CN103608437A - 冷却烘焙材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于高效冷却烘焙材料的方法和系统，其还增加烘焙产品的能量产生和疏水性，且减小冷却设备的堵塞。所述方法包括，在热材料引入到冷却设备之前，至少一部分经冷却的烘焙材料与热的烘焙材料返回混合，用于进一步冷却烘焙材料。

Description

冷却烘焙材料的方法

技术领域

本发明涉及生物质烘焙（torrefaction of biomass）领域。具体说，涉及用于高效冷却烘焙材料的方法和系统，其还增加烘焙产品的疏水性和能量产生且减小冷却设备的堵塞。

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被显示可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，其通常发生在基本上惰性(无氧气)环境下约220-600℃的温度处。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释放。

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在250-500℃温度范围内逐渐分解；

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

在被烘焙材料的冷却处理期间，材料继续释放气体，直到材料的温度减小到约200℃以下。然而，材料需要被进一步冷却到130℃以下，以确保安全的自点火温度。因此，在现有技术中，被烘焙材料已经在冷却设备（例如螺杆冷却器）中被直接地冷却，以将温度降低到130℃以下，例如见WO2009/151367A1。该方法的一个问题是，在冷却处理期间从被烘焙材料释放的气体将在冷却设备的冷表面上冷凝，导致所述装置的结垢或堵塞。现有技术所述的烘焙材料的冷却处理的另一问题是，冷却处理期间释放的气体导致烘焙产品的能量产生（energy yield）减少。由此需要用于冷却烘焙材料的改进的方法。

发明人通过一种用于冷却烘焙材料的方法解决了如上所述的问题。所述方法包括，在热材料引入到冷却设备之前，令至少一部分经冷却烘焙材料与热烘焙材料再混合，用于进一步冷却烘焙材料。该方法与现有技术所述的方法相比具有几个优点：

1)由冷却设备中热材料释放的气体、以及引入到进入冷却设备的烘焙气体将在冷烘焙材料上冷凝，这将减少冷却设备中冷表面上的冷凝，这又可以减少所述冷却设备的堵塞。

2)冷却设备中或混合步骤中烘焙材料上的气体的冷凝增加了最终烘焙产品的能量产生，

3)在混合步骤中的烘焙材料上或在冷却设备中的气体的冷凝增加了最终烘焙产品的疏水性，这通常是烘焙产物的非常期望的特性。

因而，本发明涉及烘焙方法，包括以下步骤：

a)让可选地经预处理的生物质经历烘焙，以形成烘焙材料和烘焙气体；

b)冷却并可选地粒化从步骤a)而来的烘焙材料；

c)将来自步骤b)的至少一部分材料与来自步骤a)的至少一部分烘焙气体和/或烘焙材料混合，从而烘焙气体成分在来自步骤b)的材料上冷凝。

本发明的另一方面涉及一种烘焙系统，包括：

烘焙反应器，用于将可选地经预处理的生物质转换为烘焙材料和烘焙气体；

一装置，其包括用于冷却的器件和可选地用于让烘焙材料颗粒化的器件，所述装置包括连接到烘焙反应器出口的入口；

混合区域，用于混合从烘焙反应器而来的烘焙气体和/或烘焙材料与所述装置而来的材料，从而烘焙气体成分可以冷凝在从所述装置而来的材料上，其中混合区域经由用于材料运输的器件而连接到所述装置的出口。

附图说明

图1显示了包括烘焙反应器的烘焙系统，所述烘焙反应器连接到用于冷却烘焙材料的装置。

图2a和2b显示了两个不同烘焙反应器。

图3和4显示了烘焙反应器中生物质的时间和温度，所述烘焙反应器连接到用于冷却烘焙材料的装置。箭头表示冷烘焙材料的快速冷却（quenchcooling）。

具体实施方式

定义：

烘焙：

一种热预处理方法，在220℃以上但600℃以下的温度下在基本惰性(氧气减少或无氧气)的环节下发生，且其产生烘焙生物质和易燃气体。在烘焙阶段，生物质的一些部分，特别是半纤维素，分解且放出不同类型的有机挥发物。在用原料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上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处于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加热区域上游，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%。

