CN103608436A - 用于高效烘焙生物质的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于高效烘焙生物质的方法和系统。所述系统包括用于加热可选地被预干燥的生物质的第一区域和用于烘焙被加热生物质的绝热第二区域。第二区域具有被连接到第一区域的出口的入口和用于取出设置在第二区域底部的烘焙生物质的器件，从而生物质可通过重力向下运动通过第二区域。用于加热的器件设置在第一区域，而不是设置在第二区域。

Description

用于高效烘焙生物质的方法和装置

技术领域

本发明涉及生物质烘焙（torrefaction of biomass）领域。具体说，涉及用于高效烘焙生物质的方法和装置。

背景技术

为了能与化石燃料能量载体（例如煤、油和天然气）竞争和将其替换，木质纤维生物质从一些形式的预处理方法获益以克服固有的缺陷。预处理方法烘焙已经显示为可以改善生物质燃料性质，例如能量密度、水含量和研磨性、供给和疏水性能[1-4]。这些改善使得能建立作为关键工序的烘焙过程，以有助于生物质原始材料扩大市场。烘焙是一种热预处理方法，其通常在基本上惰性(无氧气)的环境下在约220-600℃的温度处发生。在处理过程期间，除了被烘焙生物质外，包括不同有机物的易燃气体从生物质原料产生。

从木质纤维生物质制造烘焙材料的过程可包括四个阶段：

1)干燥步骤，其中生物质中含有的自由水被去除；

2)加热步骤，其中物理结合的水被释放且材料的温度被提高到期望的烘焙温度；

3)烘焙阶段，其中材料实际被烘焙，且其在材料温度达到约220℃-230℃时开始。在该阶段期间，生物质被部分地分解且释放不同类型的挥发物，例如羟基丙酮、甲醇、丙醛、短链羧酸等。具体说，烘焙阶段特征在于在220℃-230℃的温度下半纤维素分解，且在更高的烘焙温度下纤维素和木质素也开始分解且释放挥发物；纤维素在305-375℃的温度下分解且木质素逐渐在250-500℃温度范围内分解；

4)冷却步骤，终止工序，且有助于操作。烘焙处理在材料冷却到220℃-230℃以下时终止

发明内容

在工业规模的烘焙过程中，简单、鲁棒且能量高效的烘焙装置提供主要竞争优势。

由此，本发明提供用于烘焙生物质的新的方法和新的系统。

在一个方面，本发明涉及对可选地经预干燥的生物质的烘焙，包括步骤：

a)将可选地被预干燥的生物质在至少一个加热区域加热，从而生物质的温度达到烘焙温度范围；和

b)在烘焙区域中通过将温度保持在烘焙温度范围内而将从步骤a)而来的被加热生物质烘焙，其中从步骤a)而来的被加热生物质在烘焙区域的顶部被供应到烘焙区域，且烘焙材料在烘焙区域的底部从烘焙区域取出，从而生物质通过重力向下运动通过烘焙区域。

在另一方面，本发明涉及用于烘焙生物质的系统，包括：

第一区域，用于对可选地被预干燥的生物质加热；和

绝热的第二区域，用于烘焙被加热的生物质，所述第二区域具有连接到第一区域出口的入口，

一器件，用于取出设置在第二区域底部的烘焙生物质，从而生物质可通过重力向下运动通过第二区域。

其中，用于加热的器件设置在第一区域，而不是设置在第二区域。

附图说明

图1显示了用于烘焙生物质的系统。

图2显示了图1公开的烘焙装置随时间的典型温度变化。

图3显示了图1公开的烘焙装置随时间的典型温度变化。

具体实施方式

定义

烘焙：

一种预处理，其中生物质在基本惰性的(氧气减少或无氧气)的环境下被加热到高于220℃但是低于600℃的温度，以生产烘焙生物质和包括易燃气体的烘焙气体。供应到根据本发明实施例的烘焙反应的氧气以这样的方式和/或这样的量供应，其使得在很大程度上其不与生物质反应。代替地，这样的氧气与烘焙气体反应。在烘焙阶段，生物质的一部分，具体说是半纤维素，分解且给出不同类型的有机挥发物。在以原始、湿的生物质开始的烘焙处理中，实际的烘焙阶段以干燥阶段和加热阶段开始，在干燥阶段中生物质中含有的自由水被去除，且在加热阶段中将生物质加热到期望的烘焙温度。

