐射热反应器,其中多个管用于提供辐射热给反应器。生物质可在管外,而热量由内部供给管,反之也可以。
[0072] 图3-5示出了生物质气化器的实施方式的剖视图,生物质气化器包括内含偏置并交错的反应器管的接收器腔。热接收器306具有带内壁的腔。热接收器306的腔壁相对于反应器管302的由辐射驱动的几何结构设置了化学反应器的多个管302,这些管在热接收器306内部偏置并交错排列。腔壁的表面积大于反应器管302占用的面积,以允许辐射从多个角度到达管302上的区域。接收器306的腔的内壁和反应器管302主要通过辐射交换能量,借助壁和管302充当辐射再发射器以实现到达所有管302的高辐射热通量,并因此避免屏蔽和阻碍辐射到达管302,从而允许反应器管302实现在其中反应区从始至终的相当均匀的温度谱。
[0073] 因此,借助这些1)交错并偏置的管302,连同2)与内含的管302占用的面积相比的直径更大的腔壁,以及3)连同相互几何排列的多个反应器管之间的管间辐射交换,反应器管302和腔壁的几何结构形成了入射辐射分布。壁由高度反射辐射或吸收并再发射辐射的材料制成。入射辐射分布的定型使用接收器306腔内的辐射反射和吸收。相应地,热接收器306的内壁对齐并充当辐射分配器,通过1)吸收并再发射辐射能,2)高度反射入射辐射至管302,或3)前两者的任意组合,以维持内含的超高热通量化学反应器的工作温度。反应器管302吸收来自1)腔壁、2)直接来自回热式燃烧器和3)来自充当辐射再发射器的其他管的外壁的辐射,然后通过传导到反应器管302的内壁来传热,其中热量辐射到反应颗粒和气体,温度在900摄氏度到1600摄氏度之间,优选地,高于1100摄氏度。
[0074] 如所讨论的那样,接收器306的腔的内壁和反应器管302主要通过辐射在彼此间交换能量,而不通过对流或传导,这样即使一般温度较低的生物质颗粒和夹带气从第一入口点进入反应区内的反应器管302,并穿过加热的腔,在第二出口点离开反应区,也能够允许对于反应器管302实现相当均匀的温度谱。这种来自内壁和反应器管302的辐射传热驱动了化学反应,并使得化学反应物的温度迅速上升至接近从反应器出口离开的产物和其他流出物的温度。
[0075] 每个反应器管302的气化反应区的长度和直径尺寸被设定成能提供在至少900摄氏度的气化温度下有超过0.01秒的很短的停留时间和在多个反应器管302中的气化区的出口。反应产物在气化区出口具有等于或超过900摄氏度的温度,在化学反应器设计中多个反应器管302增加了用于生物质颗粒辐射交换以及管间辐射交换的可用反应器表面积。伴随产生稳定灰分形成的分散下落的生物质颗粒的快速气化反应发生在反应器管302中反应区内的停留时间内,造成焦油改善为小于500毫克每标准立方米,以及至少90%的生物质转化为产生氢气和一氧化碳产物。
[0076] 这种设计减小了反应器管302和炉所需的表面积,从而减小了炉室大小、重量和成本(大小和重量对于塔顶太阳能应用以及其他应用都很重要)。
[0077] 为实现高转化率和选择性,生物质气化要求的温度超过1000℃。这在标准的流化床气化器中很难实现,因为更高的温度要求生物质自身更大部分的燃烧。因此,间接式流化床气化通常限制在800℃的温度。在此温度下,大量产生不需要的高级碳氢化合物(焦油)。这些焦油堵塞下游设备并使催化剂表面淤塞/失活,从而需要在除焦油设备上进行重大资本投入(设备总成本的10-30%)。高热通量热力系统能够非常有效地实现高温。更重要的是,工艺效率能够按照浓度和要求的温度的函数来控制,并且不再与为实现高温而损失的生物质的部分相关联。因此,在焦油裂解期间的温度(1000-1300℃)能够不损失任何来自生物质的燃料或全过程效率而实现。这省去了通常与生物质气化系统相关的一系列复杂的焦油裂解设备。此外,高温运行改善了传热并减少了所需的停留时间,缩减了化学反应器的大小及其资金成本。
