CN107787355A - 用于制备生物质的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制备木质纤维素生物质的方法以及设备，特别是通过水提取和任选地粒度精制来制备木质纤维素生物质的方法以及设备，所述木质纤维素生物质随后特别用于烘焙、碳化、球料如燃料球料或土壤改良球料制备过程，或用于制造建材，或甚至制备农业食品，所述方法包括生物质的离心(100)以及随后的摩擦粉碎和干燥(200)。

Description

用于制备生物质的方法和设备

本发明涉及一种特别通过液体提取制备生物质的方法，所述生物质随后以其当时状态或在粒度精制之后用于例如烘焙方法、碳化方法中，或者用于制备可燃颗粒的方法，用于制备土壤改良颗粒的方法，或用于制作建材的方法，或用于制作农作物食品的方法。还涉及用于实施所述方法的设备。

在本说明书的上下文中，使用的术语“生物质”指的是木质纤维素植物来源的任何有机物质，特别包括木材和木质纤维素栽培物的残余物，例如秸秆或甘蔗渣。

人们已知许多将木质纤维素生物质转化为可燃物的方法。特别地，生物质烘焙包括将其在还原气氛中加热到180℃至300℃的温度。然后，获得具有提高的LCV(低位热值)的脆的产品。木材或其他木质纤维素生物质的刨花转化为可燃粒料也是已知的。还已知使用纤维素生物质制造建材，例如刨花板、OSB板、液压混凝土成分如焦渣石等。为了有效，所有这些方法都要求生物质在随后使用之前，进行适当干燥及其粒度的适当设定。

已知干燥是一种消耗大量能量的操作。为了使生物质处理过程经济上有益，以及为了降低生物质转化的整体能量消耗，进行干燥操作当然是意义的。还已知的是，干燥效果与待干燥颗粒的粒度有关：颗粒的尺寸越大，越难以从中提取水分。但是，过细的粒度可能会在干燥操作和随后的处理和/或转化操作中造成实际问题。

已知木质纤维素植物有机物含有称为非结合水的水、称为结合水的水和称为结构水(constitutive water)的水。非结合水通过蒸发，特别通过空气运动作用自发地出来；但是，应当注意，干燥原木木材例如需要1到3年才能够将非结合水和结合水抽低至木材中可接受的残余含水量。应当理解，结合水是由结合到物质、特别是木材的分子结构中的一部分水组成，所述木材无论其为软木还是硬木，基本上通过包括大孔和微孔的半纤维素和纤维素而定。至于结构水，其只能通过物质的基本上不可逆转的改性来提取。作为例证，对于生物质中的50-55重量％的含水量，非结合水的分数相当于至多25重量％；结合水相当于10-35重量％且结构水相当于0-10重量％。

一般而言，常用的干燥方法主要涉及使用热的气体来从达到促进水提取的粒度的生物质中提取水。于此，文献US-4552863记载了一种制备活性炭粒料的方法。该方法包括制造木材粉末的步骤、干燥至含水量在4-5重量％范围的步骤、颗粒生成和颗粒碳化步骤，随后是使用高温水蒸汽活化碳化的粒料。文献US-8388813也记载了一种生物质处理方法，包括烘焙或碳化。干燥步骤使用旋转筒进行，其通过有温度为315-425℃的热气体，作用在粒度在一厘米范围内的物料上，以获得2-4重量％的残余含水量。文献DE-102011016003记载了一种用于生物质烘焙的便携式设备，其中将木材颗粒气动输送到干燥旋风分离器中，将水分从约50重量％降低至约10重量％。WO2013/03615记载了一种用于生物质烘焙的立式反应器，其中被粉碎的生物质在上部导入，并依次通过在彼此叠加布置的筛网。导入的生物质被通过干燥阶段的热气体流干燥。最后，文献CA-2710625(或EP-2287278)记载了一种生物质烘焙设备，其包括能够提取生物质中存在的85％至98％的水的热气体干燥装置。

此外，在制备通常称为球料的木材粒料的方法中，在压实和/或挤出之前干燥生物质颗粒是已知的。

更特别地，文献DE-102010032610涉及一种生物质干燥设备，其包括若干个叠加的传送带，上部的送带将所输送的物料倾倒到下部的传送带上，传送带安置在闭合空间中，所述闭合空间由安置在所述空间的底部的加热元件加热。文献DE102006061340也记载了一种用于制备球料的设备，其包括使用风扇使热气体穿过载有生物质的竖直输送机螺杆的干燥装置。

容易理解，这些干燥装置消耗大量的能量。当干燥气体处于高温时，干燥是有效的，但是这样的处理方式伴随着物质着火的风险。当干燥气体处于140℃和更低的低温时，当然可以使用低热量，但是我们认为每吨蒸发水一般需要至少1.1MW。

