CN102471093A - 用于生物质的热水解和蒸汽爆炸的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于生物质的热水解和蒸汽爆炸的方法，所述方法包含以下步骤：(i)将生物质几乎连续地引至第一预热步骤并加热所述生物质，(ii)连续地将所述预加热的生物质引入至至少两个反应器，(iii)通过加入蒸汽对所述反应器加热并加压，(iv)在特定温度和压力将所述反应器保持特定时间，(v)将来自所述反应器的加热并加压的生物质引至第一泄压罐且没有任何实质的压力减少，并利用喷嘴快速释放所述生物质的压力，以使所述生物质分解，(vi)将来自第一泄压罐的生物质引至具有比所述第一泄压罐中压力小的压力的第二泄压罐，(vii)将如此处理的生物质引至下游装置用于随后的处理。本发明还包含用于生物质的热处理的设备。

Description

用于生物质的热水解和蒸汽爆炸的方法和设备
本发明涉及一种用于生物质的热水解和蒸汽爆炸的方法。而且，本发明包含一种用于生物质的热水解的设备，所述设备包含用于将生物质预加热至所需温度的预加热罐、一个或多个连接至该预加热罐的反应器和一个或多个连接至所述反应器的泄压罐，所述泄压罐用于释放生物质上的压力。
该泄压罐采用了特定的喷嘴，其产生快速的和强烈的压力降并提高了生物质的细胞结构的分解。该新系统打开更快的循环时间以及反应器容积的更优的填充。该方法和设备通过使用一个或两个泄压罐使得能量的使用最优化，其中所述泄压罐在负压下操作。
技术背景
热水解和蒸汽爆炸是已知的用于分解生物质的方法因此其更好地适于厌氧降解。有几种受专利保护的方法描述了批量式和连续工艺。生物质的批量式处理通过确保在高温的必要的停留时间同时产生核准的灭菌和预防感染。这不同于连续工艺，连续工艺不能证明所有的生物质都已经在正确的温度保持足够的时间。特别是，有两种已知的用于批量式热水解的方法。
WO96/09882(Solheim等)描述了能量有效的方法，其中生物质借助于自下游工艺返回的蒸汽于预加热罐中被预加热，然后它被水泵抽到几个并联的反应器中的一个。该生物质被供应新的用于加热的蒸汽并保持在预定的温度和压力达到所要求的时间。此后，该反应器被释放并且蒸汽被引回至再加热罐用于能量回收。当该反应器压力降至所需要的水平(通常为2-4bara)时，从该反应器回至预加热罐的蒸汽被关闭。此后该生物质在低压(通常1.2bara)向上被吹至泄压罐。该系统的优点是在泄压罐中具有相对低压力，操作者可在完成热水解后从该反应器回收大部分的能量。在生物质被吹入泄压罐之前在反应器中的减压被认为对于减少反应器和泄压罐之间的管线系统中的腐蚀问题是必须的。
US 6,966,989(
Figure BDA0000130767800000021
等)没有使用预加热罐，如同WO96/09882，但具有也用作预加热罐的并联反应器。这是可以实现的，因为一个高压的反应器通过将蒸汽向上进入低压的候补反应器来释放。当这些反应器处于相同压力时，蒸汽转移停止并且在反应器中的已水解的生物质向上被吹至低压泄压罐。来自该泄压罐的能量回收未被描述。通过用来自另一反应器的蒸汽装填反应器在压力方面不会下降很多，并且能量回收因此不是最佳的。
对于这两个系统共同点是将来自反应器的生物质吹至高压泄压罐的有限可能性。在生物质向上被吹入泄压罐之前它们都具有来自反应器的蒸汽相的控制的泄压。这在比水解压力小得多的压力下发生。
使这两个系统较昂贵的因素是所述反应器必须具有在顶部有控制阀的蒸汽管线和在反应器底部具有关闭阀的液体/浆料管线。
此外，用于连续水解生物质/泥渣方法和设备可从WO0073221(Solheim等)得知。生物质在罐中被来自该工艺的泄压罐的废蒸汽预加热。该加热的泥渣经填料泵和混合装置被填至反应器。增加对所述泥渣的压力然后将其填入至反应器中。在反应器中控制温度和压力并且新鲜的蒸汽可被提供至该反应器。然后该加热的和加压的生物质被填入至装设有用于释放压力的喷嘴的泄压罐内。在该泄压罐中，压力的突然减小，即所谓的蒸汽爆炸。来自泄压罐的蒸汽可返回至预加热装置。
