本发明涉及一种生物材料的多效水解/干燥系统及相关和手段 方法。

在我们的新西兰专利说明书No.229080中(欧洲等同专利申请 No.90304922.9及澳大利亚等同专利申请No.55013/90)，已对一 种制造水解木质纤维材料的工艺过程给以说明。该专利全文内容并 入此作为参考。

本发明涉及与这类过程、方法等有关的一种改进的工艺过程，它 可以为操作人员提供该装置的数个选择方案或提供装置及其操作方 法，由此使操作人员不仅能够对原工艺过程的设备进行操作，而且也 能对改进的工艺过程进行操作。

值得考虑的一点是特定的水溶性元素含量如钠、钾的含量所具 有的作用：当特定的生物材料燃烧时产生不需要的玻璃态物质或玻 璃态的熔岩，即钠、钾等似乎有生成此类物质的作用。在这一点上，我 要提到在1993年3月30日至4月1日于华盛顿特区Lenfant Dlaza饭店由Electric Power Research Institute主办的theStrategic Benefits of Biomass and Waste Fuels Conference上由TR Miles 提交的论文″Alkali Deposits in Biomass Power Plant Boilers″，以 及于1992年1月29日在Reno，Nevada召开的the Biomass Com- bustion conference上由Thomas R Miles提交的论文“Operating Experience with Ash Deposition and Biomass Combustion Systems”。

因此，本发明针对工艺过程及相关的产品和装置以提供一些可 选方案或至少为公众提供一种有用的选择。

一方面，本发明包括一燃烧过程，它包括：

I)将木质纤维和/或纤维材料在蒸汽中输送，于高温高压下使其 至少部分水解；

II)在步骤(I)之前或紧随其后或前后同时，将这些材料在高温 下洗涤；

III)将经过洗涤并至少部分水解的材料送往下一具有高温高压 的蒸汽环境的输送系统以降低其水分含量；

IV)仍然在高温高压的蒸汽环境中，将步骤(IV)中至少部分干 燥、经过洗涤并至少部分水解的材料进行粉末生成或气化或热解或 溶剂分解过程；并

V)将步骤(IV)由其加压步骤IV)环境中产生的粉末或气体加 入一燃烧室中并在其中将粉末或气体燃烧。

优选在步骤(II)之前和之后均进行一洗涤步骤。

优选步骤(I)和步骤(III)之间的洗涤过程的压力至少与步骤 (I)的终压和步骤(III)的初始压力二者中较低的压力一样高。

优选步骤(I)涉及一系列不同的蒸汽/固体输送系统，它们的操 作压力依次逐步升高。

优选步骤(I)中的压力或终压约为35巴且蒸汽至少处于饱和温 度下。

优选将步骤(I)中产生的至少某些挥发物从去往步骤(III)的固 体物流中除去。

优选步骤(III)处于高压下且蒸汽环境处于至少饱和温度下。

优选步骤(III)中的蒸汽环境在某些阶段具有15℃至30℃的过 热度。

优选步骤(III)涉及一系列不同的蒸汽/固体输送系统。

优选步骤(III)在约大于20巴的压力下操作。

优选由步骤(IV)制得一种粉末。

优选制造粉末的研磨过程在压力为约20至约30巴的蒸汽环境 中操作。

优选步骤(IV)中的固体经干和/或湿研磨成为筛尺寸小于50 微米的细粉。

优选采用湿研磨。

优选步骤(IV)涉及一气化或热解或溶剂分解过程。

优选固体材料的热解在温度范围为约200℃至约1000℃的蒸汽 环境中进行。

优选热解温度范围在700℃至1000℃之间。

优选上述燃烧室是一气体透平机的燃烧室。

优选步骤(III)的压力或终压至少与步骤(IV)的压力一样高，且 步骤(IV)的压力高于将前述的气体注入上述气体透平机的燃烧室 所需的压力。

优选此燃烧方法至少其中一部分也是下文定义的过程或方法。

另一方面，本发明包括一燃烧过程，它包括：

I)将一种木质纤维和/或纤维材料于高温高压蒸汽中使其至少 部分水解；

II)在步骤(I)之前或紧随其后或前后同时，将这些材料在高温 下洗涤；

III)将经过洗涤并至少部分水解的物料送入下一高温高压蒸汽 环境以降低其水含量；

IV)仍然在高温高压的蒸汽环境中，将步骤(III)中至少部分干 燥、经过洗涤并至少部分水解的材料进行粉末生成或气化或热解或 溶剂分解过程；并

V)将步骤(IV)中由其加压步骤(IV)所得到的粉末或气体加入 一燃烧室中并在其中将粉末或气体燃烧。

再进一步，本发明包括一种用于制造至少部分水解并至少部分 干燥的术质纤维和/或纤维材料的工艺过程，它包括：

I)将木质纤维和/或纤维材料在高温高压蒸汽中输送，使其至少 部分水解；

II)在步骤(I)之前或紧随其后或前后同时，将这些材料在高温 下洗涤；

III)将经过洗涤并至少部分水解的材料注入具有高温高压蒸汽 环境的第二输送系统中以降低其水含量，步骤(III)的压力低于步骤 (I)的终压且注射过程是一破碎固体材料的过程；并

