CN103443354A - 具有单一收敛侧壁板的反应器容器 - Google Patents

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Abstract

一种反应器容器，包括：上部入口和底部排放装置；在上部入口与底部排放装置之间大体上垂直定向的侧壁，其中，侧壁限定容器中内部流通道的周界；布置在侧壁的相对侧上的第一对支撑板，其中，第一对支撑板在收敛的第一单一方向上减少了流通道的横截面流面积，及布置在侧壁的相对侧上的第二对支撑板，其中，第二对支撑板在收敛的第二单一方向上减少了流通道的横截面流面积，其中，第二单一方向相对于第一单一方向角度偏移，而且第二对支撑板与第一对支撑板位于容器的不同高度。

Description

具有单一收敛侧壁板的反应器容器
相关申请
本申请要求2011年3月25日提交的美国临时专利申请第61/467,419号的权益，其全部内容以引用的方式结合在此。
背景技术
本发明涉及用于生物质的容器，特别是具有防止容器内生物质的过度压缩的内部结构的容器。
反应器容器用于处理生物质来溶解碳水化合物或木质素或生物质的其它成分，以生产纸浆、燃料或化学制品。反应器容器很大，垂直定位且加压。一个典型的反应器容器高度超过100英尺（33米），直径至少30英尺（10米）。反应器容器可以是带有封闭顶部和底部的圆柱。反应器容器入口可以在顶部，并包括一顶部分离装置来从进入反应器容器的生物质中移除部分溶液。反应器容器的出口在底部。生物质垂直向下移动从进入通过容器到出口。生物质在容器内的停留时间取决于容器内进行的处理，可以是几个小时，如两到六个小时。通过将蒸汽，如从容器顶部加入到容器内，容器内的压力增加到基本超过大气压。热水和蒸汽可以注入容器来增加容器内生物质的热能，并获得容器内生物质理想的温度。
一年生植物的生物质与木屑相比，具有低容积密度和大的比表面积。由于低的原始容积密度和大的比表面积，一年生植物的生物质与木屑相比更可压缩。在反应器容器底部，与制浆反应器容器中的木屑的压缩相比，生物质特别在液体浸透时变得可以高度压缩。生物质压实的高水平增实加了某些区域的生物质停滞在反应器容器中而在另一些区域内形成容器内快速移动生物质柱的危险。
一年生植物的生物质的高压实能施加大量的机械负载在反应器容器的下部和特别在容器底部排放装置上。这些高的机械负载可以增加操作排放装置所需的能量，如增加旋转容器底部刮板所需的能量。如果增加过度，高压实可以抑制排放装置的运行。此外高压实可以如通过弯曲刮板的臂来损害排放装置。
高压实还可以阻止生物质流通过反应器容器。高压实可以将生物质压缩成固体物质，使其不能流过容器。此外，压缩可以在容器内创建不能向下流过容器的被压缩区域。
加工木屑的大反应器容器是通用的且公知来生产造纸和其它基于木头的产品的纸浆。加工木屑的反应器容器中的溶液含量相对高。高溶液含量有助于以均匀的速率移动木屑向下通过容器，并有助于避免停滞木屑流和快速移动木屑柱的区域。但是，高溶液含量有缺点，如减少移动通过容器的木屑的量和增加被压缩和加热的溶液和木屑的量。
生物质带有基本较少的常用于处理制浆中木屑的液体/溶液流过反应器容器。在容器中保持低含水量通常希望最大化释放出来自生物质，特别是一年生植物生物质的糖和希望的其它成分的浓度。保持低液体含量，如水含量，也减少了提高反应器容器温度和抑制容器内蒸汽产生所需的能量。
