CN101993700A - 用于木质纤维素材料烘焙的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于木质纤维素材料烘焙的方法和系统，该系统可包括：用于干燥木质纤维素材料的干燥器；烘焙反应器，其适于在1巴和50巴之间的压力下，在100℃和1000℃之间的温度下操作；第一再循环回路，其适于将烘焙气体再循环回到烘焙反应器；冷却器，其适于冷却烘焙的生物质；旋风分离器，其适于将冷却的经烘焙的生物质从惰性气体分离；第二循环回路，其适于将惰性气体从所述旋风分离器再循环到所述冷却器，并且适于将惰性气体提供给所述烘焙反应器；和供给管道，其适于提供惰性气体来添加到所述冷却器。

Description

用于木质纤维素材料烘焙的方法和系统
本申请要求2009年8月19日递交的美国临时申请No.61/235,114的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体涉及与木质纤维素材料烘焙相关的系统和方法。
背景技术
烘焙指通常在惰性气氛中，在225到300℃的相对低的温度下进行的木材的热处理。由于木材的活性半纤维素内容物的分解，烘焙通常形成能量密度相对于质量提高的燃料。
木材通常含有半纤维素、纤维素和木质素。在一方面，烘焙的目的是从木材去除水分和低重量有机易挥发成分。烘焙还可解聚木材的半纤维素部分的长多聚糖链，并且产生能量密度提高(以质量计)的并且磨碎能力提高的憎水固体产品。由于烘焙后木材的化学结构方面的变化，因此可能适用于燃煤设备中(烘焙的木材或生物质具有与低级煤相似的特性)，或可压紧为高品位木屑颗粒，代替标准木屑颗粒。
烘焙在最近几十年已经发展为将基于木材的生物质转变为能量产品系列的可行的增加。虽然已经对经受烘焙时的生物质(木材)中发生的成分变化进行了大量的研究，但是商业工艺没有得到很好的发展。本文提出的烘焙方法和系统已经发展为符合可行烘焙工艺的商业需要。其他烘焙工艺描述于：美国专利公开No.2008/0223269中，其中传导热用于实现烘焙；美国专利No.4,787,917中，其中烘焙的木材成形为未剥皮的木材棒；及公开号为WO2005/056723的PCT申请，其中公开了从原材料(有机材料，来自森林或其他农作物，以及化石类材料或混合物——木质纤维素)生产烘焙的生物质的连续的方法和系统。
发明内容
木材的烘焙通常产生三种产物：黑色固体产物，其可进一步处理成颗粒，或直接用作生物质燃料；酸性相，包含可凝聚有机物(包括但是不限于乙酸、蚁酸、丙酮、糠醛)；和气体，例如一氧化碳或二氧化碳。在一方面，该工艺可以是低温、低氧高温分解过程，其中不易于去除具有最低热和能量值的化合物。
在该工艺的一方面，约30％的质量燃烧掉，而仅损失10％的能量值，也就是说，剩余的固体物质(约70％的原始材料物质)包含原始存在的热值的90％。烘焙可在加压的反应器中以及220-300℃的温度下进行，其中，与原材料/生物质(木质纤维素材料)直接接触，所述原材料/生物质已经之前通过热气(相对无氧气的气体)干燥来去除高达约95％的最初存在于生物质中的水分。干燥的生物质在烘焙反应器中的加热可从该生物质去除剩余的水分。
在一个方面，存在用于木质纤维素材料烘焙的系统。该系统可包括：用于干燥木质纤维素材料的干燥器，其适于去除包含在木质纤维素材料中的水分的至少一部分；烘焙反应器，其适于在1巴和50巴之间的压力下，在100℃和1000℃之间的温度下操作，其中，所述烘焙反应器从木质纤维素材料产生烘焙的生物质和烘焙气体；第一再循环回路，其适于将烘焙气体再循环回到烘焙反应器；冷却器，其适于冷却烘焙的生物质，其中，所述冷却器适于在基本上无氧的环境中操作；旋风分离器，其适于将冷却的经烘焙的生物质从惰性气体分离；第二循环回路，其适于将惰性气体从所述旋风分离器再循环到所述冷却器，并且适于将惰性气体提供给所述烘焙反应器；和供给管道，其适于提供惰性气体来添加到所述冷却器。所述系统可适于将惰性气体用作用于在所述烘焙反应器和所述冷却器之间进行热传递的介质。