IV)此后，(a)从步骤(III)中收集固体颗粒或(b)在空气中将来 自步骤(III)的固体颗粒燃烧(直接或可选择地在粉末生成或气化后 于蒸汽环境中进行燃烧)；并

V)可选择将步骤(IV)(a)中所收集的步骤(III)的任何产品制 成煤球和/或与油混合以制造燃料浆液。

优选注射过程是一种涉及一个注射喷嘴及一冲击格栅和/或筛 网的过程，通过注射喷嘴的运动是在来流物料环境与所说的第二输 送系统之间的压差作用下的结果。

优选在对步骤(IV)中至少基本上干燥的材料收集或将其燃烧 之前，先将其经过一研磨过程。

另一方面，本发明包括一种用来制造经过水解、基本上干燥的生 物材料的工艺过程，该生物材料燃烧时形成玻璃态灰质产品的趋势 得以降低，它包括：

I)将生物材料经一蒸汽输送系统再经一收集系统以实现至少部 分水解；

II)将收集下来的至少部分水解的固体颗粒送入另一不同的蒸 汽输送系统再经一收集系统以降低固体物流中的水含量；并

III)从步骤(II)的蒸汽系统中收集基本上干燥，基本上水解的 固体颗粒；

本工艺过程的特征在于：

在步骤(II)和/或步骤(I)之前包括有至少一个高温下的水基洗 涤步骤。

优选上述生物材料是一种木质纤维材料。

优选上述材料为木屑和/或树皮。

优选上述步骤(I)的蒸汽输送系统涉及一系列的分立系统。

优选上述系列分立系统相互之间具有热力学/热交换内在关系， 因而可使从整个系统外部输入的热量最少。

优选上述步骤(I)的蒸汽输送系统相互之间的热力学/热交换 内在关系在其下游的步骤和环境中亦存在。

优选步骤(I)的蒸汽输送系统处于这样的压力和温度之下，即为 生物材料提供饱和蒸汽状态。

优选的上述洗涤步骤(II)在生物材料的预汽蒸过程之后。

再一方面，本发明是一种由生物原材料制造玻璃态灰分生成元 素含量低的固体物的工艺过程，玻璃态灰分生成元素选自钾和钠，生 物原材料含有这些元素，该工艺包括：

i)将此材料置于一高压蒸汽系统的蒸汽之中，可往该系统中加 入所需的能量和/或水，同时从上述材料中将挥发物提取出去；

ii)将受热固体物流从步骤i)的系统输送到一高温洗涤步骤或 洗涤序列；并

iii)从上述固体物流中除去大部分洗涤水，由此提供上述元素 含量低的固体物。

优选上述高压蒸汽系统是一蒸汽/固体颗粒输送系统。

优选步骤(iii)的产品被输入一水解过程，正如已在我们的新西 兰专利说明书No.229080(欧洲等同专利申请No.90304922.9及澳 大利亚等同专利申请No.55013/90)中所要求的那样。

优选由步骤(iii)所脱除的洗涤水可用作步骤i)前一选择使用 的预洗涤步骤的热产换液体。

优选步骤i)的系统为一带有热交换输入的输送系统，该输送系 统包括一鼓风机及一固体物流收集旋风分离器。

优选热交换输入借助于一流体夹套实现。

优选上述旋风分离器进入步骤(ii)，其目的在于一系列多个螺 旋输送器或其它形式的洗涤器能够首先允许洗涤水作用于固体颗粒 及输送器或洗涤机，以从中将大部分水分挤压出来，从而进行步骤 (ii)和(iii)的操作。