每干重单位的来自一年生植物的生物质比木屑吸收更多液体。生物质中液体的高吸收减少润滑通过反应器容器的生物质流的自由液体的量。一年生植物生物质吸收水或加入反应器容器中的其它液体时，变得浸透。当液体浸透时，一年生植物生物质与液体浸透木屑具有基本相同的湿密度。由于反应器容器中的重力，浸透生物质的重量产生很大的向下的力。
由于水与生物质的比率低且一年生植物生物质的吸水率高，装满反应器容器的生物质中的自由液体的数量趋于低。自由液体的数量低的结果是存在于装满反应器容器的生物质的液体水平在容器中处于相对低的高度且远低于生物质的水平。由于生物质水平和液体水平之间的很大的高度差，在反应器容器中较低高度处生物质压实的量变高。由于低液体水平，生物质不能漂在反应器容器中。不能漂浮进一步将生物质压缩在反应器容器底部。
反应器容器一般在其底部具有一个排放装置。该排放装置可以是刮板、螺旋输送器或促进生物质从容器连续排出的其它装置。如果反应器容器中有自由液体，容器底部的生物质可以是液相。如果容器中基本没有自由液体，生物质在容器底部是固相的。容器内的排放装置也需要适合排放液相或固相的生物质。排放装置也需要能与反应器容器底部的被压缩的生物质一起运转。
之前试图释放大型加压反应器容器中的过度压缩力，包括在木屑垂直反应器容器中增加耐磨环，例如美国已公布的专利申请20030201080所示。在处理一年生植物生物质的反应器容器中，压实过度，使材料挂在围绕容器延伸的锥形耐磨环上。当生物质展现出高松散的屈服强度和拱形尺寸，生物质能挂在反应器容器中插入的锥形耐磨环上。结果是在容器中流动的生物质通道、停滞区、容器中生物质拱桥并断续地或永久地堵塞通过反应器容器的生物质流。
具有沿单向收敛的侧壁的反应器容器通常用于促进木屑向下流动通过反应器容器。美国专利申请公布2003/0089470和2001/0047854以及美国专利6,199,299和5,700,355公开了具有单向收敛的侧壁的反应器容器的例子。收敛的侧壁减少容器的横截面积并典型地用于容器底部排放装置附近。横截面积的减小不适于容器的上部高度，在那通常希望连续的横截面积来促进生物质均匀的流动条件向下移动通过容器。
需要一个加工生物质，如一年生植物生物质的反应器容器，其促进生物质向下运动通过容器。尤其是，需要减小被压缩生物质形成通道、停滞拱桥和区域，以及断续或永久的流动阻塞的反应器容器。
发明内容
通常希望保持反应器容器中生物质的一致状况，至少越过任何给定的容器高度。例如，可能希望获得对容器内所有生物质一致的向下流速。典型地不希望反应器容器内的滞留区域或反应器容器内更快移动的生物质柱。类似地，反应器容器中的温度通常希望跨越容器的每个高度是相同的。生物质的温度可能在不同高度变化，例如随着生物质向下移动通过反应器容器时增加。通过反应器容器的一致流动和反应器容器中每个高度的一致温度促进了生物质均匀加工，且具有一致特征的生物质流从反应器容器中输出。
已经设想在容器的侧壁上具有单一收敛板。板可以成对并对称地布置在侧壁的相对侧。多对板可以布置在反应器容器内的不同高度处。每对板可以相对于上方或下方的板对在水平面内以90度旋转定向。垂直相邻的支撑板对之间的角度偏移可以选择不是90度，例如25到90度的范围内。由于容器中不同高度的收敛板对和角度偏移，向下通过容器的生物质流路径产生的投影是居中的正方形、基本居中的正方形或基本矩形的开口。收敛板不需要减少或增加直接容器的全部内径，除了由于板自身的临时减小。
当生物质向下移动通过反应器容器时，板轻微地增加且随后迅速地释放压缩的量。板的倾斜导致由板施加到移动通过板的生物质的压缩力。由于板的倾斜，该压缩力具有水平分量。压缩力的水平分量的方向垂直于平行每个板的外表面的水平线。