最后，文献WO2011/131869记载了一种制造球料的方法，其中生物质干燥需要的能量降低并且是在形成锭剂(pastille)的同时进行，在65℃至95℃的降低的温度下，然后在使球料的含水量降低至大约10％的脱水器中。

文献JP2006/273970涉及用于制备熟料的可燃物的制备。所述可燃物包括微细碳和生物质颗粒。将含水量范围为25重量％、尺寸范围为至多40mm的生物质颗粒或碎屑以及含水量范围为9重量％且粒度范围为至多40mm，平均直径范围为25mm的碳干燥并粉碎成混合物。将熟料生产设备中在250-500℃温度下的热气体用于干燥。将颗粒粉碎以获得20至50重量％的尺寸大于90μm的颗粒级分，将其分离。得到的微细颗粒的可燃物的可燃性与碳粉的可燃性接近，并且其使得能够回收生物质中所含的热能，并且其作为可燃物而投入熟料回转炉内，较粗的颗粒投入预煅烧燃烧器中。破碎机可以是辊式破碎机或球磨机，分离在筛，例如振动筛上进行。

文件US-4589357也涉及制备生物质基可燃物，旨在通过将可燃物质投入并悬浮在空气中而运行的燃烧器中燃烧。预期降低生物质粉碎的能量消耗，并且提出了一种双模态可燃物，其包括粉碎成小于100μm的颗粒，用于点燃可燃物的主要部分，所述可燃物含有较粗但仍小于10mm的颗粒。颗粒可以在各种类型的粉碎机中粉碎，特别提及摩擦粉碎机。该文件没有描述如何将物质干燥，以获得所需的湿度。

文献US-5662810涉及用于使料渣(mud)脱水的方法和设备，特别是由谷物和植物纤维制备醇的过程中产生的料渣。液-固分离通过筛网离心或螺旋压榨进行。生产了具有33-34％干物质，因此还有65％以上水分的滤饼。

文献WO2004/072211也涉及使用植物油或酒精润湿的包含木材、树皮、木炭或其它纤维素物质微细粉碎且干燥的颗粒的生物质基可燃物。如果加入木炭，则通过加热至约280℃获得。至于纤维素颗粒，这些颗粒可能预先干燥，然后在可以从中提取焦油的温度下离心。其实际上是一种特殊形式的部分烘焙，需要时间和能量，以便达到一定的分离并获得可燃物。之后，将颗粒粉碎成颗粒尺寸小于500μm。它们具有6重量％的低的湿度。

在一些生物质用途中，可能需要将其浸泡在溶剂诸如水或其他溶剂中，然后将其干燥和/或从中提取所需的物质。

由前文得出，提取液体尤其是水的步骤值得特别关注。本发明的目的在于改善水提取、更特别地生物质干燥，降低所需的能量消耗而获得可接受的残留液体含量，特别是在生物质进入后续的成形和/或转化步骤时2重量％至12重量％范围的残留液体含量，所述步骤例如生产用于各种用途的颗粒如可燃颗粒或土壤改良颗粒，烘焙或碳化，生产建材或生产农业食品。

更具体地说，本发明的目的在于提供一种改进的制备方法，特别用于从木质纤维素生物质中机械提取水，以便其用于各种应用如建材(刨花板)中，其形成用于各种用途的颗粒或其特别通过烘焙而转化，或其转化成木炭，或制备营养补充剂或其他农业食品。

本发明的目的还在于提供一种用于实施所述改进方法的设备。

根据第一方面，本发明提供了一种特别通过水提取来制备用于后续用途的木质纤维素生物质的方法，包括生物质的离心，随后是摩擦粉碎-干燥。

应理解，所提供的生物质可以已经进行过其他处理：如切碎以使生物质达到所需的尺寸，对于本发明的方法最佳；和/或在适当的温度下加热。生物质还可以已经进行过喷洒和/或在合适温度下在流体如溶剂或水中浸渍，以促进物质孔隙的打开。该预处理可以使本发明方法中的液体提取更容易。

离心本身是众所周知的，但是还没有发现用于从固体生物质中提取水的应用，更特别是用于生物质干燥。已知的应用限于将生物质从其悬浮的水中分离，如料渣干燥。纤维素生物质离心的另一已知应用在于在相当高的温度下从其中提取焦油。可以看出，该离心技术应用于预先可能冲洗或处理过的生物质，允许使用降低的能量消耗以经济的方式从中提取水。

