CN103768996B - 从反应器到分离器的管道系统和控制工艺流程的方法 - Google Patents

Abstract

用于生物质材料的蒸汽喷发处理的设备，包括容纳生物质材料和蒸汽的加压反应容器，将加压反应容器连接到分离装置的排放管，该管的大小和位置适于生物质材料的蒸汽喷发。在排放管的出口端是将每个排放管的出口端连接到收集管的收集‑扩张歧管，其中，收集管为从排放管流出的生物质材料和蒸汽提供通道。收集管通道具有基本大于一个单个排放管横截面积的横截面积。收集管连接到分离装置，使分离装置接受来自收集管的生物质材料和蒸汽。

Description

从反应器到分离器的管道系统和控制工艺流程的方法

已有申请的交叉引用

本申请要求2012年10月24日提交的美国申请61/717,684的优先权，其全部内容以引用的方式结合到此。

背景技术

现有的蒸汽喷发系统通常由反应容器、管道系统和分离装置构成。反应容器保持压力下充满蒸汽的生物质材料。当充满蒸汽的生物质材料从反应容器输送到分离装置时，在管道系统中迅速减压。分离装置重新捕捉蒸汽和其他希望的气体。

管道系统通常易于被流过的生物质材料堵住、挡住或阻塞。被阻塞时，传统的蒸汽喷发系统日常保养通常需要关闭。这会导致产量的损失。许多管道系统具有有利于这个问题的特征。

发明内容

在蒸汽喷发系统中，由于使用过多的蒸汽会增加产品成本，对这些管道系统中的管道而言，具有小的直径来最小化蒸汽消耗是希望的且典型的。小管道直径于有助于实现这个目的，但这些小的直径还会带来阻塞。

管道系统中的管道典型包括几个诸如阀门、弯管、弯头和长通道几个节流装置。阀门有时设定在部分打开位置来获得希望的不同的生物质材料和蒸汽的流速。这些部分打开的阀门表现为管道内易于抓住生物质材料的沉积物的阀门边缘。当这些生物质的沉积物堆积，管道被堵住、挡住或阻塞。

此外，接近声速的流速在伴随从反应器到分离装置高的压力降运转的系统中是很典型的。结果，阀门和管道系统中其他可移动部件会频繁磨损，需要修理或更换。

减少管道系统中堵住、挡住或阻塞数量的努力通常涉及缩短反应容器和分离装置之间管道的长度。管道的直径也可以增加，但这需要增加蒸汽的使用量。缩短管道减少生物质沉积物被抓住的表面积和边缘。缩短管道，反应容器和分离装置必须物理上彼此靠近。空间限制和其他设备增加最接近地安装反应容器和分离装置的困难。

允许一个装置来调节从反应容器到分离装置的蒸汽流同时，对用于蒸汽喷发系统的管道系统，少受生物质沉积物的影响且具有相对少的易于磨损部件是一个长期的切身需求。

本发明总体涉及用于从加压反应容器流出的蒸汽和生物质材料混合物的管道系统，具体涉及用于蒸汽喷发过程的加压反应容器和分离装置之间的管道系统。这个实施例允许蒸汽和生物质材料流过管道系统，管道系统可以通过改变管道长度和调整收集-扩张歧管相对于加压反应容器排放管的位置来调节。

构想一个方法和系统来控制或限制来自加压反应容器的蒸汽流，加压反应容器通过管道系统连接到分离装置。为了本发明的目的，“管道系统”或“管道”指用于蒸汽喷发系统的任何导管。蒸汽喷发系统包括加压反应容器、如具有至少一个排放管的蒸汽喷发加压反应容器，其排放管允许生物质和蒸汽从加压反应容器流到排放管连接到一个单个导管的点。这个导管被称作“收集管”，而排放管连接到的点被称作“收集-扩张歧管”。当生物质材料和蒸汽流过收集-扩张歧管，会发生快速的压力释放。当生物质材料流过收集管进入分离装置时，这个快速的压力释放引起生物质材料经历蒸汽喷发过程。

