CN103620001B - 监测和控制烘焙温度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于精确监测和控制烘焙温度的方法和装置，其实现被烘焙材料的质量和性能的精确控制。方法包括使用IR测温仪和热氮气清除气确定烘焙装置中生物质的表面温度。
Description
技术领域
本发明涉及生物质烘焙（torrefaction of biomass）领域。具体说，涉及用于精确监测和控制烘焙温度的方法和装置，其实现被烘焙材料的质量和性能的精确控制。
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展示为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，以有助于生物质原材料扩大市场。烘焙是一种热预处理方法，其发生在基本惰性（无氧气）的环境在约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，其中材料实际上被烘焙，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
对烘焙产物的质量和性能的需求因产品的目的用途而显著地不同。发明人已经认识到，为了产生具有期望特点的烘焙产品，决定性的是能精确地控制烘焙温度。由此，重要的是能以正确且可靠的方式在烘焙处理过程中测量生物质的材料温度。当前，烘焙过程中温度通过依赖于烘焙装置中气体温度测量的方法而测量，或通过测量烘焙反应器的表面温度而被测量。发明人已经证实，烘焙反应器中气体温度的测量或烘焙反应器的表面温度给出生物质的实际温度的假指示。另外，气体温度和材料温度之间的差随被烘焙的木质纤维材料的种类而变化。发明人已经由此意识到需要用于改进监测和控制生物质烘焙处理过程的改进的方法。
通过一种监测生物质烘焙处理过程的方法，发明人已经解决如上所述的问题，其中烘焙装置中生物质的表面温度被确定。本发明进一步涉及控制生物质烘焙处理过程的方法，其包括步骤：
a）在烘焙处理过程中监测生物质的表面温度以获得表面温度值；
b）将表面温度值与参考值比较；和
如果表面温度值低于参考值，则
c1）增加处理过程的加热，减少处理过程的冷却或增加生物质在处理过程中的驻留时间；和/或
如果表面温度值高于参考值，则
c2）减少处理过程的加热，增加处理过程的冷却或减少处理过程中生物质的驻留时间。
本发明的另一方面涉及具有用于加热和/或烘焙的区域的烘焙装置，其中红外线测温仪布置在该区域从而进入该区域、在该区域中或离开该区域的材料的表面温度可被测量，且其中清除气体（purge gas）出口布置在IR测温仪处从而清除气体可以被供应到IR测温仪的透镜和材料之间的空间。
附图说明
图1显示了烘焙装置，其包括用于测量烘焙装置中表面温度的IR测温仪。
图2显示了布置在公用的端部开口管中的清除气体出口和IR测温仪，用于在烘焙装置中测量表面温度。
图3显示了在稳态条件下在同一烘焙过程期间得到的IR测温仪测量值，其使用冷氮气或热氮气除去IR活性气体，并防止烘焙气体中可冷凝物质的冷凝。
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）的环境下发生，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，分解且给出不同类型的有机挥发物。在用原始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：
烘焙装置中容纳室（compartment）的具体区域，相对于烘焙装置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：
烘焙装置中容纳室的具体区域，相对于烘焙装置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。
连接区域：
烘焙装置中的具体区域，相对于所述烘焙装置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：
材料温度被保持基本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