在另一个方面，存在用于木质纤维素材料烘焙的方法，包括以下步骤：干燥木质纤维素材料，以去除包含在所述木质纤维素材料中的水分的至少一部分；使所述烘干的木质纤维素材料在烘焙反应器中，在1巴和50巴之间的压力下，在100℃和1000℃之间的温度下进行反应，以产生烘焙的生物质和烘焙气体；将所述烘焙气体的至少一部分再循环回到所述烘焙反应器；在基本上无氧环境中操作的冷却器中冷却所述烘焙的生物质；将所述烘焙的生物质和惰性气体在旋风分离器中分离；将在所述旋风分离器中分离的惰性气体的一部分再循环到所述冷却器，并且将在所述旋风分离器中分离的惰性气体的一部分再循环到所述烘焙反应器；将补充惰性气体供到所述冷却器。所述方法可使用所述惰性气体作为用于在所述烘焙反应器和所述冷却器之间进行热传递的介质。
附图说明
图1是示出本发明实施例的示意流程图。
具体实施方式
图1示意性示出能够进行生物质(木质纤维素材料)烘焙的商业规模设施。图1的实施例利用来自该过程的热，同时保持无氧(即基本上无氧)环境，这有利于安全有效操作。
在示出的过程中，生物质材料通过管道1供到干燥装置2，该干燥装置2可以是能够去除存在于生物质中的水分的85％到98％的任何常规或非常规干燥装置。在示出的干燥装置2中，存在于生物质中的水分通过由热气23供给的能量去除。干燥器可去除足够量的水分，以使经干燥的木质纤维素材料的绝对水分含量小于木质纤维素材料总重的15％。在图示的实施例中，管道中的热气23由来自燃烧装置8的管道中的烟气形成，所述烟气为经间接换热器20略微冷却之后的烟气。换热器20促使热烟气9中的能量通过管道19再循环回到烘焙反应器5，以用于加热反应器5中。
通过管道23供到干燥器2的干燥气体可以处于高达1000℃的温度下，以使得干燥到所需残余水分的程度。然后将干燥的生物质通过管道3和旋转阀4供到加压反应器5(也称为烘焙反应器)的入口。烘焙反应器5可在5巴和20巴之间，并且在约220-300℃的操作温度下操作。在其他实施例中，压力可以在1巴到50巴(及其间所有子区间)范围内，并且温度可以在100℃和1000℃之间(及其间所有子区间)范围内。
为了升高干燥的生物质材料的温度(例如从100℃到300℃)，由通过管道19供给的热反应器气体提供热。热反应器气体包含烘焙气体(在烘焙反应器5中产生的气体)的一部分，所述烘焙气体通过管道6排出烘焙反应器5，并且再循环到烘焙反应器5(作为再循环的烘焙气体通过管道7)，和经过管道18的旋风分离器富氮气体的一部分。
再循环到烘焙反应器5的再循环烘焙气体部分和任何其他的富氮气体可在间接换热器20中通过来自燃烧装置8的管道9中的烟气或其他加热装置在用于烘焙反应器5中之前加热。在烘焙反应器5中产生的烘焙气体的一部分(例如管道21中的部分)可发送到燃烧装置8，其中烘焙气体与通过来自变压吸附(PSA)设备11的管道12供给的含氧气体和/或燃烧空气混合，和/或与通过管道22(如果需要)供给的公用设施燃料混合，以产生通过管道9从燃烧装置8排出的燃烧烟气。
燃烧烟气可用作用于间接换热器20的热源，以加热通过管道19提供到烘焙反应器5的反应器气体。较冷的燃烧烟气流23可用于干燥装置2中，以使将要到来的生物质干燥。从干燥过程产生的管道干燥烟气24可发送来在排放到大气或其他可接受处置之前进一步处理。
通过来自烘焙反应器5的气流25在约220℃到300℃下排出的烘焙的生物质可在通到流化床冷却器29(或其他直接接触冷却器)的入口处供到旋转阀26。流化床冷却器29可以是使用水作为冷却介质的组合式间接冷却器，和使用冷却的富氮流17或来自换热器16的任何其他惰性气体和来自PSA(或其他气体分离型设备)设备11的补充氮气或任何其他惰性气体作为冷却介质的直接冷却器，以将通过气流25进入流化床冷却器29的烘焙的生物质在无氧或接近无氧环境下冷却到约90℃。冷却的经烘焙的生物质可从流化床冷却器29通过旋转阀30(或类似装置，用于确保流化床冷却器29在无氧或基本上无氧环境下操作)排出。