当生物质移动通过板时压缩的快速释放减少了容器内生物质形成拱桥和悬挂的趋势。由板所形成的单一收敛使得随耐磨环或多维收敛装置的其它布置发生的悬挂最小化。
反应器容器的不同高度处的板对减少了生物质的压实，特别是在容器的底部。压实的减少在具有很少或没有自由液体的反应器容器中是最显著的。压实的减少降低了反应器容器内较低高度处形成通道或流阻的危险。压实的减少还减低了驱动反应器容器底部的刮板、螺旋输送器或其它出口装置所需的扭转力。减少的扭转力允许更小的马达和齿轮箱来驱动出口装置，这样，马达和齿轮箱可以不大于具有充满液体的反应容器的容器所需的马达和齿轮箱。
所设想的反应器容器包括：上部入口和底部排放装置；在上部入口与底部排放装置之间大体上垂直定向的侧壁；由侧壁所限定的内部生物质流通道，其中，生物质通过上部入口进入容器、流动通过流通道并通过底部排放装置排放；布置在侧壁的相对侧上的第一对支撑板，其中，第一对支撑板在收敛的第一单一方向上减少了流通道的横截面流面积，及布置在侧壁的相对侧上的第二对支撑板，其中，第二对支撑板在收敛的第二单一方向上减少了流通道的横截面流面积，其中，第二单一方向与第一单一方向正交，第二对支撑板与第一对支撑板位于容器的不同高度。
支撑板可以由容器直径的0.75到1.5倍之间的高度分隔开，例如从一（1）到一又四分之一（1.25）倍直径，包括一（1）倍直径。每个支撑板可以是平面的，具有直的后缘并且具有大体双曲线的上边缘。每个支撑板的上边缘可以紧靠侧壁。支撑板的外表面相对侧壁可以形成10到45度之间的、20到40度之间的例如30度的角度。
所设想的反应器容器包括：上部入口和底部排放装置；在上部入口与底部排放装置之间大体上垂直定向的侧壁，其中，侧壁限定容器中内部流通道的周界；布置在侧壁的相对侧上的第一对支撑板，其中，第一对支撑板在收敛的第一单一方向上减少了流通道的横截面流面积，及布置在侧壁的相对侧上的第二对支撑板，其中，第二对支撑板在收敛的第二单一方向上减少了流通道的横截面流面积，其中，第二单一方向相对于第一单一方向角度偏移，而且第二对支撑板与第一对支撑板位于容器的不同高度。
所设想的在容器中加工生物质的方法包括：连续地将粉碎的生物质供给到反应器容器的上部入口；连续地将水或其它溶液添加到生物质，以使得反应器容器内的液面基本低于反应器容器内生物质的上部高度；在反应器容器中处理生物质；连续地从反应器容器的底部出口排放处理过的生物质；当生物质在反应器容器内逐渐且连续地从生物质的上部高度向下流动到底部出口时，在多对支撑板之间移动生物质，其中（i）支撑板对布置在容器内的不同高度，（ii）每对的板相对于容器侧壁以一个斜坡安装到容器的侧壁上，其沿着向下的方向将板朝着相对的板向内收敛，且（iii）每对板的收敛是沿着收敛的单一方向；随着生物质向下流经每对支撑板之间时，逐渐地增加生物质的压实；随着生物质流动通过每对支撑板的下边缘时，快速地释放生物质上的一些压缩力。
附图说明
图1是沿反应器容器的垂直轴线的横截面视图，所述反应器容器具有安装在容器内部的成对的单一收敛板。
图2是沿图1中线2-2的通过反应器容器的垂直轴线的横截面视图。
图3是单一收敛板的平面图。
图4是安装到容器的侧壁上的单一收敛板的横截面视图。
具体实施方式
图1是沿反应器容器10的垂直平面的横截面视图，反应器容器10具有用于生物质例如一年生植物生物质的上部入口2。图2显示了从顶部向下看沿容器10的水平面的横截面视图。