[0078] 用介于1200℃和1450℃之间的壁温和超过900℃但不超过熔点(1600℃)的出口气体温度清楚划定的运行温度在气化中不是通常见到的,并且确定未见于间接(循环流化床)气化中。可能进行的生物质和蒸汽的共气化重整天然气能够在超高热通量化学反应器中进行,但不能在部分氧化气化器中进行(因为甲烷会优先燃烧)。工艺的给料灵活性来自简单的管状设计,大部分气化器由于本文讨论过的原因而不能处理各种各样的燃料。
[0079] 形成接收器306腔的内壁的材料可具有在1100℃-1600℃的温度下保持其结构强度的机械和化学特性,具有ε>0.8的高发射率或ε<0.2的高反射率,以及高热容(>200J/kg-K)和低导热率(<1W/m-K),用于接收器306的腔。形成反应器管302的材料具有高发射率(ε>0.8)、高导热率(>1W/m-K)、中到高热容(>150J/kg-K)。
[0080] 确定粒度的粒度分析的示例可以是数字图像处理的粒度及形状分析系统,如Horiba,Ltd.Camsizer XT粒度分析器。这样的系统使用一个或多个相机,在粒度范围内,例如30μm到30mm,提供对干粉和粒状材料的快速且精确的粒度及粒形分布。来自数字图像处理系统的测量值允许与来自在某些情况下也可用于测量粒度的筛分和沉降等不同技术的现有数据有相关性。在实施方式中,使用Horiba,Ltd.Camsizer XT粒度分析器测量蒸汽爆破碎木片的粒度。通过外部操作将待测试样揉捏和搅拌在可密封的袋子中进行混合。混3
合后,将一定量的试样,如约3cm^3(cm),装入仪器的试样料斗中。目标是运行并分析足够的进样量,如每个试样至少2百万个颗粒,这样试样体积只在对应足够数量的细颗粒的情况下才重要。可在仪器上以如下示例进行设置:0.2%覆盖区域、成像率1:1、使用X-Jet(压缩空气分散进样)、间隙宽度=4.0mm、分散压力=380.0kPa、xFe_max[相应地xc_min]。控制进料速度以产生目标覆盖区域,以便计算机能够足够快速地处理图片。镜头成像率是固定的,每次运行都得到“基本”和缩放图像。平均粒度的单一值,如直径小于50微米,可作为客观测量标准。在实施方式中,Fe-max和xc-min的三点值都较完整。所以就类似于6点值。粒度分布(PSD)可定义为Fe-Max的D10、D50、D90和Xc-min的D10、D50、D90。那么,测量值能够使用多个值,如输入6个值以确定测量值。也可使用其他类似机制。
[0081] 使用Fe max和xc min在体积基准上能够进行计算。可用于分析颗粒图像的两个模型:xc-min,其产生的结果可与那些通过物理筛选/筛分试样获得的结果相当;Fe-max,类似于用卡尺测量给定颗粒的最长尺寸。对于所有试样都获得原始数据、频率曲线、废弃结果和颗粒图像。在体积基准上可计算D10、D50和D90,因为是平均长径比。D90描述的直径中,分布的90%具有较小粒度而10%具有较大粒度。D10直径具有10%较小粒度和90%较大粒度。以D10、D50和D90为特征的三点规格认为是完整的并适用于大部分颗粒材料。在实施方式中,粒度分布PSD可定义为D50(μm)模型Fe-max。
[0082] 表1-蒸汽爆破木材的粒度分布
[0083] 由xc-min和Fe-max模型得出的SEP处理后试样粒度指数
[0084]
[0085]
[0086] 表1中的试样在16bar的蒸汽压力下和10分钟的反应时间内产生。
[0087] 图2示出了蒸汽爆破单元108的实施方式的流程示意图,蒸汽爆破单元108具有蒸汽爆破工作站和热补水工作站,其供应生物质颗粒给烘焙单元或生物质气化器114或催化转化器。
[0088] 在蒸汽爆破单元208出口工作站与收集室耦合的输送系统提供颗粒形式的生物质给烘焙单元212或生物质气化器214或催化转化器215。组成生物质的初始木质素和纤维素的大部分在蒸汽爆破单元208中蒸汽管工作站的接收器部分还存在于产生的生物质颗粒中,但在蒸汽爆破工作站208的出口工作站的收集室内基本上与纤维素纤维分离。
[0089] 蒸汽爆破单元208中的收集室被配置为在蒸汽爆破过程中从生物质产生的任何排出气体中收集不凝性碳氢化合物。
[0090] 在蒸汽爆破工作站208后,在水分离单元211(例如旋流器单元)将水从生物质中去除,并且由松散纤维和分离的木质素和纤维素组成的水分含量降低的生物质可供给至烘焙单元212,进行多个烘焙阶段。包括醇、醚和其他C5碳氢化合物的可凝性碳氢化合物可通过过滤器单元213从生物质去除的水中分离出来,随后将这些可凝性碳氢化合物传送至汽油调和单元。
[0091] 图3A示出了由生物质生成合成气并由合成气生成液体燃料产品的集成设备的流程图的实施方式。
[0092] 在实施方式中,蒸汽爆破单元308中的一个或多个集气罐可从生物质在SEP过程中产生的任何排出气体中收集不凝性碳氢化合物,并将这些不凝性碳氢化合物连同在烘焙单元312中收集的都传送至催化转化器316。
[0093] 在另一实施方式中,水分含量降低的浆料可直接从蒸汽爆破单元308行进至生物质气化器314、烘焙单元312或催化转化器316。一般而言,生物质颗粒行进至烘焙单元312,然后至生物质气化器314。然而,烘焙单元312和生物质气化器可组合到单一单元中。
[0094] 能够混合的生物质类型的一般成分,例如,包括:
[0095]
[0096] 生物质气化器314具有反应器,反应器被配置为使通过蒸汽爆破单元308的两个或更多工作站分解的生物质细颗粒进行反应,随后那些生物质颗粒供给至生物质气化器314的给料部分。生物质气化器314具有高温蒸汽供应输入部和一个或多个加热器,并且在蒸汽的存在下,通过蒸汽爆破单元308分解的生物质颗粒在少于5秒的生物质气化器314驻留时间内、在高于700摄氏度的温度下、在反应容器内进行快速生物质气化反应,生成包括氢气(H2)和一氧化碳(CO)的合成气组分,合成气组分被供给至甲醇(CH3OH)合成反应器310。在气化器314中,传给由松散或片段化的纤维素纤维、木质素和半纤维素组成的生物质颗粒的热不再需要穿透木质素和半纤维素层才能到达纤维。在一些实施方式中,快速生物质气化反应发生的温度大于700摄氏度,以保证在气化反应期间从防止焦油形成。因此,从700摄氏度但小于950摄氏度的起始温度可能是生物质气化器运行的重要范围。所有生物质气化得更完全且更容易。
[0097] 生物质气化器314可向流经反应器的颗粒进行辐射传热,反应器设计为生物质颗粒的快速气化停留时间0.1至10秒,优选地,少于1秒,生物质颗粒和反应气体流经辐射热反应器,主要来自辐射热反应器表面和流中夹带的颗粒的辐射热将细颗粒和产生的气体加热至一般超过700摄氏度的温度,优选地,至少1200℃,以产生包括一氧化碳和氢气的合成气组分,并使生成的甲烷在出口产物的成分组成中保持≤1%的水平,使留在出口产物中的焦油和产生的灰分最小化。在一些实施方式中,生物质气化的温度范围为高于800摄氏度至1400摄氏度。
