CN105143418B - 用于由生物质制备燃料的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于由生物质制备燃料的方法和设备，其中，所述生物质在用蒸汽和空气加压的反应器(11)中、在150℃至300℃的温度范围内受到热处理，其中释放热处理结束时的压力。因压力释放产生的蒸汽和其它气体的体积增加量暂时积聚在可变容积的容器(14)中，同时所述蒸汽和其它气体在至少一个换热器(13)中经历换热，使得可凝结气体在所述至少一个换热器中凝结并且释放其凝结热。

Description

用于由生物质制备燃料的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于降低由生物质制备燃料的制造成本并且减少向大气的废气排放的方法和设备。
背景技术
对于热电生产，日趋使用由生物质制造的球丸来代替煤炭，因此有助于降低二氧化碳排放。近年来，球丸生产以不对生物质进行热处理的生产方式为主，从而生产出所谓的第一代球丸或者“白色球丸”。现在所关注的焦点改变为所谓的第二代球丸的生产，在第二代球丸生产过程中，对生物质进行热处理以改变生物质的性质。这些方法中的一个使用所谓的蒸汽爆破方法，在所述方法中，使用蒸汽对生物质进行热处理。
在使用蒸汽爆破方法作为热处理方法(诸如专利320971所描述的那样)或者通过对生物质或者所谓的木质纤维素材料进行热处理的其它相关方法的球丸生产中，这些方法涉及向大气的废气排放，而这种排放被认为是不适当的。对容纳有被供应的生物质的容器加压、随后使用供汽加压、随后立即排放的蒸汽爆破方法也从被加热的质量体排放蒸汽和挥发性气体。
存在关于生物质或者所谓的木质纤维素材料的蒸汽处理的有效和期满专利。这些专利主要得出以下结论：有利的是对已经供应有生物质的封闭容器施加蒸汽(饱和蒸汽或者过热蒸汽)并且根据在反应器中希望实现的效果将封闭容器加热到给定温度(所述给定温度在160度至300度的温度范围内)、然后在一个或者两个步骤内排空反应器。
现有技术的一部分内容在于改变反应器的填充程度，改变所供应的生物质的水分并且计算用于加热生物质(质量体中的干燥材料和水分)并且在反应器中产生所希望的压力/温度关系的相关所需蒸汽量。典型的操作范围在150摄氏度至280摄氏度之间，但是发现如果使温度保持在190摄氏度至235摄氏度之间、或者近似地使压力在15巴至28巴，则能够最好地实现针对能量目的的优选性质。
当加热供应有蒸汽的压力容器中的潮湿生物质时，蒸汽会凝结在颗粒上以将能量传递到生物质，并且其水分被加热至所希望的温度范围。另外，必须供应一定量的蒸汽，以便达到生物质周围环境所希望的总压力和总温度。
这种系统所面临的挑战在于，其消耗相当多的能量来生产所需蒸汽量(每吨材料约200kg至600kg蒸汽)。供应一定量的生物质，根据反应器的填充程度、所希望的压力和温度、入口温度和待处理的质量体的水分含量确定向所述一定量的生物质添加的蒸汽量。与在同一容器/反应器中存在更多质量体时相比，当在反应器中存在少量质量体体积时需要加热更少的蒸汽，并且与更为潮湿的材料相比，更为干燥的质量体需要更少的蒸汽被加热，而所希望的压力/处理温度会继而影响总蒸汽需求。
如在挪威专利No.320,971、加拿大专利No.1,267,407(De Long)或者其它专利中描述的那样，能够通过在一个或者两个步骤中进行排空而完成对反应器的排空。因此，能够将所谓的爆破压力降低至低于所希望的操作压力的较低水平。根据实际所希望实现的效果，这种爆破压力能够从1巴到3巴直至处理压力。如果仅用于排空反应器，则希望更低的爆破压力，如果希望使纤维发生纤维分离或者“爆裂”，则希望更高的爆破压力、即希望在反应器和质量体排放到的地点之间存在更大的压差(通常接近大气压力或者略高，以便降低体积)。
能够以流经管或者通道的流的形式从反应器排空/排放生物质，所述管或者通道朝具有更低压力的容积扩张，在所述具有更低压力的容积内质量体与蒸汽分离，使得在蒸汽扩张到户外的同时质量体留在罐/分离器/旋风分离器中。
排空快速地进行，其中驱动力是压差。压差越大，则与待进一步使用的质量体同时排放的蒸汽量越大。当发生此类情况时，因此释放大量能量。优选地应该回收这些能量。
在热处理过程中，从生物质释放挥发性气体(挥发物)，挥发性气体与蒸汽混合并且污染蒸汽。所产生的气体主要是随时间排放并且产生的有机酸和醛类。气体量取决于时间、温度和压力。主要并且占据支配地位的初始反应是将半纤维素分解成例如糠醛、甲酸、乙酸的分界反应。在混合物中发现过多的气体组分。这些气体具有不同的沸点并且在不同的温度范围或者能够溶于水或者不能溶于水。这些气体中的若干种气体具有强烈的气味，这种强烈的气味为所述方法所特有并且很多人认为这种气味难闻，这些气体还包含大量剩余的、更应被重复使用的碳。