每个单个的排放管可以具有不同于其他单个排放管的直径。在其他实施例中，两个或更多排放管基本具有相同的直径。每个单个排放管也可以在入口端具有一个阀门。这些阀门用于控制生物质材料和蒸汽进入每个单个排放管的流速。使用这些阀门和不同直径的排放管，操作者可以调节来自加压反应容器的生物质材料和蒸汽的流速。

排放管的长度也可以改变，从而调整生物质和蒸汽通过排放管的流速。通过增加或移除管道长度可以调整收集-扩张歧管到反应容器出口的接近，从而调整正常操作条件下流出加压反应容器的生物质材料和蒸汽的数量。此外，如果需要，还可以有如喷管衬套、量孔板和阀门的其他的可选的部件被用于调节生物质材料和蒸汽通过排放管的流速。另外，在用于排放管入口端的一个或多个开口中的阀门限定了液流通道。这个“液流通道”指排放管的内直径，其和给定阀门的直径不变。液流通道的横截面积大于或小于在另一个排放管的另一入口端的另一阀门的横截面积。例如，一个或两个阀门限定液流通道，该通道的横截面积是由其他阀门限定的液流通道横截面积的一半。

构想的用于生物质材料蒸汽喷发处理的设备包括：构造成容纳生物质材料和蒸汽的加压反应容器，至少一个排放管连接到该加压反应容器的出口，其中，至少一个排放管具有一横截面积，且至少一排放管构造成接收从加压反应容器排出的生物质材料和蒸汽，一收集-扩张歧管连接到至少一个排放管的出口端，具有一入口的收集管连接到收集-扩张歧管，其中该收集管构造成接收从至少一个排放管出口端流出的生物质材料和蒸汽，其中，收集管的横截面积基本大于至少一个排放管的累积横截面积，分离装置连接到收集管的出口端来接收来自收集管的生物质材料和蒸汽，该分离装置包括气体出口和生物质材料出口。

每个排放管的长度基本小于收集管的长度。更常见，每个排放管的长度基本小于常规系统中和从加压反应容器出口到分离装置入口的管道的总长度。在常规系统中，排放管将加压反应容器连接到分离装置。在一些实施例中，通过排放管的每个排放管的内部通道直径是一致的。每个排放管的内部通道直径可以在很宽范围变化。在一些实施例中，内部通道直径在0.125英寸到120英寸范围内。此外，对于尺寸两米乘三米的加压反应容器，内部通道直径在0.25英寸到6.0英寸，或0.125英寸到0.75英寸，或1.0英寸到2.5英寸，或上限是4.0英寸。

至于收集-扩张歧管，可以是个平板，具有连接到排放管的收集-扩张歧管的第一侧和连接到收集管和贯通收集-扩张歧管的开口的相对侧，收集管和开口每个与排放管中的一个对准。

至于收集管，其内部通道直径可以至少两倍到四百倍于一个单独排放管的通道的横截面积。收集管入口压力可以基本小于排放管出口压力，如小于四分之三，甚至小于一半。一阀门，如全开阀，可以放置在加压反应容器和每个排放管的入口之间或排放管内。排放管的数量至少为两个或三个或更多。一个单独的排放管喂给一个单一的收集管，可以具有多个分开的收集管。单个的收集管组合成向下进入管道系统的另一个收集管。

在另一实施例中，用于生物质材料蒸汽喷发处理的设备包括：在反应容器出口处从加压反应容器延伸的至少一个排放管，至少一个排放管具有一横截面积，且至少一排放管构造成接收从加压反应容器排出的生物质材料和蒸汽，一收集-扩张歧管连接到至少一个排放管的出口端，具有一入口的收集管连接到收集-扩张歧管，其中该收集管构造成接收从至少一个排放管流出的生物质材料和蒸汽，其中，收集管的横截面积基本大于至少一个排放管的横截面积，分离装置连接到收集管的出口端，该分离装置构造成接收来自收集管的生物质材料和蒸汽。