加热区域：

烘焙反应器中容纳室（compartment）的具体区域，相对于烘焙反应器的生物质入口位于烘焙区域上游，包括用于具体调节所述具体区域中温度的器件，且其中生物质的温度在烘焙之前被增加到接近期望的烘焙温度的温度。

烘焙区域：

烘焙反应器中容纳室的具体区域，相对于烘焙反应器的生物质入口位于加热区域下游，包括用于具体调节所述具体区域中温度的器件，且其中预先被加热的生物质的温度基本被保持恒定在期望的烘焙温度达到期望的烘焙时间，其中期望的烘焙温度为220℃到600℃的范围。

干燥区域：

烘焙反应器中容纳室的具体区域，相对于烘焙反应器的生物质入口位于烘焙区域上游，包括用于具体调节所述具体区域中温度的器件，且其中生物质在加热前被干燥到水含量低于10%。

烘焙时间：

材料温度基本保持恒定在烘焙温度的时间。烘焙区域中材料的驻留时间可以称为烘焙时间。

水平：

本发明中术语“水平”的含义与本领域技术人员所理解的相同，即是垂直于垂直平面的平面且平行于地平线的平面。然而在本发明中，与水平平面相差小角度(例如10°)的平面也称为水平面。由此，例如“水平加热腔室”还包括加热腔室，其与水平平面相差一小的角度(例如10°)。

垂直：

本发明中术语“垂直”的含义与本领域技术人员所理解的相同，即垂直于水平平面的平面。然而在本发明中，与垂直平面相差小角度(例如10°)的平面也称为垂直面。由此，例如“垂直反应器”还包括与垂直平面相差小角度(例如10°)的反应器。

详细描述

在第一方面，本发明涉及用于对可选地被预干燥生物质进行烘焙的方法，包括步骤：

a)将可选地被预干燥的生物质在至少一个加热区域加热，从而生物质的温度达到烘焙温度范围；和

b)在烘焙区域中通过将温度保持在烘焙温度范围内而将从步骤a)而来的被加热生物质烘焙，其中从步骤a)而来的被加热生物质在烘焙区域的顶部被供应到烘焙区域，且烘焙材料在烘焙区域的底部从烘焙区域取出，从而生物质通过重力而向下运动通过烘焙区域。

该方法与现有技术所述的方法相比具有几个优点。因为被干燥且加热的生物质在烘焙区域的顶部被供应到烘焙区域、且在烘焙区域的底部从烘焙区域取出烘焙材料，所以在烘焙区域不需要可动部件。代替地，材料通过重力运动通过烘焙区域，这提供了简单且便宜的构造。进一步地，这样的构造提供了能量高效的烘焙处理过程：在烘焙区域不需要加热器件。烘焙区域绝热从而在加热步骤期间达到的温度范围能被保持就足够了。

材料在烘焙区域中的驻留时间通过烘焙区域中材料层高度(或体积，如果横截面面积不恒定的话)和材料从底部被取出的速率确定。取出率例如可以通过控制布置在烘焙区域底部的运输装置的速度而被控制，所述运输装置例如运输螺杆。层的高度取决于填充的初始程度、在底部的取出率和在顶部的供应率。如果在顶部的供应率比在底部的取出率更高，则高度将增加，且如果底部的取出率比在顶部的供应率更高，则高度将减少。烘焙区域中材料的驻留时间可以被控制，以便控制材料烘焙的程度。由此，烘焙区域的填充的初始程度、向烘焙区域顶部的供应率和/或从烘焙区域的底部的取出率可以被控制，以控制材料烘焙的程度。

由此，在一个实施例中，烘焙材料通过运输装置例如运输螺杆而从底部取出，且运输装置的速度例如可被控制，以便控制材料在烘焙区域中的驻留时间。

在一个实施例中，烘焙区域中的至少一个传感器读取烘焙区域中层的高度。在一个实施例中，从所述传感器而来的读数用于控制生物质在烘焙区域中的驻留时间。在一个实施例中，将从传感器而来的读数与参考值相比，如果度数与参考值相差得超过预定误差值，则烘焙区域底部的取出率和/或烘焙区域顶部的供应率被调整。

在一个实施例中，烘焙温度范围为220-600℃，例如220-500℃，例如220-450℃，例如220-400℃，例如230-600℃，例如230-500℃，例如230-450℃，例如230-400℃，优选240-500℃，优选240-400℃，优选240-350℃，最优选为270-350℃。

温度优选地在烘焙区域保持相对恒定，以有助于控制烘焙处理。由此，烘焙温度范围，其在步骤a)中被达到，且在步骤b)被保持，优选地为50℃或更小的范围。由此，烘焙温度范围例如可以为300-350℃或350-400℃。更优选，温度范围为40℃或更少的范围，例如30℃或更少，例如20℃或更少，例如10℃或更少。

加热区域和烘焙区域可以分离，从而材料在不同区域中的驻留时间可以被分开控制。例如，材料可以通过运输装置而被运输通过加热区域，所述运输装置例如传动带或运输螺杆。由此，这样的运输装置的速度可以被控制，以控制材料在加热区域中的驻留时间。在优选实施例中，生物质水平方向被运输通过加热区域沿。在烘焙区域中材料的驻留时间的控制如上所述。

优选地，烘焙区域被隔离，使得没有外部能量被提供到烘焙区域。由于隔离和由于烘焙反应期间通过生物质产生的放热热量，由此在烘焙区域温度可以保持基本上恒定。

发明人还发现，烘焙区域中的温度可通过将受控量的空气或氧气喷射到烘焙区域中而得到调节。在烘焙阶段期间，喷射的空气/氧气与从生物质释放的气体反应。在气体部分地氧化时，热量被释放到周围气体和要被烘焙的材料，由此在没有进一步供应外部加热的情况下升高温度。出人意料地，发明人已经可以证明，尽管氧气被引入(数据未示出)，但仍可以保持烘焙装置中的受控温度。发明人甚至展示出，烘焙区域中的温度可通过控制喷射的氧气量(数据未示出)而被控制，这消除了将外部热量供应到烘焙区域的需要。在存在氧气的情况下烘焙装置中温度保持稳定和受控，而且没有生物质的氧化，这一事实是令人惊讶的，尤其是相比于现有技术中所述的烘焙处理，其中已经努力确保以氧气排尽的方式执行烘焙处理。因此，在一个实施例中，含有氧气的气体被供应到烘焙区域。

发明人已经可以证明，与在烘焙区域的底部供应含有氧气的气体相比，如果含有氧气的气体在烘焙区域的底部供应且如果烘焙气体在烘焙区域的顶部从烘焙区域取出从而气体通过烘焙区域向上游运动的话，（与生物质运输逆向），则更易于在烘焙区域中控制温度。

因此，在优选实施例中，含有氧气的气体被供应到烘焙区域中的第一位置，从而氧气在热量的存在下与烘焙气体的成分反应，且其中烘焙气体在烘焙反应器的第二位置处从烘焙反应器取出，且其中第一位置在烘焙区域中相对于生物质运输方向位于第二位置的下游，从而烘焙气体与生物质的运输逆向地运动通过烘焙区域。

在一个实施例中，含有氧气的气体在烘焙区域的底部被供应，从而氧气在热量的存在下与烘焙气体的成分反应，且其中烘焙气体在烘焙区域的顶部从烘焙区域取出，从而烘焙气体运动通过烘焙反应器（与生物质的运输逆向）。在一个实施例中，含有氧气的气体在位于烘焙区域的最低20%处、优选最低5%处、优选最低1%处的位置被供应，且烘焙气体从对应于烘焙区域的最高20%处、优选最高5%处、优选最高1%处的位置被取出。

在最优选实施例中，含有氧气的气体被供应到烘焙区域且烘焙气体从加热区域取出，从而烘焙气体与生物质的运输逆向地运动通过烘焙区域且通过加热区域。在一个实施例中，烘焙气体从相对于加热区域的第一个20%、优选地第一个5%、优选地第一个1%的位置取出。术语“第一个20%”意思是与加热区域的生物质入口最近的20%处。在一个实施例中，含有氧气的气体在烘焙区域的最低20%、优选最低5%、优选最低1%的位置处被供应。由此，由烘焙区域中氧气和烘焙气体之间的反应产生的热量可用于在加热区域中干燥和加热生物质。因为烘焙气体以与生物质的运输逆向的关系取出，发明人已经实现，可在烘焙区域的顶部喷射额外氧气，以提高加热区域的温度，而不让烘焙区域中有太高温度。由此，在一个实施例中，额外氧气在烘焙区域的顶部处被添加或在相对于烘焙区域的最高10%、优选最高5%、优选最高1%处的区域被添加。

