CN106401945B - 生物质块加压供给装置 - Google Patents

Abstract

提供一种能够向高压反应器加压供给含水率低的生物质块的生物质块加压供给装置。生物质块加压供给装置，具备螺旋泵和节流部，其中，所述螺旋泵具备具有螺旋状的第一搬运齿的第一螺杆、具有螺旋状的第二搬运齿的第二螺杆、以及平行地容纳第一螺杆以及第二螺杆的外壳，将粉状生物质加水而得到的生物质块向高压反应器送出；所述节流部位于比螺旋泵靠近下游的位置，限制生物质块的流动并形成生物质块的料封。

Description

生物质块加压供给装置

技术领域

本发明涉及将粉状生物质加水而得到的生物质块（biomass cake）加压供给至高压反应器的生物质块加压供给装置。

背景技术

利用高温高压的亚临界水或超临界水加水分解生物质，将由此所得的糖进行发酵处理，以此能够得到生物乙醇。使用了该技术的生物乙醇的制造设备，除了用来进行亚临界水处理或超临界水处理的高压反应器之外，还具备将生物质块加压供给至该高压反应器的生物质块加压供给装置（例如，参见下述专利文献1）。

生物质块经由生物质块加压供给装置加压供给至高压反应器，但假定生物质块的含水率在90wt%以上，则可以视为与液体相同的连续体，因此较容易将生物质块加压供给至高压反应器。然而，如果生物质块含水率高，则生成的生物乙醇水溶液的乙醇浓度会下降，产生浓缩需要能量等经济问题。因此，优选生物质块的含水率在70 wt%左右。70 wt%左右的含水率较低的生物质块成为固体与液体的中间物质而具有与液体那样的连续体不同的性质，因此无法视为连续流体。因此，将含水率低的生物质块加压供给至高压反应器并不容易。

例如，作为生物质块加压供给装置，可考虑使用具备梢端变细的螺杆和梢端变细的外壳的单轴型螺旋泵。单轴型螺旋泵形成为流路逐渐变窄的结构，因此能够一边搬运搬运物一边对该搬运物进行加压。可是，如果将含水率低的生物质块在单轴型螺旋泵中进行加压，则会发生生物质与水分离的固液分离而使生物质块的含水率进一步降低。其结果是，产生以下问题：生物质块相对于螺杆的摩擦阻力增加、搬运转矩增大而发生搬运不良，或者生物质块与螺杆共同旋转而无法搬运生物质块。

现有技术文献：

专利文献1：日本特开2008-182925号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

本发明鉴于如上的情况而形成，目的在于提供一种能够向高压反应器加压供给含水率低的生物质块的生物质块加压供给装置。

解决问题的手段：

根据本发明的一个形态的生物质块加压供给装置，具备螺旋泵和节流部，其中，所述螺旋泵具备具有螺旋状的第一搬运齿的第一螺杆、具有螺旋状的第二搬运齿的第二螺杆、以及平行地容纳所述第一螺杆以及所述第二螺杆的外壳，将粉状生物质加水而得到的生物质块向高压反应器送出；所述节流部位于比所述螺旋泵靠近下游的位置，限制所述生物质块的流动并形成所述生物质块的料封。

螺杆数量为一个的单轴型螺旋泵的情况下，存在含水率低且相对螺杆的摩擦阻力（粘度）大的生物质块与螺杆共同旋转的担忧。与此相对，上述那样具有带完全咬合部的多个螺杆的多轴型螺旋泵，由于螺杆之间以彼此的凸部和凹部在保持微小空隙的状态下咬合的形式搬运生物质块，因此不会发生生物质块与螺杆共同旋转。又，由于直到上述螺旋泵的搬运区域为止（直到方向转换区域的上游为止）都是定容积型的泵，因此能够抑制生物质块在内部被加压而发生固液分离。但是，因为直到螺旋泵的搬运区域为止都是定容积型，所以靠其自身无法对生物质块进行加压。然而，由于通过位于螺旋泵下游的节流部形成料封，因此将生物质块朝向该料封挤压的结果是，生物质块被加压。因此，根据上述结构，即使是含水率低的生物质块，也可以向高压反应器加压供给该生物质块而不发生共同旋转。