用于热水解木质纤维素的方法从WO 2008026932(Solheim等)得知。木质纤维素通过使用两个反应器被水解，于是向这些反应器提供用于加热和加压的蒸汽。这些反应器可在该物质被填至闪蒸罐之前连续地操作，其中，因为它们之间的压差而产生了该物质的蒸汽爆炸。
现有工艺的另一局限性是在将生物质吹至泄压罐之前罐的泄压花费的时间。蒸发用于泄压的蒸汽需要时间。这描述于US 6,966,989中，典型循环时间为100-360分钟，使用三个反应器时优选的循环时间为150-160分钟。
因为蒸汽应该从反应器的顶部出去而没有生物质跟随，因此该反应器在液相之上必须具有相当大的蒸汽容积以避免在蒸汽回流管线中起泡沫和液体被引出。这限制了该反应器的有效容积。进一步的限制是需要大的液面以防止震动煮沸(shock boiling)。这使得在反应器中需要大的直径/高度比，这对于压力罐不是最佳的。
在短时间内的较大压力降下生物质的蒸汽爆炸将产生较大的细胞破坏和该生物质的较大的生物利用度。这将引起在下游的厌氧降解罐中产生较多的生物气。因此，当生物质向上吹入至泄压罐时有最快的可能和最大可能的压力降，这是合乎情理的。
本发明的系统保护在水解压力，该工艺中的最高压力，吹生物质的可能性。这通过在反应器和泄压罐之间的吹管的末端使用特别坚固的喷嘴来实现，其带走几乎全部的压力降。因此确保了在生物质中的最大可能的蒸汽爆炸和细胞破坏。该喷嘴由抗腐蚀材料组成，优选为陶瓷材料，该喷嘴这样形成以使生物质被向下吹至泄压罐中的液面上。该腐蚀因此被减至最小。喷嘴的上游速度是低的，因此普通的管件可用于反应器和泄压罐之间的吹管。
在水解压力吹动且在反应器顶部没有泄压的蒸汽时，操作者可将该反应器几乎填充到顶部。仅有的局限性是有足够的容积用于冷凝用于加热的蒸汽(通常约10％额外容积)。
本发明的系统中的反应器可被生产为长且细的，这是因为没有蒸汽被蒸发用于泄压因此对液相的表面积没有要求。这对于所使用的材料的成本是有效的，并且意味着减少了对于占地面积的需要。
本发明的系统和方法使循环时间最佳化以最优地利用反应器容积。通常对于灭菌的要求将为保持生物质在133℃至少20分钟。当该系统包含，例如，三个反应器时，装填15分钟，保持20分钟并排空15分钟，这将产生恒定的蒸汽消耗同时满足对于灭菌的要求。45分钟的循环时间意味着与例如US 6,966,989的系统相比有相当大的增加的容量。如果不要求灭菌，则保持时间和温度可与上述给定的那些数值不同。本发明的系统的具有三个反应器的实施例可利用该循环时间，每小时填充和排空四个反应器(参见图2)。
依照本发明的系统包含至少两个串联的泄压罐来回收额外的能量。第二泄压罐是处在真空下以使蒸汽在较低温度(例如0.7bar得到90℃)蒸发。这与WO96/09882的系统相比通常得到20％的更好的能量效率。
通过分别地控制至反应器和/或预加热罐的能量的流动，可在预加热罐中精确地达到需要压力和温度。这产生了具有好的工艺控制的灵活系统。用该控制系统对于进一步预加热生物质是灵活的，甚至在其到达预加热罐之前。通过将更多的能量引入至反应器中，可允许使用低的温度能量预加热泥渣。
通过使用两个泄压罐，第一个中的压力可比Solheim等描述的压力高而不影响总的能量回收。这可能是有利的，因为预加热罐将因此达到较高的压力。在该工艺中的所有未冷凝的气体(秽臭气体)在预加热罐中终止。这些气体通常很难闻并应该在封闭系统中转移至用于生物降解的降解罐。如果预加热罐中的压力是低的，则可能有必要用压缩未冷凝的气体的系统以将它们转移至降解罐。本发明中不需要该系统。
WO96/09882和US 6,966,989都没有描述处理未冷凝的气体。依照US 6,966,989的系统，这些气体可在反应器中累积作为仅在反应器之间运动的闪蒸汽。这代表了相当大的问题因为压力和温度将因此不再遵循水/蒸汽的饱和曲线。反应器中的压力可升至名义上的正确水平却没有达到必需的水解温度。
清除未冷凝的气体的累积的一种可能方法是确保反应器对于液相被完全排空，因此也从反应器排空蒸汽相至泄压罐。这是耗时的且减小了系统的容量。本发明通过将来自反应器的少量的未冷凝的气体在小的气体回流管线中引至预加热罐解决了该问题。该管线在用生物质装填反应器期间开启短的时间。
