用于從高壓區域向低壓區域排放預處理生物質的設備和方法

專利名稱：用于從高壓區域向低壓區域排放預處理生物質的設備和方法
用于從高壓區域向低壓區域排放預處理生物質的設備和方法發明領域本發明涉及用于將已受到增壓處理的生物質(biomass)排放進入低的或大氣壓 力區域的裝置和方法。背景強烈的興趣產生于發酵和氣化富含碳水化合物的生物質以給用于燃料的石化 資源、畜牧飼料以及為有機化學前體提供替換物。包括工業和農業廢物的木質纖維生物 質被證明像碳水化合物資源一樣尤其令人感興趣。對于木質纖維生物質，一般需要預處 理，以便從纖維素纖維中分離木質素和半纖維素，并因此增加水解酵素的催化有效的進入 (catalytically effective access)。已報道過多種預處理工藝，其中的很多依靠高壓下 的高溫處理。供參考，見參考文獻1和2。將預處理生物質從高壓區域排放到隨后的低或大氣壓力下的處理出現先前已由 兩種一般方法解決的技術問題。適合于半連續處理的粒子泵(particle pump)已發展成 提供生物質從不同壓力區域的壓力密封轉移。例如見W003/013714，其通過全文引用特 此并入。可選擇地，在批處理中，預處理生物質從高壓區域的排放已通過使用“蒸煮爆碎 (steam explosion) ”實現，其中生物質被完全地噴出壓力處理設備而進入噴放罐。例如見 US6506282.之前對于“排放”問題的解決方法通常已經不適合于連續的生物質處理。在生 產規模中，連續處理相對于半連續或批處理是有利的，因為設備的大小能被顯著地減小，例 如在2到5的因數之間。能量損耗也能被最小化，而且在整個連續處理中避免了麻煩的能 量脈沖。對于木質纖維生物質預處理加工的改進是有利的，其減少了成本，特別是能量成 本，或以其它方式促進按比例擴大(scale-up)到生產規模的使用。這里描述了用于從高壓區域向低壓區域排放預處理生物質的適合用于連續生物 質處理的設備和方法。優選的實施方案相對于現有技術中已知的方法和設備提供了增壓預 處理區域的減小的蒸汽損失、減小的能量消耗和簡化的結構。發明概述提供用于從高壓區域向低壓區域排放預處理生物質的設備和方法。預處理的、熱 的生物質被在高壓下添加在排放容器的頂部，該排放容器部分地填充有水或水溶液。容器 包括定位于容器側面的多個水噴口，通過該多個水噴口注入水或水溶液，以便在容器的下 部分中形成強的湍流(turbulence)。該湍流，優選旋渦湍流(vortex turbulence)或“水 力旋流器”混合生物質和水，且在成堆的材料以高速作為漿體噴出穿過容器底部的孔或閥 之前分開任何成堆的材料。穩定的溫度分層形成在排放容器內，借此熱水保留在容器的頂 部，減少了從預處理反應器(pretreatment reactor)的熱和蒸汽損耗。附圖
簡述圖IA顯示根據本發明的設備的一個實施方案的側視圖，而圖IB顯示該實施方案 的頂視圖。
圖2A、2B、和2C顯示根據本發明的設備的可選擇實施方案的側視圖，而圖2D顯示 該可選擇實施方案的頂視圖。圖3A、;3B、3C、和3D顯示根據本發明的具有用于保持排出孔通暢的機械裝置的設 備的側視圖，而圖3E、3F、和3G顯示該設備的頂視圖。優選實施方案詳述在某些實施方案中，本發明提供用于從高壓向低壓排放預處理的生物質的設備， 該設備包括-大致圓柱形或圓錐形的排放容器，其具有到頂部的高壓區域的開口；-多個噴嘴或噴口，其沿著容器的側面定位在距離底部相當于容器直徑的0到2倍 的距離處，通過該多個噴嘴或噴口可添加水或液體；以及-容器底部的孔或閥門，預處理的生物質可通過該孔或閥排出，可選擇地排出到一管道中。在其它實施方案中，本發明提供用于從高壓向低壓排放預處理的生物質的設備， 該設備包括-大致圓柱形或圓錐形的排放容器，其具有到頂部的高壓區域的開口；-至少一個噴嘴或噴口，其沿著容器的側面定位在距離底部相當于容器直徑的0 到2倍的距離處，水或液體可被通過該至少一個噴嘴或噴口添加；以及-容器底部的孔或閥，預處理的生物質可通過該孔或閥排出，可選擇地排出到一管 道中，其中，排放容器被填充有構成其總內部容積的1/2到4/5之間的一定數量的水或 水溶液。