蒸汽喷发处理的方法包括：加压并灌入生物质材料和蒸汽，加压并灌入的生物质材料和蒸汽通过多个排放管，来自每个排放管的加压并灌入的生物质材料和蒸汽通过收集-扩张歧管并进入收集管，当灌入的生物质材料从收集-扩张歧管进入收集管时快速释放灌入的生物质材料的压力，随着压力快速减小的蒸汽喷发过程处理灌入的生物质材料，然后将蒸汽分解的生物质材料经过收集管输送到分离装置，在分离装置中，从随蒸汽分解的生物质材料流入收集管的气体中分离蒸汽分解的生物质材料。这个分离装置可以是旋风分离器、重力沉降槽、冲击式分离器或用于从混合物从回收气体的任何其他分离装置。

生物质材料通过排放管经过的距离基本小于生物质材料通过收集管的距离。另外，生物质材料和蒸汽通过排放管经过的距离基本小于常规系统中从反应容器出口到分离装置入口管道的总长度。例如，排放管可以是从反应容器出口到分离装置入口经过的管道总长度的10%到60%，取决于专门项目设备布局。至少一个排放管可以通过加压反应容器和至少一个排放管入口端之间的阀门关闭生物质材料同时，至少一个其他排放管对生物质材料和蒸汽中开放。

附图说明

图1是显示了加压反应容器、排放管、收集-扩张歧管、收集管和分离装置的侧视图的工艺流程图。

图2是显示了加压反应容器、排放管、收集-扩张歧管、收集管和分离装置的俯视图的工艺流程图。

图3是加压反应容器的部分、喷管衬套、阀门、量孔板和到排放管的入口端的实施例的示意图。

图4是收集-扩张歧管的端部示意图。

图5是收集-扩张歧管的侧部示意图。

具体实施方式

图1和2显示了蒸汽喷发过程，在那，加压蒸汽被灌入生物质材料，如木质纤维素材料中。通过快速释放压力，蒸汽在生物质材料中膨胀并使纤维素材料的细胞破裂或除去生物质材料的纤颤。生物质材料可以是木质纤维素材料。木质纤维素材料包括但不限于植物材料，如木头、木片、锯木厂和造纸厂丢弃物、玉米秸秆、甘蔗渣和其他农业废料、专门的能源作物、公共造纸废水和其他由纤维素、半纤维素和木质素组成的任何生物质材料。

在这个蒸汽喷发处理用的设备的实施例中，加压反应容器20通过高压传输送装置12接收生物质材料10，输送装置将生物质材料10传送到加压反应容器20内的高压环境中。生物质材料10可以连续流入加压反应容器20中，在其他实施例中，生物质材料10可以批量、半间歇或半连续加入加压反应容器20中。

蒸汽14加入加压反应容器20来增加生物质材料10的能量。该能量提高加压反应容器20中生物质材料10的温度和压力。加压反应容器20中的温度在120℃到300℃范围，可能是150℃到260℃，也可能是160℃到230℃。生物质材料10的温度也可以超过这个范围，取决于生物质的材料的类型和生物质经历的蒸汽喷发过程。

加压反应容器20可以具有多个反应容器出口21。每个反应容器出口与阀门22和至少一个排放管24联通。每个排放管24具有一连接到收集-扩张歧管26的排放管出口端27。收集-扩张歧管26连接每个排放管出口端27和单个大直径收集管28。

来自排放管24的蒸汽和生物质材料流经过收集-扩张歧管26，然后进入并在收集管28合并。收集-扩张歧管26到生物质材料和蒸汽流出加压反应容器20的位置可以通过增加或移除管道长度来调整，从而调节正常操作条件下流出加压反应容器20的蒸汽量。在收集管入口29处压力基本小于每个对生物质材料和蒸汽开放的排放管出口端27处的压力，如小于四分之三，甚至小于一半。快速压力释放发生在生物质材料和蒸汽流经收集-扩张歧管26和进入收集管28时。快速压力释放导致生物质材料在流入收集管28时经历蒸汽喷发过程。

收集管28的横截面积基本大于一个或多个排放管24的横截面积，甚至基本大于排放管24横截面积的总和。根据两个中的至少一个因素，收集管28的横截面积基本大于任何一个排放管24的横截面积。在其他实施例中，根据五个中的至少一个因素或六个中的至少一个因素，收集管28的横截面积大于任何一个排放管的横截面积。横截面积变化可以通过突然的管道扩大、一个台阶或一系列台阶、圆锥形段、偏心和同心的管道渐缩管、管道异径接头或其他渐进方式来改变管道直径来完成。

收集管的入口29在收集-扩张歧管26处，虽然可以使用任何分离装置，在这实施例中，旋风分离器30与收集管28联通。旋风分离器30可以用于分离来自收集管28的蒸汽喷发的生物质和蒸汽，以产生加工过的生物质32和气体34。这里可以是多个旋风分离器30和多个收集管28。

每个排放管24的长度可以相对较短，如0.4米到30米。限制排放管24的长度减少排放管24的较小直径通道的内部表面积（被称作“打湿的”表面积），并允许排放管24相对自由的管道配件、弯管、弯头和收集生物质沉积物的其他潜在的来源。此外，用于至少一个排放管24的内通道直径的横截面积可以不同于连接到加压反应容器20的另一个或多个排放管24的横截面积，如大约百分之五十或百分之百。

多个排放管24可以通过阀门22单独打开关闭，通过选定的开启的排放管提供一定范围的生物质材料和蒸汽流速。例如，通过只打开一个阀门22关闭剩下的阀门22来获得相对低的流速，从而使生物质材料和蒸汽流只通过排放管24中的一个。生物质材料和蒸汽的流速可以通过打开其他的每个排放管24的阀门22来逐渐增加。如果排放管24具有不同的内部通道直径横截面积，通过选择性地开启和关闭阀门22选定的流速的数量可以大于排放管24的数量。例如，如果至少除了一个的全部排放管24的生物质和蒸汽通道横截面积两倍（大于100%）于剩下排放管24的内部通道直径横截面积，剩下的排放管24可以打开或关闭来提供流量的半阶的增量，这发生在阀门22打开或关闭其他排放管24时。

一个或多个排放管24中每个具有相对自由的控制装置，如节流阀、喷管衬套、异孔径阀门、量孔板和其他节流装置。在反应容器出口21处的排放管入口端处的阀门22可以是每个排放管24内的唯一的控制装置。为了控制从加压反应容器20来的蒸汽和生物质材料的流量，阀门22可以在全部开启、部分开启或全部关闭操作位置来选择一个或多个排放管24作为蒸汽和生物质材料的通道。最小化排放管24内的节流装置减少排放管24被生物质材料和/或外来杂质堵住、挡住或阻塞的趋势并减少由于节流装置磨损而失效的危险。

收集管28是较大直径的管道，具有接触生物质材料和蒸汽的光滑的潮湿表面。由于收集管具有较大内直径和较大横截面积，收集管28更少被收集管28潮湿表面的生物质沉积物堵住、挡住或阻塞。

由于收集管28的大直径，它比排放管24延伸更长的距离，而没有被生物质沉积物堵住、挡住或阻塞的巨大危险。收集管28的长度基本长于排放管24的任何一个，如是一个或多个排放管24的每个长度的两倍到20倍

图3是个示意图，显示了至少一个，可能两个或多个排放管24安装到加压反应容器20上。每个排放管24和加压反应容器20之间的连接可以基本与图3所示的连接相同。加压反应容器20的侧壁36具有一个开口-反应容器出口21，允许生物质材料和蒸汽流出加压反应容器20并进入排放管24。柱状的出口40围绕着开口-反应容器出口21，并安装到侧壁36的外表面。柱状出口40支撑连接加压反应容器20和排放管24的阀门22。可选择的喷管套管42可以安装在反应容器出口21创建的开口中，为从加压反应容器20到排放管24的蒸汽和生物质材料提供光滑的、低阻力路径。喷管衬套42可以在开口-反应容器出口21或柱状出口40内。喷管衬套42是可替换的衬套并用于减少反应容器出口21创建的开口，使该开口符合排放管24内的液流通道的直径。如果排放管24被具有不同直径的排放管24替代，喷管衬套42可以被移除，也可以用具有不同尺寸通道的喷管衬套42来替代。用于此的喷管衬套42类似于共同待决的美国申请13/029,801所描述的那些，该申请以引用方式结合在此，并附上一份副本。

正常操作期间，如果相应的排放管24被选定为活跃的，阀门22具有全开启位置，其不限制生物质材料和蒸汽流通过阀门22。如果排放管被选定为不活跃的，阀门22具有全关闭位置，完全阻挡来自排放管24的生物质材料和蒸汽流通过阀门22。

量孔板44放置在阀门22和一个或多个排放管24之间。量孔板44可以是环形的，且具有一允许生物质材料和蒸汽流入一个或多个排放管24的通常的圆孔46。量孔板44中通常的圆孔46大小为获得限制生物质材料和蒸汽流入排放管24的期望流速。各种的量孔板44可用于放置在阀门22和排放管24之间。选定量孔板44的一个在排放管24的入口处获得希望的限流。量孔板44、喷管衬套42、阀门22、排放管24、收集-扩张歧管26和收集管28可以由如金属、硬的聚合材料或选定承受生物质材料、蒸汽和其他环境研究的化学品的陶瓷材料形成。

图4和5是收集-扩张歧管26的端视图（图4）和侧视图（图）。收集-扩张歧管26是具有外圆环52的环形金属板，外圆环52充当在收集管28的入口处配合法兰48的连接法兰。外圆环52和法兰48上配合的圆形阵列的螺栓孔50为将收集-扩张歧管26固定在收集管28上的连接螺栓提供通道。在另一个实施例中，收集-扩张歧管26通过如焊接的其他方式连接到收集管28上。图4中的环形虚线表示通过收集管28的通道的周界。

排放管出口端27连接到收集-扩张歧管26的一侧，收集管28的入口连接到收集-扩张歧管26的另一侧。排放管24与延伸通过收集-扩张歧管26表面的螺栓孔50对准。排放管24的排放管出口端27通过焊接到收集-扩张歧管26上来固定到收集-扩张歧管26（如图5所示），通过每个排放管24上的法兰螺栓连接到收集-扩张歧管26或以其他一些方式连接。当生物质材料和蒸汽流过排放管24、流过收集-扩张歧管26并进入收集管28时，他们的流量可能没有限制。连接到收集管28的收集-扩张歧管26的侧面包括多个允许磨损的喷管衬套容纳在每个排放管24的出口处的凹槽。这种布局允许更换磨损的收集-扩张歧管26零件，而不需要更换整个的收集-扩张歧管26。

单独的喷管或喷管组合的选项用于在收集-扩张歧管26之前、中间、附近或之后注入水或化学品。

可以选择收集-扩张歧管26的位置和收集管28的长度来获得相对短的排放管24，并因此减少由于生物质沉积物和/或外来杂质在管线中堵住、挡住或阻塞的危险和适应工厂布局和已有设备。此外，收集-扩张歧管26可以替换来允许排放管24数量的变化。在其他实施例中，收集-扩张歧管26可以具有用于收集-扩张歧管26原始安装后可能增加的额外的排放管24的连接。

结合目前最实用且优选的实施例描述了本发明，应该理解，本发明不是限制公开的实施例，相反，覆盖包含在所附权利要求精神和范围内的不同修改和等同布局。

Claims (16)

1.用于生物质材料的蒸汽喷发处理的设备，包括：

构造成容纳生物质材料和蒸汽的加压反应容器；

至少两个排放管，连接到加压反应容器的出口，其中，所述至少两个排放管具有横截面积，且所述至少两个排放管构造成接收从加压反应容器排出的生物质材料和蒸汽；

一收集-扩张歧，管连接到所述至少两个排放管的出口端；

具有一入口的收集管，连接到收集-扩张歧管，其中该收集管构造成接收从所述至少两个排放管出口端流出的生物质材料和蒸汽，其中，收集管的横截面积基本大于所述至少两个排放管的累积横截面积，

分离装置，连接到收集管的出口端来接收来自收集管的生物质材料和蒸汽，该分离装置包括气体出口和生物质材料出口。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少两个排放管的每一个的长度基本小于收集管的长度。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，收集管的横截面积是所述至少两个排放管的任何一个的横截面积的至少两到四百倍。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，收集管入口的压力基本小于排放管出口的压力。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，进一步包括用于所述至少两个排放管的每个的阀门，每个阀门定位在反应容器和所述至少两个排放管入口之间。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，每个阀门具有全开启和全关闭操作位置。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，每个排放管的内直径基本与全部每个排放管一致。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，至少一个排放管的内部直径的横截面积大于另一个排放管的横截面积。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，多个排放管中的至少一个的内部直径的横截面积小于多个排放管中至少另一个排放管的横截面积。

10.根据权利要求1所述的设备，其中，进一步包括多个收集管，每个收集管构造成接收来自至少一个排放管的生物质材料和蒸汽。

11.蒸汽喷发处理的方法，包括：

在加压反应容器中加压并灌入生物质材料和蒸汽，来创建加压和灌入的生物质材料；

加压并灌入的生物质材料和蒸汽从加压反应容器通过多个反应容器出口中的至少一个进入多个排放管的至少两个；

加压并灌入的生物质材料和蒸汽从所述至少两个排放管通过收集-扩张歧管进入收集管；

当加压并灌入的生物质材料从收集-扩张歧管进入收集管时快速减小加压和灌入的生物质材料的压力，从而导致蒸汽分解生物质材料；

将蒸汽分解的生物质材料经过收集管输送到分离装置，在分离装置中，从随蒸汽分解的生物质材料流入收集管的气体中分离蒸汽分解的生物质材料。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，加压并灌入的生物质材料通过多个排放管经过的距离基本小于收集管的长度。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，至少一个排放管可以通过加压反应容器和至少一个排放管入口之间的阀门关闭加压并灌入的生物质材料同时，至少另个排放管对生物质材料开放。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，进一步包括选择地开启多个排放管的至少一个，来获得通过收集-扩张歧管的某一组合流速的生物质材料和蒸汽。

15.根据权利要求11所述的系统，其中，靠近多个排放管的至少一个的入口的排放管或喷嘴衬套中的至少一个限定了液流通道，液流通道的横截面积基本小于多个排放管的至少另一个的横截面积。

16.用于生物质材料的蒸汽喷发处理的设备，包括：

在反应容器出口处从加压反应容器延伸的至少两个排放管，所述至少两个排放管具有横截面积，且所述至少两排放管构造成接收从加压反应容器排出的生物质材料和蒸汽；

一收集-扩张歧管，连接到所述至少两个排放管的出口端；

具有一入口的收集管，连接到收集-扩张歧管，其中该收集管构造成接收从所述至少两个排放管流出的生物质材料和蒸汽，其中，收集管的横截面积基本大于所述至少两个排放管的横截面积；和

分离装置，连接到收集管的出口端，该分离装置构造成接收来自收集管的生物质材料和蒸汽。