优选上述固体颗粒由上述的一螺旋输送器或其它型式的洗涤机 压缩后可形成上述材料的塞状物。

优选去往后续洗涤螺旋输送器的洗涤水为逆流的。

另一方面，本发明是一种在多效水解与干燥序列中处理含木质 纤维成分并含钾和钠的生物材料(原材料)的工艺过程，它包括：

a)将原材料在第一高温和第一高压下经蒸汽处理；

b)将固体物流通过一水洗步骤[或洗涤序列]，由此至少将其中 某些可溶性物质除去，其中包括某些至少含有钾和/或钠元素成分的 物质；

c)将来自b)的固体物流送入至少一个高温高压的蒸汽水解环 境；并

d)将来自于步骤c)至少基本上水解的材料送入蒸汽环境中的 至少一个干燥处理系统；并

e)其后从步骤d)将基本上干燥的固体颗粒提取出来。

优选步骤(a)的蒸汽处理系统采用过热蒸汽。

优选步骤(a)是在预洗涤和/或至少除去其中一些挥发物之后进 行的。

优选步骤(b)是对已先期除去某些少量挥发物的固体物流的洗 涤过程。

另一方面，本发明是一种用于生物材料的改进的水解/干燥工艺 过程，它包括：

I)将该材料经预热处理；

II)将此材料在第一高温和第一高压下的输送系统中进行初步 水解处理，环境为饱和蒸气环境，在受控阶段中温度高于200℃。

III)将来自于步骤(II)至少部分水解的固体物流送入第二高压 和第二高温下的联合水解/干燥处理系统中(基本上不发生闪蒸)停 留一段时间，并

IV)将来自步骤(III)的固体物流闪蒸后进入处于第三压力下 的干燥处理系统，第三压力低于第I)级和第II)级的压力，环境为过 热蒸汽环境；并

V)从步骤(IV)的干燥处理系统将固体物流提取出来。

优选预处理步骤(I)包括：

(a)可选的热水预洗涤步骤；及

(b)可选择置于高温高压蒸汽环境中操作。

优选所说的可选蒸汽预处理步骤的高温高压环境的温度高于 180℃。

优选所说的可选蒸汽预处理步骤的蒸汽是过热的。

优选所述可选的蒸汽预处理步骤的高温高压环境的压力约为 12bar而蒸汽过热范围为1至30℃。

优选的过热度为约20℃。

优选的在所说的可选蒸汽预处理阶段将挥发性物质从固体物流 中除去。

优选预热处理最好在可选蒸汽处理之后包括一个洗涤步骤或洗 涤序列。

优选上述洗涤是用水在高温下流经序列螺旋塞状物成型洗涤机 或洗涤器。

优选的上述预热处理优选在洗涤步骤或序列洗涤步骤之后还包 括一个饱和蒸汽处理级，该蒸汽处理级在第一蒸汽处理过程之后，该 饱和蒸汽处理系统压力优选为约24巴(饱和温度约为222℃)。

优选此系统为一输送系统，它包括一个鼓风机和一固体物流收 集旋风分离器。

优选本工艺设有第一热洗步骤，优选带有水补充的第一蒸汽附 属步骤，一洗涤和干燥步骤或多个洗涤及干燥步骤，以及在固体物流 进入III)的水解步骤之前的饱和蒸汽步骤。

优选III)的水解/干燥操作优选分为二部分，无论步骤III)是 否分为二部分。

优选水解过程是在一输送和收集系统(优选旋风分离器收集)中 按预先设定的时间进行，在约35巴的高压下于饱和蒸汽中(饱和温 度约为242℃)短暂水解一段时间，例如水解10到90秒钟。

优选本工艺有一通道从第一水解级通往第二水解级(优选不发 生闪蒸)，优选在相同压力下，例如约35巴，有过热(例如过热10到 30℃)但停留时间较短，例如6到15秒钟。

优选IV)的干燥步骤的压力高于大气压但远低于水解级的压 力。

优选IV)的干燥步骤的压力约为2巴并有一定程度的过热(如 约150℃的过热蒸汽)，其停留时间则为降低材料中的水含量而使其 达到最终目的产品材料含水量水平要求所需的干燥时间，而不管目 的产品材料是用来燃烧、制板或产品成型等同的或其它用途。

优选本系统大体上按下文所述的方法来操作。

再一方面，本发明是处理纤维生物材料的工艺过程，它包括将此 材料在蒸汽中于35巴下置于一受控水解系统中停留10到90秒钟， 之后在压力基本上不改变且不发生任何显著闪蒸下将固体物流置于 另一饱和或过热状态下的蒸汽环境中停留15秒或更短，其后在约2 巴的压力及过热蒸汽温度约150℃下将固体物流干燥一段时间，干 燥时间为降低固体物流中的水含量而使其达到特定的最终目标产品 可能要求的水含量所需要的停留时间。

优选物料水含量已降低至约1％(重量)(水分/产品)。

优选受控水解过程将固体级分中的80％(重量)或更多的水分 除去。

优选本工艺系统所需的能量来自于以逆流形式所提供的大量热 量输入。

另一方面，本发明是实现本发明工艺过程或方法的装置。

再一方面，本发明是按本发明的任一工艺过程或方法所制造的 产品或热能。

现参照附图来说明优选的本发明实施方案。其中：

图1概略示出了本发明工艺过程的各级过程：预处理，水解和干 燥(优选方案中水解/干燥合并为一级)，并示出了其中可能用到的设 备的典型型式；

图1A和图1B同为图1的放大图，更清楚地将工艺过程的各个 部分表示出来；

图2主要是固体物流的图示，参照图1，1A和1B，图2所示为预 处理过程的优选工序；

图3与图2相似，但其中所表示的为本发明优选方案中的水解/ 干燥步骤(蒸发1为一蒸汽系统，它既是水解级的延续也是干燥级的 开始)；

图4是摘自KShen的加拿大专利No.1213711中有关稻壳的 图示(亦为K C Shen的澳大利亚专利说明书No.586191)；

图5(与图1、1A和1B中所示的方式相似)所示为一总体上优选 的工艺过程，它装设有一常压预洗涤及预热级，带有挥发物分离过程 的第三预热级(第一蒸汽输送级)，从第一蒸汽输送级到第二蒸汽输 送级(第四预热级)的一组三级洗涤；从第二蒸汽输送级输送到第一 水解级，然后在进入未蒸发级之前作为原料加入一主蒸发级中(可选 择通过一已知型式的注射喷嘴加入，该注射喷嘴在二蒸发级之间可 对物料施以破碎作用，此破碎机的位置在图上用字母“X”标出)；