容器10适于处理一年生植物生物质，例如稻草。上部入口12可以包括顶部分离器、螺旋输送器或其它输送机构，以将生物质移入反应器容器。例如水或澄清液的液体可以随着进入的生物质流或者通过液体入口14添加到容器的顶部。蒸汽或其它加热气体可以添加到容器，例如通过热入口16。还可以添加蒸汽或其它气体来将容器内的压力提升到高于大气压的内部压力，例如10到20磅/平方英寸或更高。
反应器容器10在图1中图示，具有不变的直径（D）并沿垂直轴线13垂直地定向。反应器容器在图2中示出，具有贯穿容器整个长度的圆形横截面。供选择地，容器的横截面可以全部或部分为椭圆形、矩形或其它横截面形状。反应器容器的高度和直径（D）取决于容器运转的需要。一个典型的反应器容器可以具有超过100英尺（33米）的高度和至少30英尺(10米)的直径。
图1中所示的容器具有直的、圆筒形侧壁18。供选择地，容器可以在一个或多个不同的高度处包括扩大部从而使得容器的直径从顶部到底部递增。尽管在图1中未显示，容器可以包括侧壁中的筛以从容器内的生物质提取溶液，和管道和喷嘴以在容器的不同高度添加水或溶液。
容器的底部31包括排放部分，其可以包括搅拌或搅动装置32及出口34。马达和齿轮箱组件33驱动搅拌装置的旋转臂。液体注射喷嘴36，例如用于水，可以被定向以引导水朝向搅拌装置的旋转臂。
通过反应器容器除底部31之外的全部的生物质中可能有很少或没有自由液体。液面35可以略高出搅拌装置32和出口34。
当生物质向下流动通过容器时可以变得基本浸透的。当生物质在容器内向下移动时，由于容器上部中的生物质的压力，浸透的生物质变得高度压实。
压实和高压能够导致生物质在容器内形成拱桥（桥）或其它实际上固体区域。这些拱桥能够阻碍所有或部分生物质的流动。通过容器内的侧板20，在生物质向下流动通过反应器容器时，拱桥被防止或者被打碎。
单一收敛侧板20被安装，例如焊接或栓接，到容器侧壁18的内表面。板20，例如板的外表面，可以与容器的侧壁18形成大致30度，例如在30度的5度之内，的角度。板与侧壁之间的角度可以在10到45度和20到40度的范围内。当安装到侧壁上时，板的后缘22与板的顶点24之间的垂直距离可以是容器直径（D）的四分之一。每个板的后缘与顶点之间的垂直距离可以在容器直径的0.10到0.50的范围内。
侧板可以成对地安装在容器内的不同高度。侧板对可以布置在容器的相对侧上，从而使得板的后缘22平行于相对板的后缘。
一对板的后缘22与紧邻的下方的一对板的顶点24由一个直径（D）的垂直距离分隔开。其它垂直距离也可以分隔开每对板，取决于特定反应器容器的运转条件和其它情况。例如，板之间的垂直距离可以在容器直径（D）的0.75到1.5倍或容器直径的1.00到1.25的范围内。
成对的侧板之间的垂直间距的标准是获得大约相同的垂直压力，由于容器底部生物质的压实，如容器被完全浸没在液面高于或接近木屑上部高度的液态溶液中的木屑装满时所发生的。反应器容器照惯例设计成抵抗由于浸没木屑的垂直压力。通过配置支撑板来为处理一年生植物生物质的容器获得相似的垂直压力，用在木屑容器中的相同的搅拌和搅动装置32可以用于生物质容器。
每对板20可以在容器内相对于紧邻的上方或下方的板对旋转90度定向。供选择地，旋转角度可以是45度。如图2中所示，具有方形横截面的自由流动区域26垂直延伸通过容器并由板20的每个后缘22的水平投影所限定。