连接区域

在烘焙反应器中的具体区域，相对于所述烘焙反应器的生物质入口位于加热区域紧上游且在烘焙区域紧下游。

烘焙时间：

材料温度实际保持恒定在烘焙温度的时间。材料在烘焙区域中的驻留时间可以称为烘焙时间。

详细描述

在第一方面，本发明涉及烘焙方法，包括步骤：

a)让可选地经预处理的生物质经历烘焙，以形成烘焙材料和烘焙气体；

b)冷却和可选地粒化从步骤a)而来的烘焙材料；

c)将来自步骤b)的至少一部分材料与来自步骤a)的至少一部分烘焙气体和/或烘焙材料混合，从而烘焙气体成分在来自步骤b)的材料上冷凝。

在一个实施例中，步骤b)包括通过冷却设备运输烘焙材料。所述冷却设备可以是鼓，且所述鼓中的运输可通过螺杆调节。在一个实施例中，鼓通过用于冷却的器件冷却，其中用于冷却的器件可以是热交换器。在另一实施例中螺杆被冷却。在优选实施例中，冷却设备为螺杆冷却器（screw cooler）。在另一实施例中，冷却设备包括水施加装置，用于将水施加到烘焙材料。在一个实施例中，来自步骤b)的材料的温度小于100℃。已经通过返回混合（再循环流动）而被冷却的烘焙材料可以通过冷却设备与返回混合（back-mixed）的材料一起被运输，从而烘焙气体可在返回混合的材料上冷凝，特别是在混合期间，但也在冷却设备中。在一个实施例中，烘焙气体也可与烘焙材料和冷颗粒一起被吸入冷却设备。如果烘焙气体被吸入冷却设备，则优选的是在用于烘焙产品的出的口上游的位置处将气体从冷却设备引导到冷却设备以外，从而具有相对高可冷凝成分的气体可用于燃烧。在其他情况下，重要的是获得高疏水性产品且因此气体应该随后从冷却设备释放。因此，根据一个实施例，冷却设备包含在用于烘焙材料的出口的上游的冷却设备气体出口。气体出口例如可以沿冷却设备运动，从而气体出口的位置可被调整。根据另一实施例，在混合区域之后但是在冷却设备之前，烘焙气体被释放到用于冷却烘焙材料的系统以外，以便使得冷却设备的堵塞最小化。在一个实施例中，被释放气体的温度通过控制被冷却烘焙材料（在混合区域供应）的量而被调整。通过调整温度，例如可以在气体中保存有机酸，同时焦油成分在材料上冷凝。

市场上存在对烘焙材料的颗粒的高需求。但是发明人已经发现尤其难以生产具有足够疏水性的烘焙材料颗粒。这大概是由于在颗粒化处理中烘焙材料碎裂(例如被精制或磨碎），从而烘焙材料的疏水表面瓦解且烘焙材料的内部被露出。但是如果颗粒与来自烘焙反应器的烘焙材料混合从而烘焙气体在颗粒的表面上冷凝，则全部颗粒的疏水性增加。由此，在一个实施例中，烘焙材料在步骤b)被颗粒化，且在步骤c)中与来自步骤a)的烘焙材料混合且随后与烘焙材料分开。颗粒化的材料例如可以通过筛，例如网孔筛或通过风筛分而与烘焙材料分开。即分离可以是基于尺寸的，因为颗粒通常比烘焙材料的块小，特别是在从木材碎屑获得时。分离也可以是基于密度的。

在一个实施例中，在步骤a)之前生物质被干燥且可选地被加热，以产生气体，该气体不在步骤b)之前或之中与烘焙气体混合。以此方式，即使它们的一些有机材料已经冷凝在返回混合的材料上，烘焙气体的湿度也可以减小，从而其可以有效地燃烧。

在一个实施例中，生物质是木质纤维生物质，且在优选实施例中，生物质为木材材料，例如木片。

通常，本发明提到的颗粒可通过其他紧实材料（例如型煤）替换。类似地，本发明提到的颗粒化过程通常可通过让生物质固体燃料紧实的其他方法替换，例如型煤生产。本发明的另一方面涉及烘焙系统，包括：

烘焙反应器，用于将可选地经预处理的生物质转换为烘焙材料和烘焙气体；

一装置，其包括用于冷却的器件和可选地用于让烘焙材料颗粒化的器件，所述装置包括连接到烘焙反应器出口的入口；

混合区域，用于混合从烘焙反应器而来的烘焙气体和/或烘焙材料与从所述装置而来的材料，从而烘焙气体可以冷凝在从所述装置而来的材料上，其中混合区域经由用于材料运输的器件而连接到所述装置的出口。