在另外其他的實施方案中，本發明提供從高壓向低壓排放預處理的生物質的設 備，該設備包括-大致圓柱形或圓錐形的排放容器，其具有到頂部的高壓區域的開口；-至少一個噴嘴或噴口，其沿著容器的側面定位在距離底部相當于容器直徑的0 到2倍的距離處，水或液體能被通過該至少一個噴嘴或噴口添加；以及-容器底部的孔或閥，預處理的生物質能通過該孔或閥排出，可選擇地排出到一管 道中，其中，在排放容器內形成溫度梯度，以使熱水保留在容器的頂部。在另外其他的實施方案中，本發明提供從高壓向低壓排放生物質的方法，該方法 包括-通過根據本發明的設備來排放生物質。圖IA顯示根據本發明的設備的優選實施方案的側視圖，而圖IB顯示該優選實施 方案的頂視圖。如圖所示，設備包括圓柱形的排放容器(1)，并具有到頂部處的高壓區域的 開口 O)，通過該開口( 添加預處理的生物質。在使用期間，容器被部分地填充有水或水 溶液，且裝配6個噴嘴(3)。通過噴嘴(3)引入水或水溶液，使得在排出孔( 周圍形成湍 流G)。排出孔(5)與管道(6)相通，通過該管道(6)可輸送排出的、預處理的生物質。在某些實施方案中，排放容器通過增壓密封直接固定到增壓生物質預處理設備。 可選擇地，增壓生物質預處理設備可通過管子或其它運輸裝置與排放容器相通。
容器自身是優選大致圓柱形或圓錐形的，而且可以具有適合于需要使用的容量的 任意尺寸。如在此使用的，術語“大致圓柱形或圓錐形”包括圓柱形和圓錐形部分的任意組 合。例如，在頂部部分是圓柱形且在底部部分是圓錐形的排放容器是如在此使用的大致圓 柱形或圓錐形。如在此使用的術語“容器的直徑”指的是最寬的直徑。在優選實施方案中， 排放容器適合用在生產規模的生物質預處理中，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“頂部”是與增壓生物質預處理設備連接的端部， 而“底部”是生物質被排出的端部。生物質被排出穿過的孔或閥可以是單個開口或集中在 一個總區域中的多個開口。在某些實施方案中，可使用多于一個的排出孔或閥。排放容器被填充有一定量的水或水溶液，優選地構成其總內部容積的約1/2到約 2/3。在某些實施方案中，排放容器可被填充到其總內部容積的4/5。生物質被以通常在 160-210°C之間的高溫和以通常在5到25之間大氣壓的高壓添加在容器的頂部。理想地， 預處理的生物質應具有足夠的密度和/或其他特性，使得在排放容器內的水或水溶液中下 沉。在某些情況下，調整諸如草或稻草的非常長的顆粒的尺寸可能是有利的，以便實現快速 的沉淀。在優選的實施方案中，多個水噴嘴或噴口位于排放容器的側面上，優選在距離容 器的底部相當于容器最寬直徑的約0到2倍的距離處。這些噴嘴或噴口用于至少兩個目 的-在容器的底部部分形成強有力的湍流，優選旋渦，并防止排放孔或閥的阻塞。在優選的 實施方案中，一個或多個噴嘴或噴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。在優選的實施方案中，兩個或多個噴嘴或噴口被投影在容器的中心，優選向下約20 到60度之間的角度。如在此使用的術語“投影(project)”指的是水或液體被噴嘴或噴口 引入的角度。通過這些噴嘴或噴口注入水或其它液體，以此方式在容器的下部中形成強有 力的湍流，優選旋渦。在優選的實施方案中，通過這些噴嘴或噴口注入的水或液體稍微低于 沸騰，優選約95°C。可選擇地，向下指向容器的中心的多個噴嘴或噴口可同時用來產生湍流 渦(turbulence vortex)，并防止阻塞。這個湍流分開成堆的材料，并將生物質與水徹底地 混合。在另外一些實施方案中，可使用單個噴嘴或噴口。在優選的實施方案中，排放容器被大致垂直地定向，而且生物質在液體中下沉到 容器的底部。可選擇的實施方案可包括排放容器的更水平的定向。隨著水/生物質混合物 以高速排出，優選進入將混合物運送到進一步的處理階段的管道中，容器底部的至少一個 排出孔或閥獲得壓力上的下降。壓降獨自可足以驅動水/生物質混合物穿過管道。因為與 系統其它部分中的壓力相比，增壓區域中的水在沸騰之上的溫度，所以從排放容器排出的 生物質與水的混合物包含小的蒸汽泡，該蒸汽泡幫助確保生物質穿過管道的運輸將不受堵O離開容器的水/生物質混合物由于進入低壓區時的快速蒸發通常會釋放一些蒸 汽。