有利地，离心是对基本上粗粒度的生物质进行，特别地在以产生大于1000G，有利地大于1200G，优选大于1500G，非常特别地大于2500G离心力的速度旋转的筛网绞拧机(screen wringer)中进行。应当理解，上限是出于机械结构考虑和基于经济考虑而定。在实践中，非常可能以可接受的价格达到这个范围的力。优选地，离心在连续供给有生物质流、特别是载有生物质的流体流(例如空气)的优选具有截锥形筛网的水平轴筛网绞拧机中进行，可能辅以供给螺杆，在小直径一侧，生物质通过螺杆沿筛网输送，在大直径一侧回收水分减少的生物质。这包括Conturbex型(商业名称Siebtechnik)离心机，已知其特别用于化学、食品工业或其它领域的固体和液体的物理分离，但通常不用于提取液体尤其是水，更特别地不用于生物质干燥。沿着理想情况下截锥形的筛网输送导致对生物质的离心力增加。应理解，截锥形筛网的泄漏角度的选择允许将生物质的离心调整至所需的结果。有利地，输送螺杆的旋转速度不同于筛网的旋转速度，可以调节从而相应地设定物料在离心机中的停留时间，由此使得可或多或少地进一步推动液体提取。有利地，生物质通过在低于200℃，优选低于140℃，更特别地在环境温度与95℃之间，非常特别是在40℃至95℃之间的温度下的热空气流来输送，并且可能辅以供给螺杆。已经观察到，在这样的设备中的绞拧步骤使得可获得生物质含水量8重量％至20重量％的降低，使其降低至小于50重量％，有利地小于45重量％，优选小于40重量％、35重量％和甚至30重量％；并且这使用了降低的能量消耗。应当注意，出乎意料地，不仅得到了固液分离，还在降低的温度下使用基本上机械处理提取了这样相当大的一部分结合水。在该温度下，防止了形成和/或提取焦油和其他液体。认为这一出人意料的结果可能是缘于以下事实，在从环境温度通到热的输送气体中的过程中，较粗颗粒生物质特别是木材的孔隙扩大，从而通过绞拧释放相当大量的结合水。考虑到在具有相当粗的粒度的生物质上进行的这种操作的有利的能量平衡，有利的是在不影响操作的机械和经济可靠性的情况下进一步推动绞拧。

此外，已经观察到，颗粒的尺寸可以基本上是粗的，但不会以负面的方式显著影响绞拧结果。特别地，上述类型的离心机可以灵活地设置离心力和/或停留时间，从而其可以处理具有宽范围的不同粒度的生物质。在实践中，基本上出于经济和效益的原因，我们使用切碎的碎片类的生物质颗粒进行操作。碎片的最大尺寸可达至多100毫米或63毫米，厚度为0.5毫米至13毫米，这取决于所用机器的尺寸；在本文中，我们将特别考虑输送螺杆的尺寸。因此，符合标准EN14961的P16到P100的筛选可能适合，没有困难。尽管如此，供应到本发明的方法中的生物质的粒度的选择取决于在该方法的输出处所期望的粒度，用于随后的成形和/或转化步骤。

之后，将具有降低的含水量的生物质进行摩擦粉碎-干燥操作。进而，摩擦粉碎-干燥减小了进入到摩擦粉碎-干燥步骤中的生物质颗粒的尺寸，并且通过提取液体(特别是水)进一步热浸透生物质，特别地随后通过粉碎和摩擦使内部热起来。有利地，粉碎干燥在Attritor-型(商业名称)摩擦粉碎机中进行，其包括固定的扁平筒——所述扁平筒支撑位于其两个侧壁上的固定的粉碎件——和包括在所述筒中的旋转盘，从而在双侧限定第一隔室和第二隔室，并且支撑可移动的粉碎部件，盘以500rpm至3500rpm，优选700rpm至1900rpm的速度旋转。这种类型的摩擦粉碎机是已知的，特别是在碳粉碎以及在矿物和化学工业中。物料由流体流例如气体或空气携带着在转动轴附近进入第一隔室，也称为粉碎隔室；在第一隔室中粗略粉碎并运送向所述筒的末梢，从而绕过所述盘进入到第二隔室，之后通过流体流动由第二隔室在转动轴附近最终排出。有利地，出口配备有过滤隔膜，其使得具有期望直径的颗粒通过并保持在第二隔室中的较粗颗粒，其将在第二隔室中被压碎，直到达到所需的尺寸。在第二隔室中，输送流体流趋向于将产品携带向在轴附近的排出口，并且由设置有粉碎销(crushing pin)的盘的旋转所引起的离心力倾向于将粗粒朝向筒的末梢推回。该对抗力产生了输送气体中的产品悬浮液，其被所述销强烈搅拌。从而，产品特别通过颗粒相互摩擦而粉碎。关于较细的颗粒，由所述流体流引起的驱动力变成占主导地位，并将较细的颗粒驱向出口。该操作可以处理各种各样的颗粒尺寸，特别是粗切的生物质，特别具体取决于上游设备的颗粒尺寸。