图3示出了一个典型的板20的平面图。板可以由具有足够结构强度以抵抗容器内生物质流的压缩力的钢或其它材料制成。板可以是平面的，例如平坦的，也可以具有轻微的凸状或凹状弯曲。类似地，后缘22可以是直的，或具有凸状或凹状弯曲。板还具有从后缘的两个角向上延伸到顶点24的上边缘28。上边缘28形成大体的双曲线并顺应容器的侧壁。上边缘28可以焊接或栓接到容器的侧壁。
托架30可以在侧壁与板的内侧之间延伸以支撑容器内的板。托架可以如图4所示地水平布置，或可以包括具有一个或多个大体三角形的垂直支撑板的组件。三角形支撑板的基部抵靠容器的侧壁18，而顶点抵靠侧板20的后侧。
容器内由相对的侧板对所形成的收敛是一维的收敛。板对20导致生物质流的横截面积在垂直于板的方向上收敛。收敛限于邻近于板对的区域。流面积在平行于板的方向上不收敛。因此，收敛是一维的收敛。一维的收敛的使用降低了生物质在板之间形成拱桥的风险。
侧板对之间的流通道的收敛可以集中于容器的垂直轴线13。居中意味着由板对20和容器侧壁所限定的横截面流面积的中心与垂直轴线同轴。收敛可以偏离中心，例如通过偏离0.05到0.25的容器直径。收敛可以通过使每对侧板的侧板之间具有不同的角度、一对侧板中的一个侧板比另一个侧板短和消除一对侧板中的一个侧板来偏离中心。
流过每对板的生物质的收敛改变生物质中的固体压力。当生物质流过每对收敛板时，生物质上的垂直压力被朝向收敛板转向且部分地远离收敛板对下方的生物质。收敛板提供生物质的局部支撑。该局部支撑减小了收敛板下方的生物质上的垂直压力，并因此减少了处于每对板下方高度的生物质上的垂直压力。
板对的局部收敛导致大的压力梯度，具有变化的水平分量，向下充当降低或消除生物质的桥接趋势的垂直固体压力。这些桥接趋势存在于现有的在容器的所有侧具有对称收敛的壁的容器中。
由于每对板的压力梯度受板对的一维的收敛的影响。因为收敛的水平方向随着每对板改变，例如通过90度旋转，固体压力梯度的方向随着生物质流过每对板而改变。生物质中固体压力梯度方向上的改变提高了板打碎生物质中桥（拱桥）和其它固体区域的能力。
在每对收敛板下方，生物质水平扩张到板所创建的空间。该扩张释放了收敛板所引起的压实。扩张进一步帮助打破生物质中的桥和其它过度压实的固体区域。
板对之间的单一维度收敛在方向上的变化有助于防止在相同区域的重复堆积。因为收敛的水平方向随着每对板改变，例如通过90度旋转，扩张的方向随着每对板改变。由于扩张方向的改变，通过一对板时可能存留的局部压实在生物质流过下一对板时，很可能会被消除。
收敛板对减少了容器底部的垂直压实。没有垂直压实压力的减少，生物质所施加的压力可能过度扭转容器底部的搅拌装置32的旋刮臂。由板对所实现的容器底部的垂直压实的减少减小了用来移动搅拌装置32的旋刮臂所需的扭矩。扭矩的减小允许更小且更便宜的齿轮传动装置和马达来驱动搅拌装置并且减少了驱动搅拌装置所需的能量。
虽然已经结合目前被认为最实用且优选的实施例描述了本发明，但应该理解，本发明不限于所公开的实施例，相反，其想要覆盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (20)

1.一种反应器容器，包括：
上部入口和底部排放装置；
在上部入口与底部排放装置之间大体上垂直定向的侧壁，其中，侧壁限定容器中内部流通道的周界；
布置在侧壁的相对侧上的第一对支撑板，其中，第一对支撑板在收敛的第一单一方向上减少了流通道的横截面流面积，及
布置在侧壁的相对侧上的第二对支撑板，其中，第二对支撑板在收敛的第二单一方向上减少了流通道的横截面流面积，其中，第二单一方向相对于第一单一方向角度偏移，而且第二对支撑板与第一对支撑板位于容器的不同高度。