与这类处理有关的热回收的普遍问题在于在几秒内排放大量气体和蒸汽，这就是对换热单元有很高要求的原因，此外，在挥发性(不可凝结)气体和可凝结气体的质量体组分较难预测的情况下产品流非常复杂。这能够导致下游处理过程的压力增大，而压力增大会干扰质量体流动。除此之外，还存在组分中的很多就其具有强烈气味而言是原生气(crude)并且能够使暴露于其的人员感到身体不适的事实。目的
本发明的目的在于提供一种用于由生物质生产燃料的方法和设备，使得更大程度地回收使用能量并且降低或者消除就具有难闻气味而言的缺点。
发明内容
通过本发明实现上述目的，根据第一方面本发明包括一种由生物质制备燃料的方法，其中，生物质在用蒸汽和空气加压的反应器中、在150℃至300℃的温度范围内受到热处理，其中通过压力释放罐释放热处理结束时的压力，其特征在于，压力释放时蒸汽和其它气体的体积增加量暂时积聚在具有可变容积的容器中，所述蒸汽和其它气体在至少一个换热器中换热，使得可凝结气体在所述至少一个换热器中凝结并且释放其凝结热。
根据另一方面，本发明包括一种用于由生物质制备燃料的设备，其中，所述生物质在用蒸汽和空气加压的反应器中、在150℃至300℃的温度范围内受到热处理，其中释放热处理结束时的压力，所述设备包括：用于进行所述热处理的反应器和在所述热处理之后接收材料的压力释放罐，其特征在于，所述设备还包括：用于离开压力释放容器的气体的至少一个换热器和用于暂时积聚从所述压力释放罐排放的未凝结的气体的至少一个具有可变容积的容器。
本发明涉及一种通过允许排出蒸汽的能量回收同时允许消除气味问题而尤其在使用蒸汽爆破方法的球丸生产中具有优势的方法和设备，其中所述气味问题是排放组分中伴随蒸汽的气体(挥发性有机化合物(VOC))所固有的。
具有可变容积的容器能够是具有柔性壁部的容器，或者是具有至少一个可动壁部的容器、诸如具有呈可动活塞形式的壁部的圆筒形容器。
在此，不对就干燥并且可选地成球丸而言的生物质的最终处理进行进一步说明，这是因为这种最终处理能够以本领域已知的多种方式进行并且不构成本发明的组成部分。
附图说明
在下文中，参照附图，通过实施例的非限制性示例对本发明进行进一步说明，附图中：
图1示出了在特定处理阶段的根据本发明的设备；
图2示出了在处理的另一步骤中的图1的设备；
具体实施方式
图1是从左至右显示的，其中示出了用于含有木材/纸浆/纤维素的材料的热处理的反应器11。在反应器11中，在存在水蒸气和空气的情况下，质量体在加压条件下被加热。水蒸气和空气之间的混合比可以改变，反应器的填充水平也同样能够改变。
反应器中的温度和停留时间可以改变，典型地温度在160℃至300℃的范围内、停留时间在1至15分钟的范围内。作为控制元素，实际上不希望更高的温度和更长的处理时间，这是因为其造成更多的降解、更多的质量损失以及进行下游处理时就不希望的量的不可凝结气体、具有强烈气味的气体等而言的问题。
反应器典型地包括用于控制并且监测处理过程的设备和装置，包括控制压力的阀、用于分别加热和冷却反应器的部件等。因为在反应器11中处理如何进行不是本发明的主要问题，所以未示出以上部件。
容器12是压力释放容器，在热处理结束时将反应混合物释放到压力释放容器中。反应器11中的至少一部分压力被突然释放，因此将反应混合物从反应器排出至压力释放容器12中。
本领域技术人员将理解的是，只要不负面干扰处理量，除了蒸汽和空气之外的其它气体也可以存在于反应器中。例如通过在处理过程中添加富氧空气或者消耗的氧气，反应器中氧气和氮气的比与空气中氧气和氮气的比不同。
在完成反应处理时，将反应混合物从反应器11经由管道21排出至压力释放罐12。这以本领域已知的方式进行并且本身不具有任何新特征。以本领域已知的任何适当方式将包含一定量的水分的固体移动到压力释放罐12中并且经由管道22转移到后处理步骤。包含可凝结组分以及在当时条件下不可凝结的组分的气体通过压力释放罐12的顶部处或者顶部附近的管道23并且由此直接通向至少一个换热器13。
换热器13冷却气流并且确保气体的可凝结组分被凝结，以便由此减小气流体积。由制冷剂接收的凝结热在当前处理中或者在当前处理外以任何适当的方式作为能量使用。典型地，这种能量用于预热用于干燥单元或者用于燃烧的空气。来自换热器13的凝结物除了水之外还包括应当在水被排放或者回收以再次使用之前移除的组分。通过管道25排放凝结物，而气体通过管道26到达处理的下一个步骤。