事实上，摩擦粉碎是已知的，但迄今为止，还没有发现用于干燥具有约100毫米的大尺寸的固体纤维素生物质，从物料本身中提取水的应用。已知的应用涉及处理生物质料渣、消化物和蒸馏物，目的在于从固体物料中分离液体。

如果使用热的气体流将物料载入摩擦粉碎干燥机(attrition crusher-dryer)，那么由摩擦产生的干燥被进一步改善。根据一个实施方案，为此可以使用热空气，所述热空气优选在低温下，特别是在低于200℃，优选低于145℃的温度下，更特别地在环境温度和95℃之间，非常特别是在40℃和95℃之间。该实施例允许使用低温，并且基本上是经济的。根据另一实施方案，可以使用特别在250-600℃温度范围内的炉气，从而存在非常小比例的氧甚至不存在氧。该实施例具有从烟气中回收能量的优点，并且包括过滤所述烟气的步骤。有利地，摩擦粉碎-干燥步骤使生物质的含水量降低了8重量％至30重量％，优选降低了10重量％至25重量％，更特别降低了12重量％至22重量％。

如已经提及的，脱水的效果在很大程度上取决于颗粒的尺寸，换言之取决于粒度。关于颗粒的大小，我们当然要由该方法后续步骤的要求来决定。

根据优选的实施方案，本发明的方法在离心和摩擦粉碎-干燥之间还包括在低温，特别低于200℃，优选低于140℃下使用热气体的预先干燥步骤。有利地，设计该低温干燥步骤是为了降低10重量％至20重量％含水量。

该干燥步骤可以在各种设备中进行。根据第一种变型，可以在优选自动化的活动平台上干燥生物质。关于活动平台，是指允许生物质堆积至几百毫米至大约3200毫米高度的底部平台，生物质堆被机械地摇动或混合，以使空气穿透其中，所述空气能够带走大量的水。对至多3000毫米层高的物料我们已经取得了良好的结果。优选地，该空气的温度稍高于环境温度。混合或摇动可以使用通入物料堆的旋转刀片辊来进行。该步骤使得水含量降低了5重量％至20重量％，优选10重量％至15重量％。

根据另一个变型，可以在设备中提供中间干燥步骤，所述设备具有通过有上升的热空气流的叠加的传送带。对于这种设备，将两个或更多传送带叠加，上部的带将生物质倾倒到下部的传送带上，最后的带将生物质排入下游设备。热空气流是从底部送入，通过下部的传送带和堆积在其上的生物质堆，然后通过上部的带和堆积在其上的生物质等，并随热空气带走生物质(堆)中所含的水。有利地，空气的温度低于200℃，优选低于140℃，更特别是在环境温度和95℃之间，非常特别是在85℃至95℃之间，因此使用低热量。

根据本发明的方法的又一个变型，可以在具有移动的底部的箱子中进行该中间干燥。这由具有穿孔的底部的箱构成，所述穿孔的底部例如由大穿孔或微穿孔的金属制成，组成有根据纵向往复运动彼此独立设置的各种纵向元件，从而驱动生物质纵向移动。穿孔的纵向元件通过有低温的热空气流，所述低温的热空气流穿过堆积的生物质，从而将其干燥。

最后，在需要的情况下，可以进一步提供辅助干燥步骤，所述辅助干燥步骤通过低温热气体，特别是低于200℃，优选低于140℃，更特别在环境温度和95℃之间，非常特别在40℃和95℃之间的低温热气体进行，以使生物质达到所需的湿度。这一步也确保了下一个过程的供应量。优选地，该步骤将在流化床装置中进行，优选振荡-振动流化床装置。

如上所述，本发明的方法涉及特别通过提取水来制备生物质，以其当时状态或在粒度精制(granulometric refining)之后用于随后的使用。随后的使用可以由转化过程、或者另一个成形过程、或者另一个制备建材或农业食品的过程构成。成形特别是指根据已知技术(例如压实、模头挤出或其它)形成可燃粒料或棒状物，以及形成用于其他特定应用的粒料。转化特别是指烘焙或碳化，例如用以生产木炭。为了生产刨花板或建材，例如焦渣石，将生物质与粘合剂混合并按照已知方法实施。在生产农作物食品的情况下，将纤维生物质与其它组分和/或食物混合，并且可将混合物形成特别是粒料的形式。

已经观察到，本发明的方法，非常特别是包括离心和之后的粉碎-干燥的制备方法，使得可获得具有所需湿度的生物质，同时比传统方法消耗更少的能量。从具有基本上粗的尺寸和约55重量％湿度的生物质开始，可以获得粒度在1毫米范围内且湿度低于15重量％，低于8重量％且甚至低于4重量％或3重量％的生物质，然而仅消耗少量的能量，也就是远低于常规干燥过程常用的量。已经观察到20％-60％范围的整体能量节省，也就是说例如在整个的干燥和粉碎过程中。应理解，对于在成形操作(例如模头造粒)中这样处理过的生物质的使用，保持10重量％至12重量％范围的较高的含水量可能是有利的，但要记住，适合造粒和/或附聚过程的物料的流动性应当保持，特别地在模具中的摩擦也使得温度升高，其可用于水的提取。

根据另一方面，本发明涉及一种特别通过提取液体特别是水，以及可能地通过粒度精制来制备木质纤维素生物质的设备，所述木质纤维素生物质随后特别用于烘焙、碳化和/或成形方法，特别用于生产可燃粒料或土壤改良粒料、用于制造建材的方法或用于制备农业食品的方法，所述设备包括至少一个具有所需粒度的生物质切碎机和筛网绞拧机以及摩擦粉碎-干燥机。

根据本发明的另一个方面，本发明还涉及特别通过水提取和粒度精制来制备木质纤维素生物质的设备，所述木质纤维素生物质随后特别用于烘焙、碳化和/或成形过程，特别用于生产可燃粒料或土壤改良粒料、或另一个用于制造建材的方法或用于制备农作物食品的方法，所述设备包括至少一个筛网绞拧机以及摩擦粉碎-干燥机。

有利地，筛网绞拧机以其产生大于1000G，有利地大于1200G，优选大于1500G，非常特别大于2500G的离心力这样的旋转速度旋转。有利地，它由在上文中已经提及的Conturbex-型绞拧机构成，所述Conturbex-型绞拧机包括筛网，优选水平轴截锥形筛网，其在小直径一侧优选通过载有生物质的流体流如空气连续地供给生物质，在已经通过螺杆沿着筛网内壁输送之后，在大直径一侧回收水分减少的生物质。生物质可以通过温度低于200℃，优选低于140℃，更特别地在环境温度与95℃之间，非常特别在40℃至95℃之间的输送空气流来输送。有利地，离心之后是磨擦干燥-粉碎。

有利地，摩擦粉碎-干燥机是如上文所述的磨碎机型粉碎-干燥机，其包括固定的扁平筒，所述扁平筒支撑位于其两个侧壁上的固定的粉碎件；在所述筒中的旋转盘，从而在双侧限定被称为粉碎隔室的第一隔室以及第二隔室，并支撑可活动的粉碎件，所述盘以500rpm至3500rpm、优选700rpm至1900rpm的速度旋转；以及用于将悬浮在优选热气体流中的生物质在转动轴附近供给到第一隔室中的管道，和用于将悬浮在气体流中的物料由第二隔室在转动轴附近排出的管道。

本发明的设备在离心和摩擦粉碎-干燥之间可以还包括中间干燥装置，所述中间干燥装置使用低温下、特别低于200℃、优选低于140℃、特别在环境温度至95℃之间的热气体。对该装置的各种变型记载在上文中。

最后，本发明的设备可以还包括下游的摩擦粉碎-干燥机，一种通过低温热气体、特别低于200℃、更特别低于140℃、特别包括在环境温度至95℃之间、有利地在40℃至95℃之间的热气体的辅助干燥装置。有利地，该辅助干燥装置可以由流化床干燥装置组成，更特别地，具有振荡-振动微孔盘的已知装置。

在下文中，基于附图对本发明进行更加详细的描述，其中

图1表示根据本发明的设备的框图；

图2是通过以连续方式轴向供应的截锥形筛网绞干机的纵剖面；

图3是贯穿在本发明上下文中使用的摩擦粉碎机的纵剖面；以及

图4是“车道沟”型活动平台的示意图。

关于图1，框图示出了制备生物质，特别是木板，也称为刨花板、碎木板或木屑板的各个步骤，通过在形成可燃物粒料600(通常称为球料)中或在由烘焙转化或碳化转化生产生物炭或木炭700中在引入之前进行离心100和摩擦-粉碎200。有利地，示出的生物质制备方法还包括中间干燥步骤300和辅助干燥步骤400。应当理解，为了能够产生具有最恒定可能的品质的产品，应当尽可能最均匀地收集、储存、切碎和混合初始物质——甚至集合在500处。优选地，所进行的储存应避免任何生物发酵。在该实施例中，木质纤维素物质是特别来自北方地区的木材。还可以转换其他木质纤维素物质，例如稻草或甘蔗渣。有利地，木材可以在砍伐地点切碎，然后以林业碎屑501的形式运输和储存。也可以运输木材，之后以原木或栋木的形式储存木材；然后可以原地将栋木去皮505和/或将它们切碎成具有所需尺寸的碎片-见507，可能进行中间缓冲储存。随后可以在根据本发明处理之前将不同种类木材混合509。为此，可以使用已知的方法和设备来达成该目的。