在優選的實施方案中，在運送穿過管道到達隨后的處理階段之后，生物質被從水中過 濾。所以生物質可被從高干物質(high dry matter)進行預處理，在排放期間稀釋成漿體， 然后過濾回到適當的干物質含量(appropriate dry matter content)，用于進一步處理。 從漿體過濾出的水可轉而被回收且再循環回到排放容器。排放容器頂部的液體很熱，其中熱通過汽蒸生物質被引入。然而在容器的底部，液 體比較涼。隨著生物質被排出，一些熱通過液體被向下傳送。然而，熱水浮在較涼的水的頂部上，并形成穩定的溫度分層，使得由添加的生物質引入的熱的大部分保留在容器的頂部。 該溫度梯度轉而減小了預處理反應器的熱損耗，因而減小了生產規模的生物質處理中的能量消耗。此外，優選實施方案是有利的，因為設計和結構簡單，需要相對少的機械零件，且 因此具有長的產品使用壽命。優選的實施方案還避免了對于蒸煮爆碎系統通常遇到的機械 攪拌的需要。在某些實例中，成堆的生物質或生物質的變形，特別帶有很長的纖維或細枝，可能 堆積，以致堵塞容器底部的排出孔或閥。這可以通過用水反沖洗和/或通過使用簡單的機 械設備在孔或閥的周圍進行刮削、切割或用其它方式清理來補救。在優選的實施方案中，根 據本發明的設備裝配有用來保持孔或閥通暢的機械裝置和/或反沖洗。在優選實施方案的通常使用中，排放容器中的水或水溶液的水平面會波動。在 某些實施方案中，水平面的波動可以通過調節排出孔或閥的開口和/或穿過噴嘴或噴口 引入的流的速度來控制。在某些實施方案中，穩態的水平面可通過調節排出孔的連續閥 (continuous valve)來保持。在優選的實施方案中，根據本發明的設備可用于連續的生物質處理中。如在此使 用的，術語“連續處理”指的是原料非脈動地、相對穩定地流動通過處理階段。圖2A、2B和2C顯示根據本發明的設備的可選擇實施方案的側視圖，而圖2D顯示 該可選擇實施方式的頂視圖。圖2A顯示的設備包括排放容器，該排放容器具有寬直徑圓柱 部分(7)、圓錐部分(8)，以及窄直徑圓柱部分(9)。圖2B所示的設備包括排放容器，該排 放容器具有寬直徑圓柱部分(7)、彎曲的大致圓錐的部分(10)，以及窄直徑圓柱部分(9)。 圖2C所示的設備包括排放容器，該排放容器具有寬直徑圓柱部分(7)、彎曲的大致圓錐的 部分(10)，以及窄直徑圓柱部分(9)。如頂視圖2D所示，噴嘴C3)被沿著排放容器在寬直 徑圓柱部分(7)和窄直徑圓柱部分(9)中的側面定位。設備還裝配有用于保持排出孔(5) 通暢的機械刮削裝置(11)，該排出孔(5)與管道(6)相通。圖3A、3B、3C和3D顯示根據本發明的具有用于保持排出孔通暢的可選擇機械裝置 的設備的側視圖，而圖3E、3F和3G顯示該設備的頂視圖。圖3A所示的設備包括以旋轉方 式切過排出孔(5)的刮削裝置(11)，如頂視圖3E所示。圖:3B和圖3C中所示的設備包括以 水平運動切過排出孔的刮削裝置(12)，如頂視圖3F和3G所示。圖3D所示的設備包括上升 穿過排出孔(5)的攪動裝置(poking means) (13)。將容易地理解到，用于保持排出孔通暢 的機械裝置自身可充當打開或關閉孔的閥。實施例根據本發明的設備被在Denmark，Skaerbaek的INBIC0N的試驗設施(pilot facility)中試驗。該設備包括約2.0米高和0.5米直徑的大致圓柱形的排放容器。容器 具有390升的容量，且被安裝在增壓生物質預處理反應器上，該增壓生物質預處理反應器 具有在高達220°C的溫度下每小時處理1000千克麥稈的能力。使用三種不同種類的生物 質原料-麥稈、玉米秸稈，以及玉米青貯飼料來試驗該設備。在所有情況下，生物質被切成 1厘米到10厘米之間最長尺寸的大小，并在185°C到195°C之間蒸汽處理。在所有情況下， 伴隨以排放容器中約290升的水位來操作該設備。容器中的水位由閥控制，該閥作用以打6開和關閉排放出口，且通過設置成在1. 3米水平處打開和在1. 5米水平處關閉的水位傳感 器來調節。排放出口具有25厘米到30厘米之間的直徑。