[0098] 参照图2,设备使用三种方式的任何组合以生成用于生产甲醇的合成气。合成气可为一氧化碳和氢气的混合物,一氧化碳和氢气能够转化为用作化学原料、燃料和溶剂的很多有机化合物。1)蒸汽爆破单元208和/或生物质烘焙造成的排出气体供给至催化转化器216,催化转化器216生成用于生产甲醇的氢气和一氧化碳。2)生物质气化器214在足够高的温度下气化生物质而不需要催化剂来生成用于生产甲醇的氢气和一氧化碳。3)或者,生物质颗粒的低温催化转化可用于生成用于生产甲醇的氢气和一氧化碳。类似地,蒸汽爆破处理和烘焙处理可用于生成可凝性碳氢化合物,用于汽油调和,以增加最终汽油产品的辛烷值
[0099] 应当注意,烯烃可为任何包括一对或多对通过双键连接的碳原子的不饱和碳氢化合物,如乙烯、丙烯和丁烯。烯烃可具有CnH2n的通式,C为碳原子,H为氢原子,n为整数。
[0100] 烘焙单元212具有两个或更多区域以隔开并提供包括C1到C4的烯烃的不凝性气体以及包括CO、CH4、CO2和H2的其他气体通过供给线至催化转化器216的路线,催化转化器216将不凝性气体部分催化转化为合成气组分CO、H2,少量的CO2和可能的CH4,它们与来自生物质气化器214的合成气组分一起传送至甲醇合成反应器的组合输入部。催化转化器216具有控制系统以调节氧化气体和蒸汽以及不凝性气体向催化转化器216的供给,催化转化器216至少产生H2和CO作为出口气体。催化转化器216使用控制系统和催化转化器内部的催化材料组合物,而不是将供应的不凝性气体完全转化为出口气体中的CO2和H2O,不凝性气体、蒸汽和氧化气体以适当的比例通过催化转化器216以实现有助于产生出口气体中的一氧化碳(CO)和氢气(H2)的平衡反应;并且从而再生与不凝性气体相关的有价值的可再生识别号(RIN)指标。RIN指标是由可再生燃料的生产商或进口商生成的数字代码,代表每加仑使用的可再生能源作物(如生物质)生产的可再生燃料。在前面的建议中,烘焙的主要缺点是碳的损耗和在烘焙去除的挥发性材料中相关的RIN指标。
[0101] 生物质气化用于将生物质的复杂碳氢化合物分解为较简单的气态分子,主要为氢气、一氧化碳和二氧化碳。一些炭、矿物质灰分和焦油也与甲烷、乙烷、水和其他成分一同形成。粗产物气体的混合物根据使用的生物质原料和气化过程的类型而有所不同。产物气体必须为预期用途充分清除固体、焦油和其他污染物。
[0102] 参照图3A,生物质气化器具有气体清理部分以从出自生物质气化器314的合成气流中清除灰分、硫、水和其他污染物。然后将合成气压缩至甲醇合成所需的适当压力。来自催化转化器316的合成气可连接压缩工作站的上游或下游。
[0103] 来自气化器和催化转化器316出口气体的H2和CO合成气被传送至一个或多个甲醇合成反应器的共同输入部。氢气和一氧化碳的精确比例能够通过控制系统优化,控制系统接收由监测设备对出自生物质气化器314和催化转化器316的合成气组分的分析,并使得用于甲醇合成的比例最优化。然后将通过一个或多个甲醇合成反应器产生的甲醇被加工为汽油处理用的甲醇。
[0104] 集成设备中生产的液体燃料可为汽油或其他,如柴油、喷气机燃料或其他醇类。
[0105] 烘焙单元312自身可具有多个分立的加热工作站。在该单元内,为了匹配优化在烘焙单元312的工作站内由生物质产生的不凝性气体和可凝性挥发物质的组成,每个加热工作站设置为不同的工作温度、传热速率和加热时间。每个工作站具有一个或多个温度传感器以提供反馈给烘焙单元312的控制系统,以调节单元内不同的工作温度和传热速率。
[0106] 许多可选工作站可属于集成设备的一部分,包括但不限于催化转化器、致密化单元、烘焙单元等。生物质小团可直接出自致密化单元并用于许多用途。