目前，烘焙过程中的温度通过依赖于烘焙装置中气体温度测量的测量方法而被测量，或通过测量烘焙反应器的表面温度而被测量。发明人证实了这类测量给出了生物质实际温度的虚假指示。而且，气体温度和实际的材料温度之间的差因被烘焙的木质纤维材料的种类而不同。发明人进一步证实生物质表面温度的测量给出了实际材料温度的可靠值，且由此该值可用于控制烘焙处理并产生具有期望特性的烘焙材料，见例子1。
本发明的第一方面由此涉及用于监测生物质烘焙处理的方法，其特征在于烘焙装置中生物质的表面温度被确定。
在第二方面，本发明涉及控制生物质烘焙处理的方法，包括步骤：
a）监测表面温度以获得表面温度值；
b）将表面温度值与参考值比较；和
如果表面温度值低于参考值，则
c1）增加处理过程的加热，减少处理过程的冷却或增加生物质在处理过程中的驻留时间；和
如果表面温度值高于参考值，则
c2）减少处理过程的加热，增加处理过程的冷却或减少处理过程中生物质的驻留时间。
在一个优选实施例中，烘焙装置中生物质的表面温度使用红外线（IR）测温仪确定，例如使用点红外线测温仪或红外线高温测温仪。在一个实施例中，IR测温仪通过冷却介质冷却，以避免IR测温仪过热。冷却介质可以是液体相或气体相。在一个实施例中，冷却介质为例如水或导热油这样的液体，且在另一实施例中冷却介质是气体或例如空气这样的气体混合物。
IR测温仪优选在前部具有透镜，其主要将IR光束聚焦，且还保护内部电子器件。发明人已经意识到来自烘焙气体的可冷凝物质可以在透镜上冷凝且与来自烘焙材料的IR辐射干涉。发明人已经进一步意识到，在烘焙处理期间生物质释放的若干种气体是对IR活性的。由此，这样的气体可进一步干扰IR测温仪的测量。因此，在一个优选实施例中，惰性非红外线活性气体流被供应到在IR测温仪透镜和生物质之间的空间中，以除去IR活性气体，且防止烘焙气体中可冷凝物质在透镜上冷凝。
此外，发明人已经意识到，如果惰性非红外线活性气体不足够热，则烘焙气体中可冷凝物质可以在IR测温仪的透镜和生物质之间的空间中冷凝。因此，为了获得可靠的测量，非红外线活性气体应该在其被引入到IR测温仪的透镜和生物质之间的空间中之前被加热。因此，在另一优选实施例中，清除气体出口处惰性非红外线活性气体的温度高于150℃，例如高于200℃，例如高于250℃，例如高于300℃，例如高于350℃，例如高于400℃，例如高于450℃。优选地，IR测温仪和生物质之间的空间中的稀有气体（noble gas）温度足够高，以避免烘焙气体的冷凝和避免生物质的冷却。但气体的温度不应该高到加热烘焙处理中的生物质温度的程度。优选地，IR测温仪和生物质之间的空间中稀有气体的温度接近烘焙温度，例如在150℃到750℃的范围，例如220℃到750℃，例如220℃到700℃，例如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，例如240-500℃，例如240-400℃，例如240-350℃，例如270-350℃。最优选地，IR测温仪和生物质之间的空间中稀有气体的温度比温度测量时生物质的表面温度高测量约30℃，例如高5-50℃，例如高10-50℃，例如高10-40℃，例如高20-40℃。在一个优选实施例中，惰性的非红外线活性气体为氮气或稀有气体。在不太优选的实施例中，使用不完全IR惰性的、而是在IR测温计波普范围内具有低红外线活性的气体代替惰性的非红外线活性气体。这种气体的例子为CO2、NO2、CO、NO、蒸汽，和所述气体的不同混合物。
被引入的惰性的非红外线活性气体的量应该足够高以除去IR活性气体，且防止烘焙气体中可冷凝物质在透镜上冷凝。惰性的非红外线活性气体的所述量将根据烘焙装置、IR测温仪的布置以及烘焙温度而变化，但是可以在1ATM的压力处例如在2-100l/min的范围内，例如2-50l/min，例如5-100l/min，例如5-50l/min，例如5-25l/min。
在另一实施例中，在温度测量时生物质的表面温度为220℃到600℃的范围，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℃。在一个优选实施例中，生物质由木质纤维生物质所代表。
本发明的另一方面涉及具有用于加热和/或烘焙的区域的烘焙装置，其中红外线测温仪布置在该区域，从而进入该区域、在该区域中或离开区域的材料的表面温度可被测量，且其中清除气体出口布置在IR测温仪处，从而清除气体（惰性的非红外线活性气体）可以供应到IR测温仪的透镜和材料之间的空间。在一个实施例中，红外线测温仪的透镜和清除气体出口布置在公用的端部开口管中，所述管延伸到区域中从而开口端部面对所述材料。由此，在操作期间，清除气体将通过管的开口端部流出。