将本发明与WO0073221得知的那些区别的重要特征是，本发明的方法为分批处理，而WO0073221的方法为连续处理。相应地，WO96/09882和WO2008026932的方法也是批量处理。本发明的主要特征不是直接将蒸汽供应至反应器，而是以下事实：借助于喷嘴可处理包含腐蚀性颗粒的泥渣。这用WO0073321的方法是不可能做到的，因为这使用泵以给反应器中的泥渣加压。WO96/09882和WO2008026932都不包含喷嘴且因此必须对反应器泄压然后可将泥渣转至泄压罐。因此，本发明解决了WO96/09882和WO2008026932未解决的问题。
本发明的目的是提供系统和方法，运用该系统和方法消除了或较大减少了目前已知的上述的解决方案的缺点。
这通过使用用于生物质的热水解和蒸汽爆炸的方法实现了，所述方法包含以下步骤：
(i)将生物质几乎连续地填入至第一预热步骤并加热该生物质，
(ii)顺序地将预加热的生物质引入到至少两个反应器，
(iii)通过提供蒸汽对反应器加热并加压，
(iv)在给定温度和压力经给定时间保持该反应器，
(v)将来自反应器的加热并加压的生物质引入至第一泄压罐且在压力上没有任何实质的减少，并借助于喷嘴快速释放生物质的压力以使该生物质被打碎，
(vi)将来自第一泄压罐的生物质在比该第一泄压罐中压力小的压力下引至第二泄压罐，
(vii)将已处理的生物质引至下游设备用于进一步处理。
步骤(v)中的压力减少优选在2-13bar的范围内，且步骤(vi)中的压力减少优选在0.4-1.6bar的范围内。
反应器中的压力优选大约为4-14bar abs。
第一泄压罐中的压力优选大约为1.2-2bar abs。
第二泄压罐中的压力优选大约为0.3-0.8bar abs。
连续的反应器数目优选为三个，并且步骤(ii)具有约15分钟的持续时间，步骤(iv)具有优选约20分钟的持续时间并且步骤(v)具有优选约10分钟的持续时间。
本方法还通过以下来表征：停止装填第一反应器并立即开始装填第二反应器，并且当第二反应器被装满时，开始装填第三反应器并连续重复该顺序。
来自第一泄压罐的蒸汽被引入预加热管以对其加热。
来自第二泄压罐的蒸汽被引入预加热管和/或反应器以对其加热。
未冷凝的气体从反应器被引回至预加热罐，此后该未冷凝的气体自该预加热罐引至随后的处理步骤。
本发明还涉及用于有机材料的热水解的设备，所述设备包含用于将生物质预加热至所需温度的预加热罐、一个或多个与该预加热罐连接的反应器和一个或多个与该反应器连接的泄压罐，所述泄压罐用于释放来自生物质的压力，所述设备特征在于其包含将来自蒸汽供应源的蒸汽供应至所述至少两个反应器的蒸汽供应管线，将来自反应器的加压的生物质引至第一泄压罐中的喷嘴而没有任何实质压力减少以释放来自反应器的生物质的压力的管线，和用于供应来自一个泄压罐的蒸汽至预加热罐的管线，和与第一泄压罐连接的用于释放来自第一泄压罐的生物质的压力的第二泄压罐，所述第二泄压罐与所述预加热罐用管线连接，所述管线用于使来自第二泄压罐的蒸汽回流至预加热罐。
预加热罐优选与用于再循环预加热的生物质的搅拌泵连接，来自第二泄压罐的蒸汽回流管线与搅拌泵循环经喷射器连接和/或来自第二泄压罐的蒸汽回流管线经喷射器与蒸汽供应管线连接，所述蒸汽供应管线用于向反应器提供蒸汽。
来自第二泄压罐的蒸汽回流管线可能与一个或多个压缩机连接以压缩来自第二泄压罐的蒸汽并将该压缩的蒸汽引至预加热罐和/或反应器。
至少一个反应器通过用于未冷凝的气体的管线连接至预加热罐，且所述预加热罐包含管线以将未冷凝的气体引至下游处理装置。
第一泄压罐优选包含一个或多个喷嘴，所述喷嘴用于供应来自至少一个反应器的水解的生物质以实现最大泄压和生物质的分解。
附图简述
图1示意性显示本发明的系统的实施例。
图2为显示用于本发明的系统和方法的不同操作的循环时间的实施例的程序图。
图3显示可在本发明的系统中使用的喷嘴的实施例。
优选实施方案详述