如下文所述，将生物质输送到使用在低温下，特别是低于140℃，特别是低于95℃的热气体，特别是热空气的根据本发明的设备中；这使得可使用低热量。因此，应当提供恒温金属浴(thermal block)800来加热空气，其配备有用于从排出的空气回收热能的交换器810以及配备有合适的控制设备820。热空气通过适当的管道833、835、837和839以合适的方式分布向本发明方法的各个步骤。

根据本发明，离心有利地在Conturbex型(商业名称Siebtechnik)离心机中进行，其轴向剖面的示意图示于图2中。截锥形筛网101显示为用悬臂支撑在能够以产生1800G至2000G离心力的速度旋转的旋转轴103上。旋转轴还带有以低于筛网101的速度旋转的截锥形螺杆105。在小直径一侧，截锥形螺杆105包括通道开口107。悬浮在低温，即低于140℃、有利地包括在40℃-95℃之间的热空气流中的生物质通过管道109轴向供给，所述管道109在截锥形螺杆105的小直径一侧卸出生物质。生物质通过离心力被传送通过筛网101上的开口107。螺杆105沿着筛网101的内壁输送生物质，并将其在大直径一侧排出。在生物质沿筛网101的路径上施用于生物质的离心力从固体颗粒中提取水，随后可以排空所述固体颗粒，可以是在已经从中回收经济上有回收意义的热量流和/或特定流之后进行。热的输送空气可以循环或者可以通入换热器，以便回收所包含的热量，重新用于本发明的方法中，或者可以将其送到制备线的任何设备中。这样的机器本身是已知的，但尚未被用于本文中预期的目的。它很牢固，使得可使用与本发明的方法的目的相适应的相当大的流量，除了非常规调整，没有任何修改，并且几乎不需要维修。螺杆速度的设定独立于筛网速度的设定，这使得可通过设定生物质在离心机中的停留时间而灵活地设定脱水。已经观察到，离心100这样可以提取包含在木材颗粒中的水的8重量％至20重量％，全部的未结合水以及显著比例的结合水。根据设定、送入离心机中的木材颗粒的湿度和尺寸，可能在适当的预处理之后，可以将含有50重量％至65重量％水的载料降至水含量在25重量％至45重量％范围。

已知水提取能力在很大程度上取决于粒度和孔隙率。进入的生物质颗粒的粒度根据经济切碎数据和关于由此制备的所述生物质的最终用途来选择。考虑到该第一离心步骤的较低的操作成本，有利的是对较粗的颗粒进一步推动脱水。在本实施例中，我们使用了符合造纸标准的切片型颗粒进行操作，还参见标准EN14961。更特别地，我们使用了长度小于63毫米，厚度在1厘米范围内的木板。更细的切碎(即导致颗粒具有几乎相同的厚度但长度小于45毫米)改善离心机中的脱水。对于相同的最终粒度结果，较粗的颗粒将需要更长的停留时间。虽然离心通常用于从大量液体中分离出较少量的固体，但是在本文中我们使用离心来从大量固体中分离出较少量的液体。

摩擦粉碎本身是已知的，但迄今为止，似乎尚未对木质纤维素生物质实施过，更没有对粒度范围大于80毫米的粗粒度实施过，已知的是其通常用于微细固体减少。其优势在于通过颗粒彼此之间的摩擦产生内部热而将生物质颗粒粉碎成所需的粒度。因此，我们可以加热浸泡物料颗粒，以便由低温热空气流驱动和疏散而提取大量的结合水和结构水。根据实施例中所保留的实施方案，磨擦粉碎装置由Attritor 20A型摩擦粉碎机组成，包括较平坦的固定筒201和同轴旋转盘203。所述旋转盘203在盘203的双侧将固定筒201的容积分为两个隔室205、207。筒201的侧壁209和211包括销，称为固定销213和固定销215，并且旋转盘在两侧包括销，称为可动销217。生物质以悬浮输送生物质的热气体流的形式，在管道206中，在固定筒201的一侧通过侧壁209，在中心轴220的附近供给。其由气体流和通过旋转盘203产生的离心力以及旋转盘203的销217朝向固定筒201的边缘驱动。在进入第一隔室205的过程中，生物质在固定销213与可动销217之间被粉碎。随后，其被它被带着绕过旋转盘203并进入隔室207。之后经管道219通过出口的过滤隔膜221最终排出。所述过滤隔膜使得具有所需尺寸的颗粒通过，而非常粗的颗粒由离心力驱动进入在销211、217位置处的特别搅动的气体流中，这允许颗粒的摩擦粉碎。最后，适当粉碎的颗粒被热流携带通过筛网221。已经观察到，在该步骤中，以经济上有利的方式提取8重量％至30重量％的水是非常有可能的。

在所述实施方案中，输送气体是与环境温度具有40℃至95℃的温差的热空气，该热空气可在设备中获得，因为其也用于将生物质输送到离心机中。应理解，磨擦干燥粉碎操作可以用环境温度的空气来操作。有利地，例如也可以在锅炉的炉气流(具有小的氧含量或者不存在氧)中输送生物质，用于产生热空气。本领域那些技术人员可以根据方法的要求、可用预算以及应用的环境和经济要求来组合各种变型。

根据实施例的方法，在离心100和磨擦-粉碎200之间设置中间干燥步骤300。在该实施方案中，该步骤在自动化的活动工作面上进行。该装置由平台301构成，其上敷设超过约3000毫米高度的一堆物料303。振动器305沿着这堆物料303移动位置，以翻动它、摇动它并使其通风。铺设的生物质的这种通风使得可蒸发所含的水，并且这在环境温度或更高的温度，优选稍高的温度，即在40℃-95℃下进行。振动器305可以包括刀片辊307，所述刀片辊307在物料内转动以便将其翻转。当然，其他振动器也可以应用于该步骤中。方法的有效性部分取决于带水的空气的蒸发；因此，必须为这种活动平台提供足够的通风。

中间干燥可能有利，特别如果在摩擦粉碎机出口处的生物质必须具有百分之几的范围内的非常低的湿度。那么可以根据在粉碎机200的出口处所需的结果确定该中间干燥的尺度。

在摩擦粉碎步骤的出口处，物料可能已经适合用于后续的转化。特别地，当预期生产可燃粒料(球料)时，可以将在摩擦粉碎步骤的出口处获得的生物质直接转移到转化过程中，特别是通过压实的转化过程。

在一些应用中，特别是当预期烘焙或碳化生物质，例如用于生产生物碳时，优选进一步推动烘干。在该实施方案中，例如通过流化床400提供辅助干燥步骤，以获得最佳湿度。这样的装置本身是已知的，不需要任何特殊描述。只是应当注意，有利地，悬浮空气温度低于140℃，优选地在40℃至95℃的范围内。

与传统方法相比，用于该生物质制备所必需的总体(电和热)能量减少了至少约50％。

如已经提及的，也可以使用炉气将木质纤维素生物质输送到摩擦粉碎机中。这些气体非常热，因此可以促进干燥。由于这些气体几乎不含氧，自燃和形成焦油的风险较低。

如从本发明的描述中显见的，最后还涉及比上述实施例中更简单的设备。在下文中我们比较了用于生物质制备的本发明的设备，包括可以处理最高达20m³物料/小时的Conturbex 520型(商业名称)离心机。经过处理的生物质已经预先切成尺寸在长度上小于63毫米，厚度在一厘米范围内并且密度为200-300kg/m³的木板。从而，这台机器可以处理4至6吨的生物质/小时。木质纤维素生物质可以负载40％至90％的水，我们已经确定，上述离心使得可提取至残留含量低至30-40％。因此，5吨/小时的供给允许提取0.5吨至2.5吨的水，这取决于物料的初始水负载。Conturbex 520的功率为22千瓦/小时，因此其平均有效消耗为14.3千瓦/小时(在额定值与平均值之间的因子为0.65)，提取能力为500升至2000升。

作为一个比较实施例，考虑5吨/小时的具有50重量％水的进入物料，10％的最小提取即为250升，对于每吨排空的水，Conturbex 520将消耗平均57.2千瓦。

通常，进行干燥的热过程每吨蒸发水消耗1mW至1.5mW。因此，能源消耗降低的最小因子为17.5。

类似地，包括摩擦粉碎机的本发明的生物质处理设备的特征还在于与常规热处理相比对于所需干燥的降低的能量消耗。作为实施例，Atritor 18A型(商业名称)粉碎机在一次单程中可将如上文所述预先切碎的物料精制成所需的粒度(0.1毫米至30毫米)，产率为24吨/小时。Atritor 18A的额定功率为160千瓦/小时。为了通过传统的粉碎(锤子、连枷、刀具)进行相同的操作，建议保留其有价值的处理能力、功率和价格，使用各自功率为370千瓦/小时的串联的两个粉碎机，产率18吨/小时，这使得每精制一吨的平均消耗达到26.7千瓦。Atritor 18A使得可达到4.3千瓦/吨的结果；因此能量消耗减少因子为6。

对于Atritor中的顺流干燥操作，通过在大气压下的内部升温而没有任何外部热供给，已经观察到随物料而定的6％至10％的水重量的减少。还已经观察到，在有外部供热的情况下，在摩擦粉碎期间产生的干燥可使得可获得0.75兆瓦/吨抽空水的效能。