在一个实施例中，混合区域布置在烘焙反应器的出口和装置的入口之间的连接部中。

在装置包括用于让烘焙材料颗粒化的器件时，所述系统例如可以进一步包括用于将颗粒与烘焙材料分离的设备。在一个实施例中，分离设备布置在用于让烘焙材料颗粒化的器件上游的装置中。还有，其可以布置在用于冷却烘焙材料的器件的下游。由此，返回混合的材料和从烘焙反应器而来的烘焙材料可以通过用于冷却的器件一起运输。在一个实施例中，分离设备是筛或网。在一个实施例中生物质是木质纤维生物质，且在优选实施例中，生物质为木材，例如木片。

示例性实施例的详细描述

图1a显示了让烘焙材料1冷却的系统，包括用于将生物质转换为烘焙材料的烘焙反应器2，所述烘焙材料具有高于220℃的温度和烘焙气体。混合区域37在连接到烘焙反应器2的出口的连接部7中，该混合区域设置用于让烘焙材料的冷颗粒与从烘焙反应器而来的热烘焙生物质混合。已经经过混合区域3的烘焙材料与冷颗粒一起供应到冷却设备4，用于进一步让烘焙材料冷却。烘焙气体还可与烘焙材料和冷颗粒一起被吸入到混合区域和/或进入冷却设备4。所述烘焙气体以及从烘焙生物质而来的气体将冷凝在冷却颗粒上，这增加了疏水性和颗粒的能量产生且减小冷却设备4的内表面上的冷凝，由此减少冷却设备4的堵塞。在冷却设备4中烘焙材料的运输通过螺杆冷却器的旋转而调节。冷却烘焙材料离开冷却设备4且颗粒在分离设备5中与被烘焙生物质分离，其中颗粒通过第一颗粒出口8离开用于冷却烘焙材料1的系统。冷却的烘焙生物质被馈送到制粒机6，在其中其被颗粒化为颗粒。这些颗粒的至少一部分经由用于颗粒运输的器件7被供应到混合区域，其中颗粒用于将来自烘焙反应器2的热烘焙材料冷却。可选地，从制粒机而来的一部分颗粒不供应到混合区域。替代地，它们可以从第二颗粒出口9回收。

本领域技术人员可理解，制粒机6、分离设备和第一颗粒出口8可被置于系统以外，从而代替地，从冷却设备4而来的被冷却的烘焙材料的一部分经由用于运输的器件7供回，且被冷却的烘焙材料的另一部分通过颗粒出口9回收。

图2a显示了具有生物质入口21的烘焙反应器，其中通过供送螺杆22生物质被引入到烘焙反应器中。生物质在干燥区域23中被干燥，其中热量通过加热介质(例如热气体)而被供应到干燥区域23，所述加热介质经过干燥区域加热介质入口24，且其中所述加热介质通过干燥区域加热介质出口25离开干燥区域。经干燥的生物质以由生物质入口21中的进给速度调节的速度被运输通过干燥区域23，且进入加热区域26，其中生物质的温度被提高到接近期望烘焙温度的温度。热量通过经过加热区域加热介质入口27的加热介质而被供应到加热区域26，所述加热介质通过加热区域加热介质出口28而离开加热区域。被加热的材料进入第一烘焙区域29，该区域中温度可通过在第一烘焙区域加热/冷却介质入口30中引入加热介质和/或冷却介质而被控制，其中所述加热/冷却介质通过烘焙区域加热/冷却介质出口31离开第一烘焙区域。生物质随后进入第二烘焙区域32，加热/冷却介质可经由烘焙区域冷却介质入口33被供应到第二烘焙区域，且所述加热/冷却介质经由烘焙区域冷却介质出口34离开烘焙区域。加热区域26和烘焙区域29、32中的材料运输通过共同的运输螺杆驱动，所述共同的运输螺杆附接到包围加热区域26和烘焙区域29、32的鼓。

图2b显示了具有生物质入口21的烘焙反应器，其中生物质通过供送螺杆22被引入到烘焙反应器中。生物质在干燥区域23中干燥，其中热量通过经过干燥区域加热介质入口24的加热介质(例如热气体）而被供应到干燥区域23，且其中加热介质通过干燥区域加热介质出口25离开干燥区域。经干燥的生物质以由生物质入口21中的进给速度调节的速度被运输通过干燥区域23，且进入加热区域26，其中生物质的温度被提高到接近期望烘焙温度的温度。热量通过经过加热区域加热介质入口27的加热介质而被供应到加热区域26，所述加热介质通过加热区域加热介质出口28离开加热区域。生物质在加热区域26中的运输通过加热区域运输螺杆调节，所述运输螺杆被固定到围绕加热区域26的鼓的内壁。加热区域中的材料运输由所述鼓的旋转速度控制，且生物质通过连接区域离开加热区域且进入第一烘焙区域29且其后进入第二烘焙区域32。烘焙区域中的温度可通过在烘焙区域的加热/冷却介质入口30、33中引入加热介质和/或冷却介质而被控制，其中所述加热/冷却介质通过烘焙区域加热/冷却介质出口31、34离开烘焙区域。第一烘焙区域29和第二烘焙区域32中的生物质运输通过共同的运输螺杆驱动，所述共同运输螺杆附接到包围第一区域29和第二烘焙区域32的鼓。烘焙区域29、32中的材料运输受到所述鼓的旋转速度的控制，所述鼓可独立于围绕加热区域的鼓旋转。因此烘焙区域中的材料运输可独立于加热区域中的材料运输而被控制。