在替换实施例中，含有氧气的气体在烘焙区域顶部被供应到烘焙区域，从而氧气在热量存在下与在烘焙区域中形成的烘焙气体成分反应，且其中负压形成在烘焙区域的底部，从而气体向下运动通过烘焙区域。但是该实施例不是很优选，因为发明人已经证明，在含有氧气的气体在反应器的顶部被供应时且在气体与生物质同时在烘焙区域中运动时，难以在烘焙区域保持稳定温度。

通过反应产生的热量遍及烘焙区域中的生物质层。使用氧气增加烘焙区域中的温度是能量高效的且有助于高效地控制烘焙温度，而不需要将外部能量供应到烘焙区域。

在一个实施例中，通过烘焙区域中烘焙气体和氧气之间的反应而产生的热气体的一部分从烘焙区域的顶部释放且被引导到加热区域和/或干燥区域，以在加热区域和/或干燥区域中提高温度。

在一个实施例中，生物质为木质纤维生物质，例如木材，例如木片。

本发明的另一方面涉及用于烘焙生物质的系统，包括：

第一区域，用于对可选地被预干燥的生物质进行加热；和绝热的第二区域，用于烘焙被加热的生物质，所述第二区域具有入口，所述入口连接到第一区域的出口，用于取出烘焙生物质的器件设置在第二区域的底部，从而生物质通过重力向下运动通过第二区域，其中用于加热的器件设置在第一区域，而不是在第二区域。

在一个实施例中，第一区域设置在加热腔室中，所述加热腔室包括螺杆或传动带，用于将生物质运输通过第一区域。

在另一实施例中，加热腔室是水平的，螺杆或传动带沿水平方向延伸，用于水平运输生物质。在另一实施例中，加热腔室平行于水平平面或偏离水平小于45的角度，例如小于40°，例如小于35°，例如小于30°，例如小于25°，例如小于20°，例如小于15°。

在一个实施例中，绝热的第二区域设置在垂直反应器中。在一个实施例中，绝热的第二区域设置在反应器中，所述反应器平行于垂直平面或与垂直平面偏离小于45°的角度，例如小于40°例如小于35°，例如小于30°，例如小于25°，例如小于20°，例如小于15°。

在一个实施例中，第二区域包括用于喷射含有氧气的气体到第二区域的至少一个氧气入口。在一个实施例中，氧气入口连接到用于将含有氧气的气体受控地供应到第二区域的氧气供应器件。在一个实施例中，第二区域包括用于烘焙气体的出口。在一个实施例中，用于烘焙气体的出口相对于第二区域中生物质的运输方向位于氧气入口的上游。在优选实施例中，用于烘焙气体的出口位于第一区域中，优选地相对于生物质入口在对应于第一区域的第一个20%、优选第一个5%、优选第一个1%的位置。在一个实施例中，系统进一步包括含有氧气的气体来源，所述来源连接到氧气供应器件。

在一个实施例中，氧气入口设置在第二区域的最低20%、优选最低5%、优选最低1%的位置。在一个实施例中，用于烘焙气体的出口布置在第二区域的最高20%、优选最高5%、优选最高1%的位置处。

在一个实施例中，用于烘焙气体的出口布置在第一区域，从而烘焙气体通过第一和第二区域与生物质运输逆向地被取出。优选地，用于烘焙气体的出口位于对应于第一区域的第一个20%位置处，优选是第一区域的第一个5%、优选第一个1%。

在替换实施例中，氧气入口布置在第二区域的顶部且风扇布置为连接到第二区域的底部，从而可以在第二区域的底部提供负压。由此，气体可以通过第二区域取出。在一个实施例中，系统包括含有氧气的气体来源，所述来源连接到氧气供应器件