图6所示为根据本发明的一个系统工艺流程图，该系统具有第 一加热器、第二加热器、水解器、蒸发器等，之后导入一粉末制造系统 作为气体透平的进料，该工艺的下游系统包括一球磨机及其它设备 等；

图7所示为图6系统的一个变体系统，它将图6中产生可燃性 气体的下游工艺过程用一蒸汽环境下的过度热解过程代替，之后再 燃烧并驱动气体透平。

生物材料如含有木质纤维或纤维的典型材料象木本材料，禾杆， 稻壳或诸如此类的物质均有可能用于我们先前的专利说明书中所描 述的工艺过程。此类材料亦可同样应用于本发明的工艺过程、装置及 设备中。

本发明对于我们先前的专利说明书中的工艺过程给予一定程度 的增强。

有关上边提到的公开内容中所说的灰分形成组分，此处参考其 全文内容来说明。TR Miles披露，每年的农作物生物燃料中高含量 的碱金属造成锅炉对流面上的严重结圬以及引起流化床内结渣并磨 损燃烧锅炉内部。其结果是尽管需要频繁地清洁系统，当与其它燃料 混合燃烧时，这些生物燃料仅有最小百分比5-15％(重量)的材料 能得以燃烧。他另外特别指出这些沉积物严重地限制了从农业残余 物中回收能量的潜力。这些燃料中的高含量碱金属成分与二氧化硫 形成一种共熔物，使灰分软化点从木材灰质的软化点1050℃降低为 750℃。即使与木材混合燃烧时农业残余物所占百分比很小也会发生 这一问题。本发明在操作过程中，至少在其优选方式下，至少在一定 程度上克服了这个难题并提供了一种选择方案：如果需要的话，可操 作本系统处理此类有或没有纤维成分的农业残余物(有机物)，和/或 选择地能对特定的进料物质来操作(例如木材，禾杆和/或稻壳)以 提供给水解基本上干燥的固体物料，该物料如同我们前述的专利说 明书中所说的一样可以压制成有用的产品。

在此提及可从有机物如农业废弃物中提取出来的“挥发性物 质”，Erven F Kurth(纸化学研究所，Appleton，wisconsin)在 “WOOD CHEMISTRY”(Browne)中第12章“木材的外部成分” 中将其说成是香精油和挥发性酸。他指出在此两类物质之间的区别 纯粹是任意的，这是由于在许多情形下香精油也可能含有相当多的 酸。酸类及其构成一般为“全纤维”成分而在几种木材中已知有游离 酸存在。因为香精油大多均具有强烈的芳香气味，它们由于是完全挥 发性的而与凝固油或脂肪油不同。

Erven F Kurth指出香精油一般均具有组成和性质上变动很大 的特点。这一事实及其它们的应用价值要归因于其中一些油显著的 技术价值以及其它纯科学上的意义。一些实例包括得自于樟脑的樟 脑油，从松树芯木中得到的松木油。他指出香精油既可从活的或砍伐 下来的软木中亦可从硬木中得到。

由此视农业原材料、木材等的不同，可将多种挥发性物质提取出 来以提高固体物流的洗涤性，同时在该系统的后期工艺中消除任何 由于这些易脱除的挥发物的存在和/或由于对此类挥发物的回收能 力所引起的困难。

现参考图2、图3来描述本发明优选的工艺过程。图2为一预处 理级，优选的将固体物流的温度升高并同时在优选方式下从固体物 流中洗去水溶性有用成分，它们经常含有较多的不需要的碱金属(钾 和钠)，优选在脱除一些挥发物后进行洗涤过程。

图2所示为一预洗涤步骤，第一汽蒸步骤(优选在一旋风分离中 带有输送和收集系统)，一系列洗涤步骤及其后第二汽蒸步骤。参考 图3，第二汽蒸步骤位于固体物作为进料加入水解/干燥物流之前。

优选预洗涤使用热水，参考图3，优选方式下预洗涤热水直接或 间接来自于从蒸发级2中取出的过热蒸汽，此过热蒸汽或被冷凝下 来或被用来给预洗涤步骤中的水加热。但优选的预洗涤是在如图1 及1A中所示的塔中进行。该塔或其它形式的设备设有夹套并利用 来自洗涤步骤的富含固体颗粒的水使其保持在高温下。预洗涤所用 的水最好由螺旋输送器输送到蒸汽1系统，若有必要，可往蒸汽1系 统中选择加入水以补尝由于固体颗粒通过洗涤步骤时所损失的蒸汽 以及与挥发物一起被提取出去的蒸汽损失。

蒸汽1步骤为一预热级，它是一个由一合适的鼓风机提供动力 的输送系统，其液位由选择加入的水来维持而固体物流由一旋风分 离器提取后进入优选的三级洗涤步骤的第一级。在由被取自于蒸发 级1的蒸汽加热的热流体的加热下，蒸汽1系统中的蒸汽处于约12 巴的高压下并过热。约12巴压力下的饱和温度为约180℃而过热程 度优选为10°至20℃。挥发性组分用要被冷凝分离的蒸汽冲洗。湿热 的固体颗粒用螺旋输送器输送通过一系列优选的三个洗涤步骤。可 往此三个洗涤步骤中在洗涤水被压榨之前加入高温的水(优选高温 水与被洗涤的固体物流的温度相同或更高)。经压榨后的材料在被螺 旋输送器送入下一后续洗涤器的螺旋区之前被挤压成塞状。