从流化床冷却器29排出的气流40中的冷却的经烘焙的生物质可与旋风分离器32中分离的烘焙的生物质固体流35(通过旋转阀33或其他这样的设备排出，以确保在旋风分离器32中保持无氧或接近无氧环境)混合，以形成气流37，用于在制粒装置38或其他产品处理过程进一步处理，以将烘焙的生物质固体压紧或包装。流化床冷却器29可在接近大气压(例如，冷却器可在较小真空或略高于大气压力下操作)下操作，并且可使用来自冷却水(标注为冷却水供给(CWS)27和冷却水返回(CWR)28))的间接冷却和来自气流17中富氮气体的直接冷却。气流17中的富氮气体可包含与补充氮气13混合的气流36中的旋风分离器富氮气体的一部分。换热器16可供给冷却水作为间接冷却介质或其他可用冷却材料。
来自流化床冷却器29的气流31中的流化床冷却器气体可发送到旋风分离器32，在旋风分离器32中冷却的气体与任何夹带的固体分离。然后可将气流34中冷却的气体分裂为两个或多个部分。例如，旋风分离器氮气流34可分裂为两部分：(i)气流18，其可发送到换热器20的围绕烘焙反应器的加热回路中，以与气流7混合来供给烘焙反应器5，和(ii)气流36，其供到换热器16来进行冷却。
管道10中的空气可提供给PSA设备11，其中产生两种气流：补充氮气流13(富氮气流，几乎没有或没有氧气)和富氧气流12，其与燃烧装置中的公用设施燃料一起使用。
虽然所提供的具体实施方式使用氮气作为加热和冷却回路中的气体，所述加热和冷却回路中无氧或基本上无氧，但是可使用任何避免爆炸性混合物的环境，可使用任何惰性气体(例如氩气或二氧化碳，但是优选氮气)来代替氮气。惰性气体(例如氮气)在该工艺中用作“携带”气体，意思是携带烘焙反应器中所需的来自流化床冷却器的热的惰性气体。另外，虽然该工艺可使用PSA设备来将氮气从空气分离，但是也可使用任何将氮气从空气分离的其他方法，并且不是本发明的重要特征。使用任何氮气源或其他惰性气体也落在本发明的范围内。
而且，在图1的实施例中，冷却水描述为间接冷却使用中的冷却介质。在其他实施例中，冷却介质可以是不同于水的一些介质，而不影响本工艺的重要技术特征。即，可使用能够有效冷却的任何流体。
在一方面，本工艺的一个值得注意的特征是能够使用来自旋风分离器的富氮气体(其在其他工艺中将从系统清洗掉)作为用于烘焙步骤的反应器气体。通过使用该富氮气体，可在冷却回路和加热回路中建立平衡，添加很少的补充氮气。这也意味着烘焙气体成分用于通过控制来自反应器的将要到达燃烧装置的气体(通过管道21)与由该反应器产生的气体(通过管道6)的比率来设置燃烧装置的操作条件。该比率，其可以体积或摩尔形式表述，则可影响进行补充所需的氮气以及所需的公用设施燃料的量。还优选的是，在加热和冷却回路中再循环的气流保持无氧或基本上无氧。在一方面，图1所描述的工艺可提供最有利的设备尺寸，由此节约资本投资，并且改善来自该工艺的产品对环境的影响。
虽然本发明已经结合目前被认为最实用和优选的实施例进行了描述，但是应可理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，旨在覆盖包括在本发明所附权利要求的精神和范围内的多种修改形式和等同布置。

Claims (20)

1.一种用于木质纤维素材料烘焙的系统，包括：
干燥器，其用于干燥木质纤维素材料，适于去除包含在所述木质纤维素材料中的水分的至少一部分；
烘焙反应器，其适于在1巴和50巴之间的压力下，在100℃和1000℃之间的温度下操作，其中，所述烘焙反应器从木质纤维素材料产生经烘焙的生物质，并且产生烘焙气体；
第一循环回路，其适于将烘焙气体再循环到所述烘焙反应器；
冷却器，其适于经冷却烘焙的生物质，其中，所述冷却器适于在基本上无氧的环境中操作；
第二循环回路，其适于将惰性气体再循环到所述冷却器，并且适于将惰性气体提供给烘焙反应器；和
供给管道，其适于提供惰性气体来添加到所述冷却器；