在一个实施例中，第二区域包括用于测量第二区域中生物质水平的至少一个传感器。所述测量值可用于控制第二区域中生物质的驻留时间。

示例性实施例的详细描述

图1a显示了用于烘焙生物质的系统，其具有生物质入口1，其中生物质通过供应螺杆2而被引入到烘焙装置中。生物质在干燥区域3中被干燥。热量通过加热介质(例如热气体)而被供应到干燥区域，所述加热介质经过干燥区域加热介质入口4。加热介质通过干燥区域加热介质出口5离开干燥区域。经干燥的生物质从干燥区域3被运输到加热区域6，在加热区域中生物质的温度被提高到烘焙温度范围。热量通过经过加热区域加热介质入口7的加热介质而供应到加热区域6。加热介质通过加热区域加热介质出口8离开加热区域6。干燥区域3和加热区域6位于公用的水平反应器中，且材料在干燥区域3和加热区域6中的运输通过公用的运输螺杆调节，所述运输螺杆还将材料供应到包括烘焙区域11的垂直反应器的顶部。烘焙材料在烘焙区域底部从烘焙区域取出，从而生物质通过重力向下运动通过烘焙区域11。没有外部热量供应到烘焙区域11，且在烘焙区域的顶部使用第一IR测温仪10和在烘焙区域11的底部使用第二IR测温仪12，通过测量生物质的表面温度而监测烘焙温度。通过在烘焙区域11的顶部喷射含有氧气的气体、从而氧气在热量存在下与在烘焙区域中形成的烘焙气体成分反应，烘焙区域11中生物质的温度可被调整。在烘焙区域的底部提供负压，从而气体向下运动通过烘焙区域11。通过与氧气反应而产生的热量由此遍及烘焙区域11的生物质层。冷却区域运输螺杆14让烘焙材料从烘焙区域11的底部运动通过冷却区域13，在冷却区域中烘焙材料通过用于冷却的器件15被冷却到低于100℃的温度。冷却还可经由运输螺杆14供应。生物质在烘焙区域中的驻留时间通过冷却区域运输螺杆14的旋转速度和烘焙区域14中层的高度确定。烘焙区域11中层的高度通过进入烘焙区域的材料运输速率确定，且通过材料运输离开烘焙区域11的速率确定。材料运输到烘焙区域11中的速率通过干燥区域3和加热区域6中运输螺杆的旋转速度而确定，且材料运输到烘焙区域以外的速率通过冷却区域运输螺杆14的旋转速度确定。

图1b显示了图1的同一系统，所述系统用于在生物质存在于该系统时对其烘焙。

图2和3显示了图1公开的烘焙装置的典型温度变化。尽管在烘焙区域中没有外部能量供应，但烘焙区域的温度保持恒定。如果温度将减少，可在烘焙区域的顶部喷射氧气以提高温度。

Claims (11)

1.用于烘焙可选地被预干燥的生物质的方法，包括步骤：

a)将可选地被预干燥的生物质在至少一个加热区域加热，从而生物质的温度达到烘焙温度范围；和

b)通过将温度保持在烘焙温度范围而在烘焙区域中将从步骤a)而来的加热生物质烘焙，

其中从步骤a)而来的被加热生物质在烘焙区域顶部被供应到烘焙区域，且烘焙材料在烘焙区域底部从烘焙区域取出，从而生物质通过重力向下运动通过烘焙区域，且其中含有氧气的气体被供应到烘焙区域。

2.如权利要求1所述的方法，其中含有氧气的气体被供应到烘焙区域，使得氧气在热量的存在下与烘焙气体的成分反应且其中烘焙气体从加热区域抽出，从而烘焙气体与生物质运输逆向地运动通过烘焙区域且通过加热区域。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中烘焙材料通过运输装置从底部取出，例如运输螺杆。

4.如权利要求3所述的方法，其中运输装置的速度被控制,以控制材料在烘焙区域中的驻留时间。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中烘焙温度范围为220℃到600℃，例如220-500℃，例如220-450℃，例如220-400℃，例如230-600℃，例如230-500℃，例如230-450℃，例如230-400℃，优选240-500℃，优选240-400℃，优选240-350℃，最优选为270-350℃。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中生物质沿水平方向运输通过加热区域。

7.一种用于烘焙生物质的系统，包括：

第一区域，用于加热可选地被预干燥的生物质；和

绝热的第二区域，用于烘焙被加热生物质，所述第二区域具有入口，所述入口连接到第一区域的出口；

用于取出烘焙生物质的器件,其设置在第二区域的底部，从而生物质能借助重力向下运动通过第二区域；

其中用于加热的器件设置在第一区域，而不是设置在第二区域。

8.如权利要求7所述的系统，其中第一区域设置在加热腔室中，所述加热腔室包括螺杆或传动带，用于将生物质运输通过第一区域。

9.如权利要求8所述的系统，其中加热腔室是水平的且螺杆或传动带沿水平方向延伸，用于水平运输生物质。

10.如权利要求7-9中任一项所述的系统，其中绝热的第二区域设置在垂直反应器中。

11.如权利要求7-10中任一项所述的系统，其包括用于将含有氧气的气体喷射到第二区域的至少一个氧气入口、和用于烘焙气体的至少一个出口，且其中用于烘焙气体的出口相对于第二区域中生物质运输的方向位于氧气入口的上游。

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