事实上，在其他粉碎机中，我们也观察到了水重量的减少，但是限于2％-3％。在上述实施例中，水的流失大2到3倍。关于通过外部热供给进行干燥，Atritor的干燥效能比其他技术的大1.5至2倍。

在这种比较的背景下，应当注意，粉碎机的维修通常很繁重，需要定期干预。相反，摩擦粉碎机，特别是前述的Atritor粉碎机仅需要在间隔的时间段内进行轻微维修。此外，其允许在受控大气中工作；这在除Atritor以外的传统的粉碎机的情况下是相当不现实的，而该实施方案在本发明的上下文中显得特别重要。

Claims (20)

1.一种制备木质纤维素生物质的方法，特别地通过水提取，包括生物质的离心，以及随后的摩擦粉碎-干燥。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述离心在筛网绞拧机(100)中进行，所述筛网绞拧机(100)以产生大于1000G，有利地大于1200G，优选大于1500G，非常特别大于2500G离心力的速度旋转。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述离心在水平轴筛网(101)绞拧机(100)中进行，其在小直径一侧连续地供给生物质流(108)，在大直径一侧回收水分减少的生物质。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，用于输送生物质的空气在低于200℃的温度下，有利地处于低于140℃的温度下，优选包含在环境温度至95℃之间，更特别地40℃至95℃之间。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述离心将生物质的含水量降低了8重量％至20重量％，从而使含水量达到低于50重量％，有利地低于45重量％，优选低于40重量％、35重量％或30重量％。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述摩擦粉碎-干燥减小了导入摩擦粉碎-干燥步骤的生物质颗粒的尺寸，并随后使生物质热-浸透而暴露于通过粉碎和摩擦所产生的热量中，粉碎-干燥在Attritor-型摩擦粉碎机(200)中进行，所述摩擦粉碎机(200)包括固定的扁平筒(201)，所述扁平筒(201)支撑位于其两个侧壁上的固定的粉碎件(213，215)；并且包括在所述筒(201)中旋转的盘(203)，从而在双侧限定第一隔室(205)和第二隔室(207)，并支撑可活动的粉碎件(217)，所述盘以500rpm至2000rpm、优选700rpm至1900rpm的速度旋转，物质由流体流携带，在转动轴的附近进入第一隔室，在第一隔室中粗略粉碎并输送向所述筒的边缘，从而绕过所述盘而进入第二隔室，随后在转动轴的附近通过流体流由第二隔室穿过可调节的隔膜而最终排出。

7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述摩擦粉碎-干燥将生物质的含水量降低了8重量％至30重量％，优选10重量％至25重量％。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法在离心和摩擦粉碎-干燥之间包括中间干燥步骤，其使用处于低温，特别低于200℃，优选低于140℃的热气体。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在低温下的中间干燥步骤将含水量降低了10重量％至15重量％。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法随后进行辅助干燥步骤，其通过低温热气体，优选经由振荡-振动流化床进行。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，生物质以符合标准EN14961的P16、P31.5、P45、P63或P100型粒度导入。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，被提取的生物质的粒度范围为一毫米至一厘米。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，最后包括烘焙或碳化步骤，或者形成或制作建材的步骤。

14.一种用于制备木质纤维素生物质的设备，包括至少一个切碎装置和一个筛网离心机(100)，随后是摩擦粉碎-干燥机(200)。

15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述筛网离心机(100)以产生至少1000G，优选至少1200G离心力的旋转速度旋转。

16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述筛网离心机(100)包括水平轴截锥形筛网(101)，其在小直径一侧连续地供给生物质流(109)，在大直径一侧回收水分减少的生物质。

17.根据权利要求14或15所述的设备，其特征在于，所述生物质通过温度低于200℃，优选低于140℃的气体流来输送。

18.根据权利要求14或15所述的设备，其特征在于，所述摩擦粉碎-干燥机(200)是Attritor-型粉碎-干燥机，包括固定的扁平筒(201)，所述扁平筒(201)支撑位于其两个侧壁上的固定的粉碎件(213，215)；在所述筒(201)中旋转的盘(203)，从而在双侧限定第一隔室(205)和第二隔室(207)，并支撑可活动的粉碎件(217)，所述盘(203)以500rpm至2000rpm、优选700rpm至1900rpm的速度旋转；用于将悬浮在气体流中的生物质在转动轴的附近供给到第一隔室(205)的管道(206)，以及用于将悬浮在气体流中的物料由第二隔室(207)在转动轴(220)的附近排出的管道(219)。

19.根据权利要求14至18中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备在离心和摩擦粉碎-干燥之间包括干燥装置(300)，其使用处于低温、特别低于200℃、优选低于140℃的热气体。

20.根据权利要求14至19中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备在摩擦粉碎-干燥机的下游包括辅助干燥装置(400)，其通过低温热气体，特别经由振荡-振动流化床。