其中，所述系统适于使用惰性气体作为至少用于在所述烘焙反应器和所述冷却器之间进行热传递的部分介质。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述冷却器为流化床冷却器，并且其中，所述系统还包括旋风分离器，其适于将所述冷却的经烘焙的生物质从惰性气体分离。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述惰性气体包括氮气。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述干燥器适于去除存在于木质纤维素材料中的水分，以使所述木质纤维素材料的绝对水分含量小于所述木质纤维素材料总重的15％。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述干燥器使用从处于高达1000℃下的热气体接收的能量。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述烘焙反应器在5巴和20巴之间操作。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述烘焙反应器在约220℃-300℃的温度下操作。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括制粒器，用于将从所述冷却器获得的经烘焙的生物质固体压实。
9.根据权利要求1所述的系统，还包括空气分离器，用于将空气分离为至少包含氧气的第一气流和包含氮气的第二气流，其中，所述氮气用作惰性气体。
10.根据权利要求1所述的系统，还包括燃烧装置，用于燃烧至少氧气和在烘焙反应器中产生的烘焙气体的一部分。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述燃烧装置产生烟气，所述烟气供到所述干燥器，用于干燥木质纤维素材料。
12.一种用于木质纤维素材料烘焙的方法，包括以下步骤：
干燥木质纤维素材料，以去除包含在所述木质纤维素材料中的至少一部分水分；
使所述经干燥的木质纤维素材料在烘焙反应器中，在1巴和50巴之间的压力下，在100℃和1000℃之间的温度下进行反应，以产生经烘焙的生物质和烘焙气体；
将所述烘焙气体的至少一部分再循环回到所述烘焙反应器；
在基本上无氧环境中操作的冷却器中冷却所述经烘焙的生物质；
将惰性气体再循环到所述冷却器，并且将惰性气体再循环到所述烘焙反应器；
将补充惰性气体供到所述冷却器；
其中，所述方法使用所述惰性气体作为在所述烘焙反应器和所述冷却器之间进行热传递的至少部分介质。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述冷却器为流化床冷却器，并且其中，所述方法还包括将所述烘焙的生物质和所述惰性气体在旋风分离器中分离的步骤。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述惰性气体包括氮气。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述干燥步骤去除存在于所述木质纤维素材料中的水分，以使所述木质纤维素材料的绝对水分含量小于所述木质纤维素材料总重的15％。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括将至少氧气和所述烘焙反应器中产生的烘焙气体的至少一部分燃烧来产生热烟气的步骤。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括将所述热烟气在高达1000℃的温度下提供到所述干燥器的步骤。
18.根据权利要求12所述的方法，还包括将从所述冷却器获得的所述经烘焙的生物质固体在制粒器中压实的步骤。
19.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：将空气分离为至少包含氧气的第一气流和包含氮气的第二气流，和将所述氮气用作惰性气体。
20.根据权利要求12所述的方法，其中，使所述干燥的木质纤维素材料反应在5巴和20巴之间的压力下进行。
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