又，上述生物质块加压供给装置亦可具备在所述第一搬运齿的前后支承所述第一螺杆的第一轴承、和在所述第二搬运齿的前后支承所述第二螺杆的第二轴承。

在多轴型的螺旋泵中，各螺杆的搬运齿为一端支撑结构的情况下，如果压送含水率低的生物质块，各螺杆的未受支撑的端部之间会往相互远离的方向发生位移。如果搬运齿像这样发生位移，则螺杆的外周面与外壳发生接触，发生驱动转矩的增大，最终造成搬运不良。又，生物质块所含的水分从压力较高侧往较低侧，即往搬运齿的上游侧流动，从而显著出现生物质块含水率降低的现象。生物质块的含水率降低时，搬运阻力增加，存在造成搬运不良的担忧。 对此，根据上述结构，由于各搬运齿为两端支撑结构，因此可以抑制各搬运齿的位移。由此，能够避免螺杆的外周面与外壳的接触，抑制转矩的增大。又，能够抑制生物质块的水分向各搬运齿的上游侧流动的现象。

又，在上述生物质块加压供给装置中，所述第一螺杆在第一搬运齿的外周面具有螺旋状的密封构件，所述第二螺杆在第二搬运齿的外周面具有螺旋状的密封构件亦可。

根据该结构，可以进一步抑制生物质块的水分向各搬运齿的上游侧流动。

又，在上述生物质块加压供给装置中，所述第一螺杆以及所述第二螺杆的旋转速度如下设定亦可：达到使所述螺旋泵内的生物质块所能吸收的水的量多于从所述节流部向所述螺旋泵逆流的水的量的生物质块的搬运速度。

在节流部附近因固液分离而产生水，该水向螺旋泵逆流。但是，根据上述结构，由于螺旋泵内的生物质块所能吸收的水的量多于从节流部向螺旋泵逆流的水的量，因此逆流的水将会被生物质块吸收而再次向节流部回流。因此，能够抑制节流部中的生物质块含水率降低，能够抑制搬运阻力增大所造成的搬运不良。

又，在上述生物质块加压供给装置中，以所述第一螺杆和所述第二螺杆在水平方向上延伸的形式配置所述螺旋泵，在所述外壳的底面形成有排出所述生物质块的排出口亦可。

根据该结构，由于在外壳的底面形成有排出口，因此可以顺利排出生物质块。

又，在上述生物质块加压供给装置中，以所述第一螺杆和所述第二螺杆在铅垂方向上延伸的形式配置所述螺旋泵，在所述外壳的侧面形成有排出所述生物质块的排出口亦可。

根据该结构，能够在生物质块加压供给装置的出口安装由在水平方向上延伸的水平部以及在铅垂方向上延伸的铅垂部形成的L形配管。安装了该L形配管的情况下，能够实现利用可在节流部的轴方向上移动的圆锥状的节流构件容易地对节流部的开口面积进行调节的结构，能够调节被搬运的生物质块从节流部出来时的压力。

发明效果：如上所述，根据上述生物质块加压供给装置，能够向高压反应器加压供给含水率低的生物质块。

附图说明

图1是根据第一实施形态的生物质块加压供给装置的整体结构图；

图2是螺旋泵的水平剖视图；

图3是图2所示的Ⅲ-Ⅲ剖视图；

图4是螺旋泵的纵向剖视图；

图5是节流部的纵向剖视图；

图6是根据第二实施形态的生物质块加压供给装置的整体结构图；

符号说明：

10 螺旋泵；

11 第一螺杆；

15 第一搬运齿；

17 密封构件；

18 第一轴承；

21 第二螺杆；

25 第二搬运齿；

27密封构件；

28 第二轴承；

31 外壳；

39 排出口；

50 节流部；

51 节流构件；

52 L形配管；

53 水平部；

54 铅垂部；

100、200 生物质块加压供给装置。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施形态。以下，相同或相应的要素在所有附图中以相同的符号标记，并省略重复的说明。

（第一实施形态）

首先，说明第一实施形态。图1是根据第一实施形态的生物质块加压供给装置100的整体结构图。生物质块加压供给装置100是将粉状生物质加水而得到的生物质块进行加压并供给至高压反应器的装置。如图1所示，生物质块加压供给装置100具备螺旋泵10和节流部50。以下，依次说明这些组件。

〈螺旋泵〉

螺旋泵10是搬运生物质块的装置。在本实施形态中，将含水率较低（例如，水分70wt%）且粘度较高的生物质块供给至螺旋泵10。图2是螺旋泵10的水平剖视图，图3是图2的Ⅲ-Ⅲ向视剖面图，图4是螺旋泵10的纵向剖视图。另外，在图4中，图示了第一螺杆11侧。如图2所示，螺旋泵10是双轴型螺旋泵，具有：第一螺杆11、第二螺杆21、以及外壳31。

第一螺杆11由驱动装置32旋转驱动，是所谓的传动螺杆。第一螺杆11具有输入部12、第一同步齿轮13、第一供给齿14、以及第一搬运齿15。又，第二螺杆21由第一螺杆11旋转驱动并与第一螺杆11同步旋转，是所谓的同步螺杆。第二螺杆21具有第二同步齿轮23、第二供给齿24、以及第二搬运齿25。

只有作为传动螺杆的第一螺杆11具有输入部12，而作为同步螺杆的第二螺杆21不具有输入部12。输入部12位于第一螺杆11的一侧的端部（图2的纸面左侧端部）且外壳31的外侧。驱动装置32（图1）与输入部12连接，经由该输入部12将旋转动力传递至第一螺杆11。

第一同步齿轮13和第二同步齿轮23是彼此啮合的齿轮。当作为传动螺杆的第一螺杆11旋转时，该旋转产生的旋转动力经由第一同步齿轮13和第二同步齿轮23传递至作为同步螺杆的第二螺杆21。由此，第二螺杆21与第一螺杆11同步地进行旋转。

第一供给齿14是位于第一螺杆11上游侧部分的螺旋状的齿，第二供给齿24是位于第二螺杆21上游侧部分的螺旋状的齿。第一供给齿14和第二供给齿24通过旋转向第一搬运齿15和第二搬运齿25供给被投入至螺旋泵10的生物质块。以进入彼此的空隙的形式配置第一供给齿14和第二供给齿24，即使进行旋转也不会发生接触。

第一搬运齿15是位于第一供给齿14下游的螺旋状的齿，第二搬运齿25是位于第二供给齿24下游的螺旋状的齿。在第一搬运齿15和第二搬运齿25的外周面分别安装有螺旋状的密封构件（密封填料）17、27。如图2以及图3所示，安装于第一搬运齿15的密封构件17与第二螺杆21的轴部分以及外壳31接触，安装于第二搬运齿25的密封构件27与第一螺杆11的轴部分以及外壳31接触。

第一搬运齿15和第二搬运齿25通过旋转在轴方向上搬运生物质块。第一搬运齿15和第二搬运齿25与第一供给齿14和第二供给齿24相比轴方向的厚度较大，第二搬运齿25在保持微小空隙的状态下插入于第一搬运齿15之间，第一搬运齿15 在保持微小空隙的状态下插入于第二搬运齿25之间。因此，由第一搬运齿15、第二搬运齿25以及外壳31形成的空间容积较小。但是，第一搬运齿15和第二搬运齿25的厚度是固定的，由第一搬运齿15、第二搬运齿25以及外壳31形成的空间的容积不管轴方向位置如何都是固定的。即，直到螺旋泵10的搬运区域36（后述）为止（直到方向转换区域37（后述）的上游为止）都是定容积型的泵，靠其自身无法对生物质块进行加压。