如图1所示，具有5-30％的典型干物质含量的生物质(1)用泵抽入至预加热罐2中，并通过来自第一泄压罐9和第二泄压罐20的回流蒸汽(10，23)预加热。之后该生物质经管线3用泵抽入到反应器5。在生物质装填期间或之后将蒸汽供应至反应器5以将其加热至所需温度。反应器5中的压力变得等于在相同温度的水的饱和压力。在需要的处理时间之后，反应器5中的底阀7被打开并且水解的生物质被经管线24向上吹至第一泄压罐9。在反应器5和第一泄压罐9之间的管线24的末端为坚固的喷嘴8，该喷嘴8带走大多数自反应器压力(通常4-14bar abs)至第一泄压罐9的压力的(通常1.2-2bar abs)压力降。因此确保了蒸汽的非常快的且有力的扩散，这导致非常有效的生物质的细胞结构的分解。
来自第一泄压罐9的闪蒸汽经蒸汽管线10和蒸汽喷嘴11被引至预加热罐2中的液相用于能量回收。蒸汽喷嘴11确保蒸汽和液体的良好混合用于能量回收至液体。因此，预加热罐2中的压力与第一泄压罐9中的压力平衡。来自第一泄压罐9的生物质经喷嘴13在上流入至第二泄压罐20，所述喷嘴13确保用于最大泄压的小液滴和大表面积，并且还有生物质的冷却。来自第二泄压罐20的闪蒸汽被引入到反应器5和/或预加热罐2用于能量回收。在确保必要的吸入压力的蒸汽喷射器帮助下，第二泄压罐20中维持低压(负压)。蒸汽驱动的喷射器17压缩来自第二泄压罐20的一部分蒸汽并将其引入至反应器5。将新鲜蒸汽引入至反应器5的需求因此以对应的量被减少。液体驱动的喷射器18被连接至预加热罐2的搅拌泵22并压缩来自第二泄压罐20的剩余的蒸汽并将其引至预加热罐2用于能量回收。液体驱动的喷射器可被置于将生物质引至反应器的管线3中。这可能进一步加热反应器中的生物质。来自第二泄压罐20的生物质可以例如被抽入至随后的降解罐(未显示)。当第二泄压罐20有负压时，在第二泄压罐20中要求有液面的升高以确保在泵16上有足够的吸入压力，该泵16进一步将该生物质递送至随后的降解罐(未显示)。
依照本发明的另一实施例，仅有一个泄压罐9。
用于未冷凝的气体的回流管线21也显示于图1中。来自反应器5的未冷凝的气体被返回至预加热罐2。该未冷凝的气体自预加热罐2在管线25中被引至下游蒸煮器。
图1中显示的本发明的实施例中，提供了三个并联的反应器5。当然反应器的数量可与此不同。用这三个反应器可实现该反应器的连续装填。
图2示意性地显示了对于三个反应器装填、保持和排空的循环如何为相取代的以确保恒定的消耗蒸汽、短的循环时间和最均匀的自泄压罐蒸汽可能回流至预加热罐。第一反应器5A用来自预加热罐2的预加热的生物质装填并提供蒸汽直至达到需要的压力和温度。此后，生物质被保持在反应器5A中而反应器5B被装填。一旦反应器5B被填满，反应器5C的装填就开始。在反应器5A中需要的保持时间之后，反应器5A底部的阀7被开启并且生物质被向上引入至泄压罐9，其中发生非常快的泄压，这切碎已水解的生物质的细胞结构。在反应器5被排空之后，停止装填反应器5C并且再次开始装填反应器5A，同时停止来自预加热罐的生物质供给反应器5C。该循环被连续地重复。
用该方法，来自预加热罐2的生物质至反应器5的转移几乎连续发生。
图3显示在第一泄压罐中的喷嘴的典型形状，这确保最大的蒸汽爆炸和生物质的降解。在泄压罐中使用多于一个喷嘴是可行的。该喷嘴在与本申请同时提交的专利申请中被更详细地描述。
即使蒸汽经喷射器回流在此进行了描述，但还可能通过其他方法收集来自第二泄压罐20的低压蒸汽，例如液环压缩机或气体压缩机。

Claims (15)

1.用于生物质的热水解和蒸汽爆炸的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)将生物质几乎连续地填入至第一预热步骤并加热所述生物质，
(ii)顺序地将所述预加热的生物质引入到至少两个反应器中，
(iii)通过提供蒸汽对所述反应器加热并加压，
(iv)在给定温度和压力下经给定时间保持所述反应器，
(v)将来自所述反应器的加热并加压的生物质引入至第一泄压罐且在压力上没有任何实质的减少，并借助于喷嘴快速释放所述生物质的压力以使所述生物质被打碎，
(vi)将来自第一泄压罐的生物质以比所述第一泄压罐中压力小的压力引至第二泄压罐，
(vii)将所述已处理的生物质引至下游装置用于进一步处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(v)中的压力减少在2-13bar范围内并且步骤(vi)中的压力减少在0.4-1.6bar范围内。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述反应器中的压力大约为4-14bar。
4.如前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，所述第一泄压罐中的压力大约为1.2-2bar abs。
5.如前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，所述第二泄压罐中的压力大约为0.3-0.8bar abs。
6.如前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，连续的反应器的数量为三个并且步骤(ii)具有约15分钟的持续时间，步骤(iv)具有约20分钟的持续时间且步骤(v)具有约10分钟的持续时间。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，当停止装填所述第一反应器时立即开始装填所述第二反应器，并且当所述第二反应器装满时，开始装填所述第三反应器并且该顺序连续地重复。
8.如前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，所述蒸汽被从所述第一泄压罐引至所述预加热罐以对其加热。
9.如前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，蒸汽从所述第二泄压罐被引至所述预加热罐和/或所述反应器用于对其加热。
10.如前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，未冷凝的气体从所述反应器被引回至所述预加热罐并且之后所述未冷凝的气体从所述预加热罐被引至随后的处理步骤。
11.用于生物质的热水解的设备，所述设备包含用于将生物质(1)预加热至所需温度的预加热罐(2)，两个或多个连接至所述预加热罐的反应器(5)和一个或多个连接至所述反应器的用于释放生物质上的压力的泄压罐(9，20)，其特征在于，所述设备包含蒸汽供应管线(6)，所述蒸汽供应管线(6)向所述至少两个反应器(5)供应来自蒸汽供应源的蒸汽，管线(24)，所述管线(24)将来自所述反应器(5)的加压的生物质引至所述第一泄压罐(9)中的喷嘴(8)，且对于来自所述反应器(5)的生物质上的压力的释放没有本质的压力减少，和用于将来自所述一个泄压罐(9)的蒸汽供应至所述预加热罐(2)的管线(10)，和连接至所述第一泄压罐(9)的用于释放来自第一泄压罐(9)的生物质上的压力的第二泄压罐(20)，所述第二泄压罐(20)用管线(23)连接至所述预加热罐(2)，所述管线(23)用于将来自所述第二泄压罐(20)的蒸汽回流至所述预加热罐(2)。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述预加热罐(2)被连接至用于使预加热的生物质再循环的搅拌泵回路(3)，来自所述第二泄压罐(20)的蒸汽回流管线(23)经喷射器(18)连接至所述搅拌泵回路(3)和/或来自所述第二泄压罐(20)的所述蒸汽回流管线(23)经喷射器(17)与所述用于提供蒸汽至所述反应器(5)的蒸汽供应管线(6)连接。
13.如权利要求11所述的设备，其特征在于，来自所述第二泄压罐的所述蒸汽回流管线(23)被连接至一个或多个用于压缩来自所述第二泄压罐(20)的蒸汽的压缩机并将所述已压缩的蒸汽引至所述预加热罐(2)和/或所述反应器(5)。
14.如权利要求11-13的任一项所述的设备，其特征在于，至少两个反应器(5)通过用于未冷凝的气体管线(21)连接至所述预加热罐(2)，并且所述预加热罐(2)包含管线(25)以将所述未冷凝的气体引至下游处理设备。
15.如权利要求11-14的任一项所述的设备，其特征在于，所述第一泄压罐(9)包含一个或多个喷嘴(8)，所述喷嘴(8)用于供应来自所述至少一个反应器(5)的水解的生物质以实现最大的泄压和生物质的分解。
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