2.根据权利要求1所述的反应器容器，其中，支撑板由容器直径的四分之三到1.5倍之间的距离分隔开。
3.根据权利要求1所述的反应器容器，其中，生物质从上部入口进入容器，流动通过流通道并通过底部排放装置排出。
4.根据权利要求1到3中的任何一项所述的反应器容器，其中，支撑板在一个支撑板的顶点与垂直相邻的支撑板的后缘之间由一个直径的垂直距离分隔开。
5.根据权利要求1到4中的任何一项所述的反应器容器，其中，每个支撑板是平面的，具有直的后缘和大体双曲线的上边缘，上边缘紧靠侧壁。
6.根据权利要求5所述的反应器容器，其中，每个支撑板在板的外表面与侧壁的内表面之间形成大致30度的角度。
7.根据权利要求5所述的反应器容器，其中，每个支撑板在板的外表面与侧壁内表面之间形成10到45度的角度。
8.根据权利要求1到7中的任何一项所述的反应器容器，其中，角度偏移是一个大致90度的偏移。
9.根据权利要求1到8中的任何一项所述的反应器容器，其中，由每对板的后缘所限定的流柱具有与容器的垂直轴线同轴的几何中心。
10.根据权利要求1到8中的任何一项所述的反应器容器，其中，由沿垂直方向连续的至少两对板的后缘所限定的流柱具有偏离容器垂直轴线的几何中心。
11.一种在反应器容器中加工生物质的方法，所述方法包括：
连续地将粉碎的生物质供给到反应器容器的上部入口；
连续地将水或其它溶液添加到生物质，以使得反应器容器内的液面基本低于反应器容器内生物质的上部高度；
在反应器容器中处理生物质；
连续地从反应器容器的底部出口排放处理过的生物质；
当生物质在反应器容器内逐渐且连续地从生物质的上部高度向下流动到底部出口时，在多对支撑板之间移动生物质，其中（i）支撑板对布置在容器内的不同高度，（ii）每对的板相对于容器侧壁以一个斜坡安装到容器的侧壁上，其沿着向下的方向将板朝着相对的板向内收敛，且（iii）每对板的收敛是沿着收敛的单一方向；
随着生物质向下流经每对支撑板之间时，逐渐地增加生物质的压实；
随着生物质流动通过每对支撑板的下边缘时，快速地释放生物质上的一些压缩力。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，每对支撑板由容器直径的四分之三到1.5倍之间的距离分隔开。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，相邻的支撑板对偏移大致90度，当生物质从一对支撑板之间移动到下一对支撑板之间时，由于每对支撑板，生物质的压实水平分量改变大致90度。
14.根据权利要求11到13中的任何一项所述的方法，其中，支撑板在一个支撑板的顶点与垂直相邻的支撑板的后缘之间由一个直径的垂直距离分隔开。
15.根据权利要求11到14中的任何一项所述的方法，其中，通过每对支撑板的逐渐压实和快速释放抑制了生物质中拱桥的形成。
16.根据权利要求11到15中的任何一项所述的方法，其中，液面保持在或低于最低一对支撑板的后缘和底部出口。
17.根据权利要求11到16中的任何一项所述的方法，其中，生物质的上部高度高于容器内最高处的支撑板对的顶点。
18.根据权利要求11到17中的任何一项所述的方法，其中，添加到容器的液体的速度足以浸透生物质。
19.根据权利要求11到18中的任何一项所述的方法，其进一步包括将蒸汽添加到容器的上部区域。
20.根据权利要求11到19中的任何一项所述的方法，其进一步包括在容器底部搅拌或搅动生物质。
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