又，螺旋泵10具有支承第一螺杆11的两个第一轴承18、和支承第二螺杆21的两个第二轴承28。第一轴承18配置于比第一供给齿14更靠近轴方向外侧的部分、以及第一搬运齿15和第一同步齿轮13之间的部分。因此，着眼于第一搬运齿15时，第一轴承18可以说是在第一搬运齿15的前后支承第一螺杆11。又，第二轴承28配置于比第二供给齿24更靠近轴方向外侧的部分、以及第二搬运齿25和第二同步齿轮23之间的部分。因此，着眼于第二搬运齿25时，第二轴承28可以说是在第二搬运齿25的前后支承第二螺杆21。

外壳31是平行地容纳第一螺杆11和第二螺杆21的构件。外壳31具有：生物质块通过的流路部33、以及容纳有第一同步齿轮13和第二同步齿轮23的齿轮室34。另外，流路部33与齿轮室34无需位于同一外壳31之中，无需相互邻接。此外，上述的流路部33具有：第一供给齿14和第二供给齿24所位于的供给区域35、第一搬运齿15和第二搬运齿25所位于的搬运区域36、以及将生物质块的搬运方向进行90º改变以此对生物质块进行加压的方向转换区域37。

如图4所示，外壳31在供给区域35的上方形成有将生物质块投入至流路部33的投入口38。又，外壳31形成有位于从搬运区域36的下游侧部分到方向转换区域37的底面、用于排出生物质块的排出口39。由此，从投入口38投入的生物质块通过供给区域35、搬运区域36、以及方向转换区域37，从排出口39排出。在本实施形态中，外壳31的底面上形成有排出口39，因此能够顺利排出生物质块。

以上是螺旋泵10的结构。如上所述，在本实施形态中，通过螺旋泵10搬运生物质块。螺旋泵10的驱动转矩较小，因此即使是含水率低且搬运阻力大的生物质块也能够顺利搬运。另外，如前所述，由第一搬运齿15、第二搬运齿25以及外壳31形成的空间的容积不管轴方向位置如何都是固定的，因此在搬运区域36中无法对生物质块进行加压。然而，如前所述在方向转换区域37中可以对生物质块进行加压，以及，从方向转换区域37朝向后述的节流部50挤压生物质块，以此在节流部50中也可以对生物质块进行加压。

又，生物质块被加压而发生固液分离时，存在生物质块内的水分从搬运区域36朝向供给区域35，即，向与搬运方向相反的方向流动（逆流）的担忧。如果发生这样的现象，生物质块的含水率会降低且搬运阻力会增加，并可能发生搬运转矩变得过大、无法进行搬运。

对此，由于本实施形态的第一搬运齿15和第二搬运齿25是两端支撑结构，因此能够抑制第一搬运齿15和第二搬运齿25往相互远离的方向发生位移。因此，能够防止第一搬运齿15与外壳31之间、第一搬运齿15与第二螺杆21的轴部分之间、第二搬运齿25与外壳31之间、以及第二搬运齿25与第一螺杆11的轴部分之间的空隙变大，其结果是能够抑制生物质块内的水分从搬运区域36往供给区域35逆流。此外，在第一搬运齿15和第二搬运齿25的外周面上分别安装有密封构件17、27，因此能够进一步抑制生物质块内的水分从搬运区域36往供给区域35逆流。

在此，螺杆数量为一个的单轴型螺旋泵的情况下，含水率低的生物质块搬运阻力大，因此随着压缩的进行生物质相对于螺杆的摩擦力（附着力）增大，存在生物质块与螺杆共同旋转的担忧。相对于此，本实施形态的螺旋泵10为双轴型螺旋泵，第一螺杆11与第二螺杆21以彼此的凸部和凹部在保持微小空隙的状态下咬合的形式搬运生物质块，因此不会发生生物质块与螺杆共同旋转。

另外，通过将以下的构件固定于在第一螺杆11的全长范围内延伸的轴构件上以此形成本实施形态的第一螺杆11：第一供给齿14和位于其根部的圆筒部一体而成的构件、以及第一搬运齿15和位于其根部的圆筒部一体而成的构件。但是，第一螺杆11也可以是不具有上述轴构件的结构。例如，在轴方向上连接除上述轴构件以外的各构件而形成第一螺杆11亦可。在这点上，第二螺杆21也是一样的。