在一个其他实施例中，烘焙装置包括至少一个加热区域和至少一个烘焙区域，且烘焙装置包括材料运输装置，使得烘焙区域（一个或多个）中材料的驻留时间可与加热区域（一个或多个）中的驻留时间分开地控制，且其中烘焙区域（一个或多个）位于与加热区域（一个或多个）不同的容纳室中，且其中两个容纳室通过连接区域连接，且其中红外线测温仪布置在所述连接区域中。
在一个实施例中，红外线测温仪为点红外线测温仪或红外线高温测温仪。
在另一实施例中，连接区域中的材料运输通过重力或通过机械手段实现。在另一实施例中，连接区域位于烘焙装置的容纳室中，所述容纳室不由旋转容纳室代表。在一个实施例中，连接区域中的材料运输不由包围连接区域的容纳室的旋转实现。在一个实施例中，清除气体出口连接到气体缸体，所述气体缸体包括所述惰性的非红外线活性气体。在另一实施例中，所述缸体包括氮气或稀有气体。
示例性实施例的详细描述
图1显示了烘焙装置，其具有生物质入口1、加热区域2（布置在鼓中），其中材料被加热到接近烘焙温度的温度，还具有生物质被烘焙的烘焙区域4（也布置在鼓中）。加热区域2中生物质的运输通过加热区域运输螺杆调节，所述加热区域运输螺杆通过加热区域运输螺杆引擎3驱动。烘焙区域4中生物质的运输通过烘焙区域运输螺杆调节，所述烘焙区域运输螺杆通过烘焙区域运输螺杆擎5驱动。运输螺杆引擎3、5可以布置为让整个鼓旋转，在这种情况下螺钉被固定到鼓，或仅让螺杆旋转。烘焙材料通过生物质出口6离开烘焙区域且其后在用于快速冷却的器件7（例如水施加设备）处被快速冷却，且进一步通过用于进一步冷却的器件8冷却，其可以是螺杆冷却器。从加热区域2和烘焙区域4而来的烘焙气体从烘焙气体出口9被收集，以用于燃烧或处理。烘焙装置中生物质的表面温度在烘焙装置中的不同位置处被使用IR测温仪10、11、12测量。第一IR测温仪10被布置在连接区域中，所述连接区域位于加热区域和烘焙区域之间。该IR测温仪可被调整以测量加热区域的末端中、在连接区域中或在烘焙区域头部中的生物质的表面温度。第二IR测温仪11位于生物质出口6中，且可被调整以测量生物质出口中的或在烘焙区域末端中的生物质的表面温度。第三IR测温仪12位于用于快速冷却的器件7之后且在用于进一步冷却的器件8之前。该IR测温仪可在进一步冷却之前测量经快速冷却的生物质的表面温度。
图2显示了用于在烘焙装置中测量生物质32（例如木片）的温度的IR测温仪21。IR测温仪21包括在前部的透镜22，其主要用于将IR光束聚焦，且还保护内部电子器件。透镜22位于端部开口管23中，所述管穿过烘焙装置的壁33延伸到烘焙装置的内部，例如进入烘焙区域，从而管23的开口端部34面对生物质32。惰性的非红外线活性清除气体流被引入到清除气体加热器24的清除气体入口27。在气体经由清除气体出口28进入端部开口管23之前，气体在清除气体加热器24中被加热到高于150℃。清除气体加热器24包括加热介质入口25和加热介质出口26。清除气体流过端部开口管23，且在其朝向开口端部34运动时可以通过烘焙装置中的热量被进一步加热。在端部开口管23的开口端部34处，清除气体的温度通常接近烘焙温度。在清除气体进入生物质32和开口端部34之间的空间时，从生物质32释放的IR活性气体被移走且生物质32的表面温度通过IR测温仪21检测。为了避免IR测温仪21过热，通过在IR测温仪21的冷却区域29中通过冷却介质入口31引入冷却介质而冷却IR测温仪21。冷却介质通过冷却介质出口30离开冷却器29。
图3显示了在同一烘焙过程中在稳态条件下进行的IR测温仪测量，其使用热和冷的氮气以除去IR活性气体和防止烘焙气体中可冷凝物质的冷凝。其证实了在保护气体是热的时IR测温仪测量更精确。冷气体测量的平均温度比热气体测量的平均温度更低，大概是因为采用冷气体时烘焙气体中物质的冷凝造成的。
例子
例子1
以上表格显示了在使用旋转鼓作为反应器的连续烘焙试验场中执行四种不同烘焙试验的结果。在同一试验期间，环境温度（即烘焙反应器中气体的温度）、反应器壁表面温度和生物质表面温度被测量。通过N型热电偶，环境温度在距反应器端部10cm处且距生物质约5-10cm处被测量。反应器表面温度在旋转反应器外部通过N型热电偶测量。生物质表面温度通过IR测温仪（Heitronics CT09，波谱范围8-14pm）测量，在所有情况下使用热的氮气且在两种情况下还使用冷的氮气。