各级均有压榨作用的三个逆流洗涤器优选使用加压热水，可由 来自第二热流体加热器的冷凝液供给并由来自于一热交换器的补尝 水来补充。对此材料的供热优选的是能由系统内部提供热源最为合 适，如此仅仅需要一单个的热流体加热器而得以保持我们前述专利 说明书中的工艺过程的热能优势。

由洗涤中得到的洗涤水在系统压力下循环以对大气压下进入预 洗涤步骤的进料固体颗粒加热。之后进行洗涤水处理以供溶解之用。

参考图3，优选的蒸汽2系统亦是一带有一个鼓风机和一个固 体颗粒收集旋风分离器的输送系统。通过一合适的空气阀或固体物 流传送装置到达一螺旋输送器，再至其后的级间通道，由此进入受控 水解级。称之为蒸汽2的系统由来自第二流体加热器的热流体加热 到约24巴并贮有饱和温度为222’14的蒸汽。再循环蒸汽基本上由 饱和蒸汽组成。

由此优选的压力增长次序依次从开始时的大气压升高到蒸汽1 系统的12巴再升高到蒸汽2系统的24巴，然后升至各受控水解和 蒸发1系统的35巴，参照图3。

第一水解级(受控水解)由来自第一燃烧流体加热器的热流体加 热到某一压力，如加热到35巴(饱和温度242℃)。水解程度由计时 单元控制，对特定的固体物料可将固体颗粒在系统中保持合适的精 确设定的一段时间。只能参照整个系统的特性和输入的固体物流以 及物料流率来确定其停留时间长短。再循环蒸汽由饱和蒸汽组成。

在对大多数农业废弃物(包括木屑等物)加以利用时，受控水解 若于35巴下操作，在优选的无闪蒸下被送入标记为蒸发1的系统之 前，材料的停留时间不得超过10至90秒钟。蒸发1系统亦为一带有 鼓风机与收集旋风分离器的输送系统。在此，蒸发1系统由第一燃烧 流体加热器的热流体加热并维持在与前级(受控水解)相同的压力之 下，系统温度被升高来为固体中所携带的大部分水分的蒸发提供推 动力。在降速干燥阶段(见图4)水解仍角以饱和状态下同样的水解 速率进行。在恒速干燥阶段，温度升高而使水解速率增加。降速阶段 的停留时间由于固体颗粒向下一状态的转移而缩短。优选该转移时 间在6秒之内或更短以避免损伤材料，例如由于过度焙烧而对材料 造成损害。

物流通道经由一空气阀和螺旋输送器进入蒸发级2。蒸发级2 为一低压系统，优选的系统压力为约2巴(过热150℃)，该系统由来 自第二流体加热器的热流体加热，当然也由固体物流所带来的能量 输入加热。压力已被降低以对最终的脱除水分提供30℃的过热。物 料在蒸发级2中停留一段时间后，产品以干燥的经过洗涤和水解的 纤维素形式等排出到空气中，物料停留时间按产品的特定用途而定。

所期望的终点(即在蒸发2系统之后)水含量优选的降低至约 1％(重量)(水分/产品)。

蒸发1系统选择地(以湿基计)将水含量降低约80％或90％， 即进入蒸发2系统的固体颗粒仅含有进入蒸发2系统的水分含量的 20％或10％的水分。

参照流程图所附的设备示意图，图5中示出一种对固体进料进 行初步常压预洗涤及预热的系统流程图。预洗涤增加了富含可溶性 物质的水量，此富含可溶性物质的水然后经水处理将可溶物及其它 物质分离开来，这使得脱除了不需要成分的水能重新注入到工艺过 程中和/或应用合适的方法处理掉多余的水。

初步常压洗涤和预热系统优选采用一个三级逆流洗涤器。

第一蒸汽输送级(第三预热级)是第一蒸汽输送系统，包括一鼓 风机，一水注射系统及一将固体物流导入一个三级逆流洗涤器的收 集旋风分离器。该旋风分离器将固体颗粒由第一输送系统传送到第 二蒸汽输送系统(第四预热级-第二蒸汽输送级)。

第一蒸汽输送级由来自第二流体加热器的热流体加热到12巴 (饱和温度188℃)、过热10℃。挥发性组分用蒸汽清除而冷凝分离。 湿热的固体颗粒在一各级均有压榨作用的三级逆流洗涤器中洗涤。 加压热水由来自第二热流体加热器的冷凝液供给并由来自于一热交 换器的补尝水来补充。含有可溶性提取物的水在系统压力下循环并 对在大气压力下输入的固体颗粒加热。最后将洗水加工处理以供溶 解之用。可进行下游挥发物冷凝液收集的分离过程使得冷凝水返回 到储罐，而由此分离出来的挥发性油作为副产品提取出去或作为燃 料。

三级逆流洗涤器优选在各个由压榨固体颗粒塞状物所分隔开的 水室中带有三分之一的固体颗粒。各级中仅用冷凝液稀释的稀释液 中含有一份的干固体颗粒和二份的水。备用稀释液可用一水贮罐使 其在任何水平上，而吹扫速率由来流冷凝液确定。压榨比为1∶1。

第四预热级(第二蒸汽输送级)由来自第二流体加热器的热流体 加热到24巴(饱和温度222℃)。循环蒸汽由饱和蒸汽组成。

第一水解级借助于前述的或如我们的专利说明书No.PCT/ NZ 94/00097(等同新西兰专利申请248895)中所述的一固体颗粒 输送装置接受来自于第四预热级(第二蒸汽输送级)的固体颗粒。

第一水解级由来自第一燃烧流体加热器的热流体加热到35巴 (饱和温度242℃)。水解程度由计时单元控制使固体颗粒在系统中 停留一段合适的精确设定的时间。再循环蒸汽由饱和蒸汽组成。

在第一水解级与二蒸发级的第一级之间借助于合适的固体颗粒 输送装置传输固体颗粒。主蒸发级或第一蒸发级由来自于第一燃烧 流体加热器的热流体加热并维持在与前级相同的压力下，即主蒸发 级的压力亦为第一水解级的35巴。将该级的温度升高以提供“驱动 力”将固体颗粒中所携带的大部分水分蒸发。在恒速干燥阶段水解以 与饱和状态下相同的速率进行。降速干燥阶段的温度升高以增加水 解速率。材料在降速干燥节段的停留时间可由将固体颗粒向下一级 输送而缩短，这可选择采用一注射喷嘴和滤网。由于在主蒸发级和末 蒸发级之间压力迅速降低，它们能对固体颗粒产生破碎作用。

末蒸发级或通过一空气阀(或其它固体颗粒传送装置)或梅逊型 注射喷嘴(或其它合适的型式)从前级接受固体颗粒。末蒸发级由来 自第二流体加热器的热流体加热到2巴(过热150℃)。将压力降低 以为最后脱除水分提供30℃的过热度。产品以热的、干燥的，经洗涤 并水解的纤维形式排出到大气中(若期望如此的话)。

然而本发明亦认识到至少在主蒸发级中，将至少部分并至少部 分水解的木质纤维材料置于一高压蒸汽系统中，如此就有可能在这 样的蒸汽环境中(此蒸汽环境不支持燃烧)运行此加压系统并运行一 些工艺过程(如材料磨粉和/或气化，例采用超热解的方法)以在一 加压环系统中提供一种产品，若期望的话该产品可用作(与油或其它 成分混合)一种燃料进料，利用现有的系统压力输送将其输入一合适 的燃烧器(如气体透平)。这样的下游工艺过程避免了对于昂贵的专 用燃料供料加压系统的需要。

图6所示为图5所说的系统的下游工艺流程图，参考图示设备。 可看到在蒸发级或多个蒸发级之后，一台球磨机连同合适的输送蒸 汽扇，灰尘分离器等一起可提供一种能够加入一燃烧器用来产生热 量的粉料以及如图所示，利用废气驱动一气体透平，而气体透平反过 来又产生电能。同时又由于能量回收过程使得废气中的热量亦可加 以利用。

图7为图6的一种替代形式，即在蒸发级之后采用了超热解装 置，而由此所产生的气体可如同利用此气体燃烧时的废热一样对此 气体加以利用。

对照图5到图7所示的实施方案，可看出若将35巴的压力降低 为图5所示的优选工艺布置下的2巴的压力，强制水解后的物料液 流用蒸汽输送通过一个小喷嘴闪蒸，在各蒸发级之间就会发生破碎 作用。当最终产品本身是树脂化的板材或挤出产品，此成纤/破碎的 磨损效应就消除了对于诸如盘式精炼机等机械过程的需要。利用喷 嘴的破碎作用已在实际中应用很久，发展极为迅速。而在鼓风管线上 于最终低压干燥过程之前装设破碎机则是一种新的方法。

将其它下游工艺作为水解(干燥)过程整体的一部分来集成并具 有合适的热力学集成可提供一种新型的动力驱动亦同为输送蒸汽的 方法。利用可燃气体或可选择地与输送器燃料形浆料的可燃粉末的 气体透平。在这些燃烧过程中，图5中所涉及的优选的最终低压干燥 段不被采用且干燥过程一直进行到对其后续过程来说是最好的任何 干燥程度。在从该干燥过程的末级旋风分离器中排出时，这些基本上 干燥的固体颗粒在鼓风管线中输送到一喷嘴处，物料在此与其携带 蒸汽一起全部被排放到一低压系统，优选方式下压力降最大约为5 至10巴。

通入降压系统的鼓风管线为固体颗粒提供了势能使其可沿管路 被携往喷嘴，直至携带剂的物料到达喷嘴处。鼓风管线中的压力和温 度保持它所离开的干燥级的温度和压力。温度不容许降低，因此有必 要设置热交换夹套。在喷嘴之前立即采用磨碎及粉化设备以达到所 期望的细度而系统中不会有温度或压力的损失。重要的是要注意到， 由于在粉碎和粉化操作过程中氧不存在故不会有危险，不用害怕亦 不会爆炸。