〈节流部〉

然后，说明节流部50。节流部50是限制生物质块的流动并形成生物质块的料封（material seal）的部分。如图1所示，节流部50位于螺旋泵10的下游。即，位于螺旋泵10和高压反应器之间。图5是节流部50的纵向剖视图。如图5所示，节流部50整体上具有轴心在铅垂方向上延伸的圆筒状的形状。节流部50在下游侧部分具有圆环状的节流构件51。该节流构件51形成为与节流部50的其他部分相比流路面积小的结构。另外，节流构件51形成为可以改变流路面积的结构亦可。

节流部50如上构成，因此生物质块的流动由节流构件51进行限制。由此，在节流构件51的上游侧生物质块逐渐堆积，形成生物质块的料封。该料封一方面允许从螺旋泵10朝向高压反应器的生物质块的流动，另一方面发挥限制从高压反应器朝向螺旋泵10的生物质块的流动的止回阀的作用。

另外，在生物质块加压供给装置100刚启动后，节流部50中生物质块并未充分堆积，难以形成料封。因此，例如，在生物质块加压供给装置100启动时在节流构件51的开口部分安装具有多个贯通孔的板材（未图示）亦可。由此，在节流构件51的上游侧生物质块容易堆积。另外，形成料封后将上述板材拆下即可。另外，如果节流构件51形成为可以改变流路面积的结构，则无需安装和拆下上述板材。

如前所述，位于生物质块加压供给装置100的下游的高压反应器内的压力非常高。因此，仅凭螺旋泵10的密封功能，存在高压反应器的压力降低的担忧。对此，在本实施形态中，通过节流部50形成生物质块的料封，以此能够限制从高压反应器朝向螺旋泵10的生物质块的流动，从而能够抑制高压反应器内的压力的下降。

在此，节流部50中一旦水从生物质块分离，分离后的水从节流部50朝向螺旋泵10逆流。但是，如果生物质块的搬运速度大则通过螺旋泵10的生物质块的量也多，从而当生物质块的搬运速度在一定速度以上时，逆流的水全部由螺旋泵10内的生物质块回收而回流至节流部50。其结果是，通过节流部50的生物质块的含水率将会保持恒定。另一方面，当生物质块的搬运速度小于一定速度时，逆流的水未由螺旋泵10内的生物质块回收完全，分离后的水只有一部分回流至节流部50。因此，生物质块的搬运速度降低且通过节流部50的生物质块的含水率逐渐降低，生物质块成为接近固体的状态，生物质块的搬运阻力增加。其结果是，存在发生生物质块的搬运不良、以及生物质块的压缩变得不充分而节流部50内的生物质块无法作为料封发挥功能的担忧。

因此，在本实施形态中，对第一螺杆11和第二螺杆21的旋转速度进行设定，以达到使螺旋泵10内的生物质块所能吸收的水的量多于从节流部50向螺旋泵10逆流的水的量的生物质块的搬运速度。即，当从节流部50向螺旋泵10逆流的水的量多于螺旋泵10内的生物质块所能吸收的水的量时，提高第一螺杆11和第二螺杆21的旋转速度。由此，节流部50中的生物质块的含水率保持恒定，抑制了生物质块的搬运阻力的增加，其结果是，能够抑制高压反应器的压力经由生物质块的空隙向螺旋泵10泄漏。

（第二实施形态）

接着，说明第二实施形态。图6是根据第二实施形态的生物质块加压供给装置200的整体结构图。以下，以不同于根据第一实施形态的生物质块加压供给装置100的结构为中心说明根据第二实施形态的生物质块加压供给装置200。

本实施形态的螺旋泵10与第一实施形态的螺旋泵10具有相同的基本结构。但是，在第一实施形态中螺旋泵10是横向配置的，相对于此，在本实施形态中螺旋泵10是纵向配置的。即，以第一螺杆11和第二螺杆21在铅垂方向上延伸的形式配置螺旋泵10。伴随于此，排出生物质块的排出口39形成于外壳31的侧面。