对于一个或多个换热器13，其能够是制冷剂与排出气体保持分开的间接式换热器，或者能够是冷却水与排出气体混合的直接式换热器。所述一个或多个换热器还能够是组合式换热器，其中换热主要是间接进行的，但是以有限流量将水24喷洒到换热器13中的排放气体流中以冷浸排放气体23，因此在换热的后续间接步骤中更容易地使所有可凝结组分凝结。
如果选择仅进行直接换热，则在换热器下游需要处理更大体积的流体。因此，优选的是换热至少部分地以间接换热进行。
处理的下一个步骤涉及典型地为“气球”式的具有可变容积的容器14，所述容器像其它气球那样具有柔软的壁部并且尺寸设定成使得所述容器能够接收来自正常操作条件下运转的间歇式反应器的排放物的不可凝结气体的“喷气”。在图1中，反应混合物仍然封闭在反应器11中，因此如图所示，具有可变容积的容器14基本是空的。
现在参照图2，除了反应器中的压力刚被释放、使得反应混合物被排出到压力释放罐12中同时气体通过换热器13和管道23、26被吹送到具有可变容积的容器14之外，图2与图1示出的内容相同。在释放压力之后的数秒内，容器14如图2所示通过不可凝结气体膨胀。容器14典型地会相对于需求而言尺寸过大，所述需求能够基于单批量(batch)计算得出。另外，安全阀能够确保即使在存在极大量不可凝结气体时容器14也不会爆裂。对于每一批量，容器14会在短时间内充满全部不可凝结气体量而因此不产生任何显著过压，随后缓慢地并且以受控的方式经由管道27将气体释放到用于气体后处理的至少一个室15，从而确保气体不会在未经处理的情况下逸出到大气中。在所述至少一个室中，任何易燃组分可能被燃烧，并且通过对所述室和/或废气的适当冷却可以妥善处理燃烧热。
在多个室15中能够进行后处理，所述多个室以串联、并联或者串联与并联的组合的形式布置。后处理不是本发明的重点。对本发明来说重要的是，就换热器(多个换热器)13中的换热以及在具有可变容积的容器14中不可凝结气体的暂时积聚而言所发生的内容。这种组合是独特的并且意味着现在能够回收之前在这类批量处理中不能妥善处理的热能，以便实现具有更低净能耗的处理，因此实现更具经济效益的处理。另外，实现了妥善处理具有有害或者难闻气味的气体的额外效果。
而且能够通过将具有可变容积的容器放置在换热器的上游来降低作用在换热器上的负载，还能够降低被释放的气体通过换热器的流量。其不利之处在于，所有“未清洁”组分仍会存在于气体中并且这些未清洁组分中的一部分会附着到具有可变容积的容器14的壁部。
对于尺寸要求，用于所讨论的目的的典型的反应器能够具有10m3的容积和25巴的压力，压力释放会产生高达约250m3的需要妥善处理的气体。实践中，气体量会略少，这是因为一部分反应器容积由生物质占据并且因为在突然的压力释放之前能够小心地排放一部分压力。通过对处理的适当控制，在持续大约5秒的一个快速压力波动中排放的体积可以减小至约70m3。水的蒸发的比热为242KJ/mole或者13.45MJ/kg。如果所述70m3的体积中的50％是水蒸气(大约1kg/m3)，如果所有可用蒸汽均会凝结，则用于换热器中的传热的实时需要总计为：
35kg/5sek×13.45MJ/kg＝95MW
所述处理能够被自然地控制，使得这种实时需要更大或者更小，附图给出了大小要求的示例，但也显示出成功控制这种富含能量的“冲击”所面临的挑战。如果凝结能力不足，会出现压力增大。暂缓并且通过凝结单元逸出的前提条件是凝结能力大到使压降不会过度增加。
因引入/自行产生挥发性气体造成的蒸汽冲击的减小的部分意味着不可凝结气体的冲击增加到每吨生物质25m3至150m3的体积或者增加到每秒30m3。相对于反应器尺寸，这必须被认为是很大的无用体积。这种压力冲击很大并且必须被收集，然后作为连续流继续。在这种低压条件下于短时间内收集大量气体是一项艰巨的任务，根据本发明，通过具有可变容积的容器来解决所述任务。
还必对水和气体进行后处理。一旦根据本发明进行所述处理，便根据已知技术进行后处理。
示例
如果所希望的反应器是10m3并且供应有5m3的生物质(木屑或类似物)，那么其对应于一吨的质量体。
对于每吨质量体，反应器中水分的变化：
干燥物质(kg) 400 600 700 900
木质质量体的比热(Kcal/kg) 0,65 0,65 0,65 0,65
温差(摄氏度) 145 145 145 145
热焓(Kcal) 37700 56550 65975 84825
水(kg) 600 400 300 100
水的比热(Kcal/kg) 1 1 1 1
温差(摄氏度) 145 145 145 145
热焓(Kcal) 87000 58000 43500 14500
总千卡(sum Kcal) 124700 114550 109475 99325