图3和4显示了图2a和2b公开的烘焙反应器中的不同区域中生物质的典型温度，其中烘焙反应器连接到如图1所示的用于冷却烘焙材料的装置。区域1代表干燥区域2，区域2代表加热区域26，区域3代表第一烘焙区域29且区域4代表第二烘焙区域32。在干燥区域23中，生物质被干燥，通常达到2-10%(w/w)的水含量且温度提高到约100℃。在加热区域26中，材料的温度被提高到接近期望烘焙温度，所述期望烘焙温度在该例子中为350℃。在烘焙区域，温度基本保持恒定在期望烘焙温度达到对应于期望烘焙时间的时间。冷却区域代表用于冷却图1所示烘焙材料的装置。箭头表示混合区域3中的初始快速冷却，且其后在冷却设备4中烘焙材料被冷却到低于100℃的温度，用于进一步冷却烘焙材料。

参考文献

[1]M.J Prins et al.More efficient biomass gasification via torrefaction.Energy2006,31,(15),3458-3470.

[2]P.C.A.Bergman et al.Torrefaction for Entrained Flow Gasification ofBiomass；Report C-05-067；Energy Research Centre of The Netherlands(ECN)：Petten,The Netherlands,July 2005；

[3]K.Hakansson et al.Torrefaction and gasification of hydrolysis residue.16th European biomass conference and exhibition,Valencia,Spain.ETAFIorence,2008.

[4]A.Nordin,L.Pommer,I.Olofsson,K.Hakansson,M.Nordwaeger,S.Wiklund Lindstrom,M.Brostrom,T.Lestander,H.Orberg,G.Kalen,SwedishTorrefaction R&D program.First Annual Report2009-12-18(2009).

Claims (11)

1.一种烘焙方法，包括步骤：

a)让可选地经预处理的生物质经历烘焙以产生烘焙材料和烘焙气体；

b)冷却从步骤a)而来的烘焙材料和可选地让其紧实；

c)将来自步骤b)的材料的至少一部分与来自步骤a)的烘焙气体和/或烘焙材料的至少一部分混合，从而烘焙气体在来自步骤b)的材料上冷凝。

2.如权利要求1所述的方法，其中步骤b)包括

通过冷却鼓借助螺杆运输烘焙材料。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中从步骤b)而来的材料的温度小于100℃。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中烘焙材料在步骤b)被紧实，且在步骤c)中与来自步骤a)的烘焙材料混合且随后从该烘焙材料分离。

5.如权利要求4所述的方法，其中经紧实的材料通过筛分离。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤a)之前生物质被干燥且可选地被加热，以产生气体，所述气体不在步骤b）之前或之中与烘焙气体混合。

7.一种烘焙系统，包括：

烘焙反应器，用于将可选地经预处理的生物质转换为烘焙材料和烘焙气体；

一装置，其包括用于冷却的器件和可选地用于让烘焙材料紧实的器件，所述装置包括连接到烘焙反应器出口的入口；

混合区域，用于将从烘焙反应器而来的烘焙气体和/或烘焙材料与从所述装置而来的材料混合，从而烘焙气体成分可冷凝在从所述装置而来的材料上，其中混合区域经由用于材料运输的器件而连接到所述装置的出口。

8.如权利要求7所述的烘焙系统，其中混合区域布置在烘焙反应器的出口和装置的入口之间的连接部中。

9.如权利要求7或8所述的烘焙系统，其中装置包括用于让烘焙材料紧实的器件，所述系统进一步包括用于将被紧实的烘焙材料与未被紧实的烘焙材料分离的设备。

10.如权利要求9所述的烘焙系统，其中分离设备布置在所述装置中，在用于让烘焙材料紧实的器件的上游。

11.如权利要求8或9所述的烘焙系统，其中分离设备是筛。

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