由于本实施形态中螺旋泵10是纵向配置的，因此在连接生物质块加压供给装置200以及位于其下方的高压反应器的配管的部分使用L形配管52。具体地，将由在水平方向上延伸的水平部53以及在铅垂方向上延伸的铅垂部54形成的L形配管52安装于生物质块加压供给装置200的出口（即节流部50的出口）。

本实施形态的节流部50以轴心水平地延伸的形式配置。又，节流构件51具有圆锥状的形状，能够通过位置调节部55在水平方向上移动。位置调节部55是所谓的滚珠丝杠执行器（ball screw actuator），具有：穿过L形配管52的水平部53内并延伸至L形配管52的外部的螺丝棒56，以及位于L形配管52的外部、使螺丝棒56旋转的马达57。又，节流构件51上形成有内螺纹，螺丝棒56以啮合该内螺纹的形式插入于节流构件51。此外，将节流构件51可滑动地安装于在水平方向上延伸的导轨58。

本实施形态的节流部50如上构成，因此当通过马达57使螺丝棒56旋转时，圆锥状的节流构件51沿着导轨58在水平方向上移动，可以容易地对节流部50下游侧部分的开口面积进行调节。因此，可以在生物质块加压供给装置200启动时使节流部50的开口面积变小，容易地对料封的形成进行辅助。

另外，在本实施形态中，通过将L形配管52用作生物质块加压供给装置200与高压反应器之间的配管，从而可以将用于进行节流构件51的位置调节的马达57设置于配管的外部。即，在本实施形态中，如果纵向配置螺旋泵10，则能够使用L形配管52，进而能够使节流部50成为可以容易地调节开口面积的结构。

以上，说明了本发明的实施形态。实施形态中的螺旋泵10是双轴型螺旋泵，但也可以是三轴型螺旋泵。又，在上述的实施形态中，分别以两个轴承支承第一螺杆11和第二螺杆21，但分别以三个以上轴承支承亦可。

Claims (6)

1.一种生物质块加压供给装置，其特征在于，具备螺旋泵和节流部，

所述螺旋泵具备具有螺旋状的第一搬运齿的第一螺杆、具有螺旋状的第二搬运齿的第二螺杆、以及平行地容纳所述第一螺杆以及所述第二螺杆的外壳，将粉状生物质加水而得到的生物质块向高压反应器送出；

所述节流部位于比所述螺旋泵靠近下游的位置，限制所述生物质块的流动并形成所述生物质块的料封，

所述外壳具有

由所述第一搬运齿和所述第二搬运齿以定容积的状态搬运所述生物质块的搬运区域，和

位于所述搬运区域下游，将所述生物质块的搬运方向进行90º改变以此对所述生物质块进行加压的方向转换区域。

2.根据权利要求1所述的生物质块加压供给装置，其特征在于，具备：

在所述第一搬运齿的前后支承所述第一螺杆的第一轴承、

和在所述第二搬运齿的前后支承所述第二螺杆的第二轴承。

3.根据权利要求1所述的生物质块加压供给装置，其特征在于，所述第一螺杆在第一搬运齿的外周面具有螺旋状的密封构件，所述第二螺杆在第二搬运齿的外周面具有螺旋状的密封构件。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的生物质块加压供给装置，其特征在于，所述第一螺杆以及所述第二螺杆的旋转速度如下设定：达到使所述螺旋泵内的生物质块所能吸收的水的量多于从所述节流部向所述螺旋泵逆流的水的量的生物质块的搬运速度。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的生物质块加压供给装置，其特征在于，以所述第一螺杆和所述第二螺杆在水平方向上延伸的形式配置所述螺旋泵，

在所述外壳的底面形成有排出所述生物质块的排出口。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的生物质块加压供给装置，其特征在于，以所述第一螺杆和所述第二螺杆在铅垂方向上延伸的形式配置所述螺旋泵，

在所述外壳的侧面形成有排出所述生物质块的排出口。