所需能量(GJ/ton) 514,8 472,9 451,9 410,0
所需蒸汽量：
另外，需要蒸汽来提供所希望的蒸汽压力。
填充水平50％意味着用蒸汽填充大约70％的容积以提供蒸汽压力，并且在10巴的下降/排放压力条件下，反应器中会有75kg蒸汽。
用于获得蒸汽压力所需蒸汽量：
75％的容积＊10bar＊1kg/m3＝75kg
由此，能够计算喷气的体积和不可凝结气体的体积。
对于每吨被供应的质量体
作为水的水分(kg) 600 100
热焓 350 350
水的热焓 306346 111741
干燥物质 400 900
比焓TS 228 228
热焓TS 91000 204750
不同热焓的和 397346 316491
这意味着对于典型的容积和180℃至235℃的操作范围，可凝结体积是反应器容积的25至35倍，不可凝结气体对应于反应器中的质量损失、在反应器容积的0至30倍的范围内。根据反应器中的压力/时间/温度，在质量损失变为水和不可凝结气体时，两种体积均略微改变。示例表明瞬时冲击很大。

Claims (16)

1.一种由生物质制备燃料的方法，其中，生物质在用蒸汽和空气加压的反应器(11)中、在150℃至300℃的温度范围内受到热处理，其中通过压力释放罐(12)释放热处理结束时的压力，其特征在于，压力释放时蒸汽和其它气体的体积增加量暂时积聚在具有可变容积的容器(14)中，所述蒸汽和其它气体在至少一个换热器(13)中换热，使得可凝结气体在所述至少一个换热器(13)中凝结并且释放其凝结热。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在换热器(13)的下游处使用至少一个具有可变容积的容器(14)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述换热器(13)中所吸收的热量至少部分地用于预热供水。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可凝结气体作为与未凝结的气体分离的凝结物(25)被收集。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在排放之前净化所述凝结物(25)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，未凝结的气体在被排放之前经过至少一个净化步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一个净化步骤包括借助从燃烧室和气道回收的热量燃烧可燃组分。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物质包括纤维素材料，并且突然进行压力释放的至少一部分以便使纤维素的纤维分离。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，热处理在从200℃到240℃的范围内进行并且持续足以软化木质素的时间。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用饱和蒸汽。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用过热蒸汽。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，随后干燥经热处理的生物质。
13.根据权利要求1或者12所述的方法，其特征在于，使经热处理的生物质成球丸。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在1至30分钟的时间内进行所述热处理。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用含水量在10％和60％之间的生物质。
16.一种用于由生物质制备燃料的设备，其中，所述生物质在用蒸汽和空气加压的反应器(11)中、在150℃至300℃的温度范围内受到热处理，其中释放热处理结束时的压力，所述设备包括：用于进行所述热处理的反应器(11)和在所述热处理之后接收材料的压力释放罐(12)，其特征在于，所述设备还包括：用于离开压力释放容器的气体的至少一个换热器(13)和用于暂时积聚从所述压力释放罐(12)排放的未凝结的气体的至少一个具有可变容积的容器(14)。
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