通過具有4. 2毫米直徑的三個噴 口將25°C的水以3. 6立方米/小時的速度注入容器。這些噴口被彼此等距地放置在容器的 圓周周圍，在0.25米的高度處，且被以向下到45°的容器的中心的角度定向。試驗了三種 類型的原料，預處理生物質可在沒有任何問題的情況下從增壓反應器卸載到大氣壓力。在 所有情況下，形成了穩定的溫度梯度。在水柱的頂部(1. 5米)，溫度被與增壓預處理反應器 相平衡，為195°C。在水柱的底部，靠近排放出口，溫度是35°C。在此描述的實施例和優選的實施方案僅僅是代表性的，而決不旨在限制本發明如 在此由權利要求限定的范圍。參考文獻1 Y. Sun禾口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 LIGN0CELLUL0SICS，卷855，頁157-174, 出版200權利要求
1.一種用于從高壓向低壓排放預處理生物質的設備，包括-大致圓柱形或圓錐形的容器，其具有到頂部處的高壓區域的開口 ；-多個噴嘴或噴口，其沿著所述容器的側面定位在距離底部相當于所述容器的直徑的 0. 5到2倍的距離處，通過所述多個噴嘴或噴口能添加水或液體；以及-孔或閥，其處于所述容器的所述底部，預處理的生物質能通過所述孔或閥排出，可選 擇地排出到一管道中。
2.一種用于從高壓向低壓排放預處理生物質的設備，包括-大致圓柱形或圓錐形的排放容器，其具有到頂部處的高壓區域的開口 ；-至少一個噴嘴或噴口，其沿著所述容器的側面定位在距離底部相當于所述容器的直 徑的0到2倍的距離處，通過所述至少一個噴嘴或噴口能添加水或液體；以及-孔或閥，其處于所述容器的所述底部，預處理的生物質能通過所述孔或閥排出，可選 擇地排出到一管道中，其中，所述排放容器被填充有構成所述排放容器的總內部容積的1/2到4/5之間的一 定量的水或水溶液。
3.如權利要求1或2所述的設備，所述設備適合于在所述排放容器內形成溫度梯度，以 使熱水保留在所述容器的所述頂部。
4.如權利要求1或2所述的設備，所述設備適合于在所述容器的底部部分中形成旋渦湍流。
5.如權利要求1或2所述的設備，包括至少500升的內部容積。
6.如權利要求1或2所述的設備，包括兩個或多個噴嘴或噴口，所述兩個或多個噴嘴 或噴口被以向下約20到60度之間的角度投影在所述容器的中心。
7.如權利要求1或2所述的設備，所述設備被垂直地或大致垂直地定向。
8.如權利要求1或2所述的設備，包括閥，所述閥響應水位傳感器來打開和關閉排放 出口。
9.如權利要求1或2所述的設備，包括機械設備，所述機械設備在所述孔或閥周圍進 行切割、刮削或以其它方式清除。
10.如權利要求1或2所述的設備，包括6個噴嘴或噴口。
11.一種用于從高壓向低壓排放生物質的方法，包括通過權利要求1-10中的任一項所 述的設備來排放生物質。
12.如權利要求11所述的方法，其中，設備用于連續的生物質處理。
13.如權利要求11所述的方法，其中，預處理生物質被排進管道，且由壓降驅動到進一 步的處理階段。
14.如權利要求11所述的方法，其中，預處理生物質作為漿體被排出，所述漿體隨后被 擠壓，以回收隨后被再循環的水。
15.如權利要求11所述的方法，其中，水或液體被以約95°C的溫度添加通過噴嘴或噴
全文摘要
提供用于排放來自增壓反應器的預處理生物質的設備和方法。預處理的、熱的生物質被高壓下添加在排放容器的頂部，該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側面的水噴口，通過該水噴口注入水或水溶液，以便在容器下部分中形成強的湍流。該湍流，優選旋渦湍流或“水力旋流器”混合生物質和水，且在成堆的材料以高速作為漿體噴出穿過容器底部的孔或閥之前分開任何成堆的材料。穩定的溫度分層形成在排放容器內，借此熱水保留在容器的頂部，減少了從預處理反應器的熱和蒸汽損耗。
文檔編號C10L1/32GK102046762SQ200980120519
公開日2011年5月4日 申請日期2009年6月4日 優先權日2008年6月4日
發明者弗蘭克·克羅赫·艾弗森, 雅各布·韋伯-佩德森 申請人:因比肯公司