[0107] 图3B示出了由生物质生成合成气和/或将生物质生成致密化形式的集成设备的流程图实施方式。集成设备可具有并行于生物质气化器的蒸汽甲烷重整单元327。SEP单元可供应细颗粒形式生物质至致密化单元。致密化单元生成致密化形式的生物质,包括但不限于生物质小团。生物质气化器314和SMR327都能够供应合成气组分给下游有机液体产物合成反应器,如甲醇合成反应器310。之后甲醇供应为汽油工艺用的甲醇以生成高质量、高辛烷值的汽油。甲醇也可供应至其他液化燃料工艺,包括喷气机燃料、DME、汽油、柴油和混合醇。
[0108] 因此,供给系统可将浆料状的湿的生物质细颗粒从蒸汽爆破单元输出部直接供给至致密化单元。致密化单元配置为将湿的细颗粒形式生物质致密化为致密形式,包括但不限于生物质小团。应当注意,可选的干燥器单元可位于SEP单元和致密化单元之间或位于致密化单元之后。之后,致密小团状的生物质供给入以下中的一个或多个:1)生物质气化器,2)用于工艺用热的燃烧单元,3)生成电力的燃烧单元,4)产生化学品的工艺单元,5)打包装箱单元,并作为动物饲料、褥草和燃料销售。
[0109] 如图3A和3B所示,多个工作站是可选的。例如,集成设备可具有SEP单元,其供给可选的致密化单元,然后至可选的烘焙单元,再然后至设备其他部分。再例如,集成设备可具有SEP单元,其供给干燥器单元,然后是致密化单元,致密化单元供给以下中的一个或多个1)生物质气化器,2)用于工艺用热的燃烧单元,3)生成电力的燃烧单元,4)产生化学品的工艺单元,5)打包装箱单元,并作为动物饲料、褥草和燃料销售。再例如,SEP单元供给干燥器单元,后接烘焙单元,再后接致密化单元,致密化单元供给设备其他部分。
[0110] 图4A-C示出了不同水平放大的生物质碎片451的示例,其具有由木质素环绕并结合在一起的纤维素纤维的纤维束。
[0111] 图4D示出了生物质碎片示例,其包括第一生物质碎片451、爆破为细颗粒的生物质543。
[0112] 图4E示出了生物质碎片451,其具有的纤维束绽裂或部分分离为单根纤维。
[0113] 图5示出了辐射热化学反应器的实施方式流程图,辐射热化学反应器配置为生成包括合成气产物的化学产物。多筒体辐射热化学反应器514包括具有带内壁的环状腔的耐火容器534。辐射热化学反应器514具有两个或更多个由固体材料制成的辐射管536。一个或多个辐射管536位于耐火衬里容器534的腔内。
[0114] 放热热源538加热管536内部的空间。因此,每个辐射管536借助放热热源538(如回热式燃烧器或燃气燃烧器)在管536每个末端从内部加热。每个辐射管536通过管536每个末端的热嵌入入口并且也可能通过一个或多个位于两个末端之间的热嵌入口,借助来自燃烧器的火或气从内部加热。一个或多个天然气燃烧器538的火焰和加热气体充当放热热源,以在900℃和1800℃之间的温度供应给多个辐射管,并连接至辐射管536的两端。每个管536可由SiC或其他类似材料制成。
[0115] 一个或多个供给管线542将生物质和反应气体供入化学反应器514的顶部或上部。用于生物质颗粒和蒸汽的供给管线542进入用于内部加热辐射管536的耐热衬里容器534的进入点下方。供给管线112配置为供应化学反应物,包括1)生物质颗粒、2)反应气体、3)蒸汽、4)传热辅助颗粒或5)进入辐射热化学反应器的前四者中任意一种。辐射热驱动的化学反应发生在带有内火的多个辐射管536之外。辐射热驱动的化学反应发生在耐火衬里容器534的腔的内壁和一个或多个辐射管536中每一个的外壁之内。
[0116] 化学反应可为吸热反应,包括以下中的一个或多个1)生物质气化反应(CnHm+H2O→CO+H2+H2O+X)和2)其他类似的碳氢化合物分解反应,这些反应在辐射热化学反应器514内借助辐射热进行。蒸汽(H2O)与碳的摩尔比在1:1到1:4的范围内,温度足够高以使得化学反应的发生不需要催化剂。
[0117] 在辐射热反应器设计中用作原料的烘焙的生物质颗粒对于通过辐射更有效地传热给夹带气体的颗粒而提高并能够保持过程气体温度超过1200摄氏度起着有利作用,对于一定量的生物质进料提高生成合成气组分一氧化碳和氢气的气化器产率,并通过减少焦油和C2+烯烃的产生改进工艺卫生。用于辐射热反应器的控制系统使来自反应器表面的辐射传热匹配生物质颗粒的流速以产生上述有利作用。
[0118] 控制系统控制燃气燃烧器538供应热能给化学反应器514,以助于使辐射热驱动的化学反应具有高热通量。化学反应器514的内表面调准为1)吸收和再发射辐射能,2)高度反射辐射能、和3)前两者的任何组合,以维持所容纳的超高热通量化学反应器514的工作温度。因此,耐火容器的腔的内壁和一个或多个管536中每一个的外壁发射辐射热能至,例如,生物质颗粒和位于给定管536的外壁和耐火容器内壁之间存在的任何其他传热辅助颗粒。因而,耐火容器通过管536吸收或反射来自沿耐火容器顶部或底部放置的燃烧器538的集中能量,以使通过热辐射和反射进行的能量输送普遍地将热通量传给化学反应器内的生物质颗粒、传热辅助颗粒和反应气体。热耐火容器的腔的内壁和多个管536通过吸收辐射并再辐射给传热辅助颗粒或反射入射辐射给传热辅助颗粒来充当辐射分配器。辐射热化学反应器514使用主要由辐射传热而不是对流或传导驱动的超高热通量和高温。
[0119] 一般用于颗粒的对流生物质气化器通常最多达到5-10kW/m^2的热通量。高辐射热通量生物质气化器会使用显著大于对流驱动的生物质气化器的热通量,至少三倍于该量(即大于25kW/m^2)。一般而言,使用高温辐射(壁温>950摄氏度)和高得多的热通量(热通量大于80kW/m^2)能够通过设计恰当的反应器来实现。在某些情况下,高热通量能够达到100kW/m^2-250kW/m^2。
[0120] 接下来,可在由计算机执行的计算机可执行指令(例如,程序模块)的一般背景中对用于控制系统的多种算法和过程进行描述。一般而言,程序模块包括执行具体任务或实现具体抽象数据类型的例行程序、程序、对象、组件、数据结构等。本领域技术人员能够将本文中的描述和/或图示实现为计算机可执行指令,其能够呈现为下文讨论的任何形式的计算机可读介质。一般而言,程序模块可实施为软件指令、电子硬件的逻辑块和两者的组合。软件部分可存储在机读介质上并以许多编程语言编写,如Java、C++、C等。机读介质可为硬盘驱动器、外部驱动、DRAM、磁带驱动器、记忆棒等。因此,算法和控制系统可仅由硬件逻辑、与软件交互的硬件逻辑或单独的软件组成。
[0121] 虽然示出了本申请的一些具体实施方式,但本申请并不限于这些实施方式。例如,从多个设备过程回收的余热能够用于预热助燃空气或其他类似的加热用途。回热式气燃烧器或常规燃烧器能够用作炉子的热源。在烘焙过程中形成的C1、C2及更高级的醇类以及醚类可用作提高生成的液体燃料(如汽油)的辛烷值的高位值。除了辐射热化学反应器之外,也可使用其他生物质气化反应器。蒸汽甲烷重整可以是/包括SHR(碳氢化合物蒸汽转化器),其将包括碳氢化合物(烷烃、烯烃、炔烃、芳烃、呋喃、酚、羧酸、醚等)及含氧化合物的短链碳氢化合物(权利要求的范围所界定。
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