还应注意到可在第一高温水解系统和高温/水解/干燥系统之间 插入进一步的洗涤步骤。这样半纤维分解所产生的可溶性产物就 可洗涤除去，其目的在于获得十分有用的戊糖产品及其它可加工成 有价值产品的物质。通过控制洗涤过程的化学成份也有可能将任何 残余的碱盐化合物洗出，可以更有利于清洁燃烧而无玻璃态产物。

气化过程以几乎与此相同的方式来进行，只是物料应该磨碎为 小颗粒但并不必将其研磨为细粉末。

某些工艺参数

1.清洗应包括：

(i)清洗级以上清除脏物(生物量浮游物，脏物沟槽)并使生物 量处于均匀的标准湿度水平(脱水后约为50％)。脱水过程可用一台 压缩机或一台连续框式离心机来完成。

(ii)前端逆流热洗步骤。使用热水有三个功用：

(a)破坏生物量的细胞以有利于洗出盐分。

(b)预热物料。

(c)使生物量隔绝空气，将其引入蒸汽环境中。

(iii)中间洗涤-选择采用。视生物量的性质和使用形式而定。

(iv)末级水解后洗涤-选择采用。视使用形式而定。其作用为：

(a)提取糖分以进一步加工。

(b)提取本质化合物以备纤维提取(用化学添加剂如酸等来降 低pH值)。

(c)最后提取矿物质成分以生产含很少灰分的生物粉末及生物 粉末/油浆液。

2.粉碎

(i)生物量控制/制备阶段。

两种选择

(a)饲料在田里收割时用饲料收割技术通过合适的收割设备进 行粉碎。

(b)对特定类型的生物量，如脏污燃料，城市固体废弃物，庭院 废物，压榨干蔗渣等，选用进一步的粉碎过程作为前端操作。

(ii)粗颗粒研磨

某些应用场合要求提供粗颗粒的生物燃料，其颗粒尺寸约为 1mm且小于2mm。

这是一个在蒸汽气氛中使用锤磨机于20-30巴压力下操作的 干研磨技术，集成在过热蒸汽干燥段之后。

(iii)细粉料研磨

某些应用场合要求使用筛尺寸小于50微米的很细的生物粉末。

(a)这可通过与上述2(ii)中相似型式的第二用级干研磨过程 实现。

(b)选用的湿研磨级采用中间到轻质馏分如柴油作为湿研磨用 的液体。

可采用一系列的湿研磨技术(如球磨机)，可用表面活性添加剂， 如Cemusol N.P.，Sapogena，Arcopal等来确保生物粉末均匀而 稳定地分散到液体中去。

3.超热解

超热解在本工艺的最后一段(或终端)进行。生物燃料作为粗颗 粒原料提供。热解在不到一秒钟内进行。温度范围在700与1000℃ 之间，优选约750℃。对颗粒的超快速加热过程可由一系列选择方案 来实现。

(i)来自于装置另一区的热气体中的热传递(如煤炭的气化或 燃烧)。

(ii)采用中间传热介质。

(iii)优选情形下利用通过热交换器壁的热传导。

除CH4(天然气)或H2等气体以外，超热解过程还额外利用其 它气体，该反应可转变用来优化生成一系列气体如合成气，乙烯，甲 烷。H2可由发电工段水的热解来制造。(其间O2被用来提高煤的气 化效率)。此外可用一系列催化剂来促进特定气体的生产。

可选用适中温度范围例如200-700℃。回顾文献可很清楚这一 点，即：蒸汽热解过程不仅有利于制得高热值的气体和合成气，而且 有利于制得公知的“生物油”或“原油”。也就是说可从含有一定比例 氧化物的生物量中制得油品并可由催化重整工艺将这些油品转化为 相当的石油。

注意在本工艺的蒸汽干燥区段会发生一定量的中温热解，可由 缩短物料在干燥区的停留时间使中温热解反应最少。但这也显示出 其后的超热解过程实际上是控制产品以固体、气体或液体形式产出 的同样过程的延伸。

4.生物粉末/油浆料

洗涤、水解、干燥、锤磨和湿研磨等过程联合应用可制造一系列 生物粉末浆液产品，它们可用作热油替代品，其范围从重质燃料油到 柴油。此类浆液制品肯定会用于现有燃油锅炉及其它供热设备(如用 于制造环流供暖设备用的热空气)和区域供暖设备。除了经济优势 外，应用生物粉末浆液替代油制品可以显著降低往大气中的排放量 (如硫、二氧化碳等)。使用浆液可使现有的锅炉不用经过大的改造而 仍然能照常使用。

生物浆料产品包括5-60％混有油或相似衍生物的生物粉末， 少量添加剂如表面活性剂和一些选择加入的水。

本工艺的水解区有助于保证最终浆液产品的质量和适应性。可 选择使用价格合适的植物油或动物油制品(如酯化油脂，从棕榈油、 椰子油等油里所得到的植物油)。

5.溶剂分解

在研磨段或其后加入有机溶剂可利用前述蒸汽水解过程的优势 通过溶剂分解作用制造生物油。这将要求：

(i)在蒸汽水解级中加入溶剂和/或其它化学品(如弱酸)。

(ii)于中等温度(200-300℃)及20-30巴压力下在研磨后续 工段或在湿研磨期间加入溶剂(事实上使用诸如柴油的石油制品预 期可达到一些溶剂分解作用)。

这将制得可从残留灰分和煤炭中分离出的生物油。其中一些生 物油可作为连续工艺过程一部分的溶剂再循环。某些应用场合下这 可能是除灰而制得洁净燃料(如脏污燃料加工)的最好的工艺路线。

所得产品可用作燃料或后续精制过程的粗料而出售。

注意：(i)预期球磨本身效果将在“溶解”过程起重要作用。当二 小球互相接触挤压时，会在一非常小体积内产生高压(及显著的温 升)。在这些点上将会发生反应。(现已有使用石灰研磨有毒废物破 坏PCB和DDT的工艺过程)。

注意：(ii)优选有机溶剂从该过程前端所排出的挥发物中得到。

太阳能的利用

一般认为，气体透平使用“固体”燃料不能够有效燃烧，严格说来 这并不正确。二十世纪五十年代进行了大量气体透平燃煤试验。这 些努力并非完全成功，但显示出是真有希望。该工作最终由于对高灰 分含量煤燃烧时不可避免产生的煤渣的处理上的困难而停顿下来。 [最近，General Motors的Allison透平分部用磨碎的化学清洁的煤 进行了一系列实验。]

“煤渣”是熔融灰分。

熔融灰分是由于燃烧反应使得矿石灰质在远低于其真实熔点温 度下熔化而形成的。此难题并非在于“灰”而是在于熔化灰质成分的 “熔岩”状产品。即使在很高炉温下，矿石灰分以很细且非磨蚀性的粉 粒形式放出，而挥发性碱金属盐的存在也对玻璃态共晶熔岩生成现 象有影响。

解决方案

碱金属盐是每年生长量或“绿色”生物量的显明特征，但亦存在 于许多燃料中。

Convertech提供了燃料前除去碱金属灰分的方法。

燃烧前将大多数碱金属物质除去从根本上改变了燃烧化学。在 很低炉温下即能发生的粘的煤渣沉积物的形成就得以避免，从而得 以在高温下燃烧的清洁、干燥的燃料中获得大大增强的燃烧与传热 效率。

如若没有碱金属挥发物也就没有煤渣。若磨碎的无碱金属的生 物燃料悬浮燃烧，所有的矿物灰分均极为细小，它们以飞灰形式通过 各透平级或各锅炉而没有扣坏或聚积。这些细小的飞灰最好在换热 循环过程中或开始时收集下来。

因碱金属盐得以除去，故当其后透平叶轮或其它表面冷却时在 这些表面上没有挥发物冷凝下来。

本发明的进展对于研究实用、经久耐用而最重要的是具有竞争 力的利用太阳能的手段是极为重要的步骤。

几乎没有疑问，干燥、脱除了碱金属，得自生物量的粉末燃料代 表了对磨碎、化学清洁的煤的应用的长足进步。

由本系统所制得的燃料将基本上不含碱金属盐，完全干燥且极 其易碎。它将会是纤维状的，相当有活性且无磨蚀性。

气体透平在燃烧器压力为约20巴下运行，通常需将液体或气 体燃料压缩到高于此压力以使液体或气体燃料能够被注入系统。在 有关固体燃料实验中，最大的困难在于要找到一种可将燃料输送到 燃烧器的燃烧室中的方法。

因该装置的最后一级将在约35巴(500p.s.i.)并过热至30度 或约265℃下运行，燃料正好在高于燃烧室压力下由过热蒸汽携带 而注入燃烧室，这实为解决此难题的良方。

在输送过程中将实现燃料粉化而无压力和温度损失。由于粉化 燃料被携载进入燃烧室，蒸汽能量得以利用，此外还带来减少氮氧化 物排放量的好处。

亦可加入对玻璃态灰生成趋势有抑制作用的添加剂。这些添加 剂为液体或粉化物质，加入比例约为1％，可容易地由另一个入口引 入到加压燃料物流中去。重要的是要注意到已经很有活性的有机燃 料在相当高的温度下进入燃烧室，这使其点火时间势必十分快速。

脆化燃料可粉化得非常细小，因而在中等尺寸的燃烧室中，燃料 颗粒燃烧完全的时间可缩短为最小。也可提供节流及附加的燃料控 制。

若防止了玻璃态物质的生成，所排出的极少量的灰分将具有颗 粒细小、无磨损的特点，在通过一要求有飞灰收集器和仅偶尔也需要 洗涤循环的透平时不会造成危害。

重要的是要认识到可将本发明的热系统及透平废热结合以获得 高的单循环效率。也可考虑从本装置中利用余热来生产较大蒸汽流 的研究开发工作。这些为开发高效率低投资费用的结合循环提供了 可能性。