结论1：表格中差#1显示了环境温度（即烘焙反应器中气体的温度）对于确定烘焙温度不是有用的，因为测量值与生物质表面温度（使用热氮气的IR测温仪）不规则地偏离。
结论2：差#2显示了反应器表面温度测量对于确定烘焙温度不是有用的，因为测量值与生物质表面温度（使用热氮气的IR测温仪）不规则地偏离。
结论3：差#3显示了IR测温仪测量值在热和冷氮气之间不规则地偏离。与例子2中的信息一起，清楚的是，对于烘焙温度的判断来说，热氮气的使用优选优于冷氮气的使用。
例子2
图3显示了在稳态条件下同一烘焙过程期间得到的IR测温仪测量值。在热气体测量之前进行大约3h的冷气体测量。在清除气体出口处冷气体具有30℃的温度且热气体在该情况下具有约320℃的温度。冷氮气的使用具有约40-50℃的不确定性且测量值在每10ms读取之间具有高达32℃的差异。而热气体的使用限制了低于10℃的测量差距，且在每10ms读取之间测量值可存在达到6℃的差异。在使用热气体时大部分温度差距可归因于，在鼓每一次旋转在几秒中IR测温仪在钢鼓上测量而不在烘焙木材上测量。冷气体冷却烘焙气体，从而可冷凝的物质在气体中冷凝且由此给出假的读数。从如上所述的试验中，清楚的是，在氮气是热的时IR测温仪测量值更精确且因此可以解释测量中的大部分变化。冷气体测量的平均值比热气体测量值更低，大概是烘焙气体中的可冷凝物质造成的。
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Claims (12)
1.一种用于监测生物质的烘焙的处理过程的方法，其特征在于，烘焙装置中生物质的表面温度使用IR测温仪而被确定，且其中惰性的非红外线活性气体流被供应到IR测温仪的透镜和生物质之间的空间，且其中清除气体出口处惰性的非红外线活性气体的温度高于150℃，或高于200℃，或高于250℃，或高于300℃，或高于350℃，或高于400℃，或高于450℃。
2.一种控制生物质烘焙处理过程的方法，包括步骤：
a)使用根据权利要求1所述的方法监测表面温度，以获得表面温度值；
b)将表面温度值与参考值比较；和
如果表面温度值低于参考值，则
c1)增加处理过程的加热，减少处理过程的冷却或增加生物质在处理过程中的驻留时间；和/或
如果表面温度值高于参考值，则
c2)减少处理过程的加热，增加处理过程的冷却或减少处理过程中生物质的驻留时间。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中惰性的非红外线活性气体为氮气或稀有气体。
4.如权利要求3所述的方法，其中惰性的非红外线活性气体为氮气。
5.如权利要求1所述的方法，其中在温度测量时，生物质的表面温度为220℃到600℃的范围，或220-500℃，或220-450℃，或220-400℃，或230-600℃，或230-500℃，或230-450℃，或230-400℃，或240-500℃，或240-400℃，或240-350℃，或270-350℃。
6.如权利要求1所述的方法，其中生物质为木质纤维生物质。
7.一种烘焙装置，具有用于加热和/或烘焙的区域，其中红外线测温仪布置在该区域处，使得进入区域、在区域中、或离开区域的材料的表面温度可被测量，且其中清除气体出口布置在IR测温仪处，从而惰性的非红外线活性气体可以供应到在IR测温仪的透镜和材料之间的空间。
8.如权利要求7所述的烘焙装置，其中红外线测温仪的透镜和清除气体出口布置在一公用的端部开口的管中，该管延伸到区域中，从而开口端部面对所述材料。
9.如权利要求7或8所述的烘焙装置，其中所述清除气体出口连接到气体容器，其包括所述惰性的非红外线活性气体。
10.如权利要求9所述的烘焙装置，其中所述气体容器含有氮气或稀有气体。
11.如权利要求7所述的烘焙装置，包括至少一个加热区域和至少一个烘焙区域，且其中烘焙装置包括材料运输装置，从而烘焙区域中材料的驻留时间可与一个或多个加热区域中的驻留时间分开地控制，且其中烘焙区域位于与加热区域不同的容纳室中，且其中两个容纳室通过连接区域连接，且其中红外线测温仪被布置在所述连接区域中。
12.如权利要求11所述的烘焙装置，其中连接区域位于烘焙装置的容纳室中，烘焙装置的容纳室不由旋转容纳室所代表，且其中连接区域中的材料运输不通过包围连接区域的容纳室的旋转实现。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant |