CN108026495B - 用于处理生物质的方法和布置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生物质水解的布置和方法，包括供给泵(2)、预水解反应器(106)和在它们之间用于将新鲜生物质浆料供给至预水解反应器(106)的供给线路(4)，其中，供给泵是离心供给泵(2)，并且预水解反应器是上流反应器(106)。

Description

用于处理生物质的方法和布置

本发明涉及一种用于处理生物质的方法和布置。本发明尤其适于生物质水解，例如适合生物燃料、化学制品、肥料等的后期生产。

术语“生物质”一般涉及从活的、或最近活的生物有机体获得的任何材料。在能源的背景下，其常常用于指的是植物材料，然而，来自畜牧业、食品加工和制备以及生活有机废料的副产品和废料都能形成生物质的来源。生物质被广泛使用，并包含以纤维素、半纤维素和木质素为形式的高比例碳水化合物。主要的五类生物质是：(1)木材残渣(包括锯木厂和造纸厂废物)，(2)城市纸张废料，(3)来自焙烤食品厂以及食品生产和加工工业的其他领域的残渣，(4)农业残渣(包括玉米秸秆、玉米棒子和甘蔗渣)，和(5)专用能源作物(其主要由诸如柳枝稷（switch grass）和芒草之类的快速长高的木质草组成)。

生物质的处理一般需要以下步骤：(1)生物质的收集和到加工工厂的运输；(2)生物质的通过机械/物理、化学、生物和热手段中的一个或多个的预处理，以形成对水解处理开放的生物质浆料；(3)利用将碳水化合物解聚成其组分糖分子进行催化的高度专化的酶、碱或酸来进行酶法、碱性或酸性水解；(4)糖分子的最终处理，例如像葡萄糖变成乙醇的发酵那样；和(5)发酵最终产品的分离，像来自水相发酵液的乙醇那样。

现有技术已知用于生物质材料的预处理的许多技术，用于生产可更迅速并且有效地水解以产生糖分子的物质。这些技术包括但不限于：自动水解、酸性水解、氨活化、硫酸盐制浆、有机溶剂制浆、热水预处理、氨渗透、石灰预处理、腐蚀性溶剂制浆或碱性过氧化氢预处理蒸汽喷发、即化学制品(例如，有或没有酸或碱的添加)的使用；像切碎、磨碎、研磨和/或精炼那样的机械/物理手段；像用酶和/或真菌的处理那样的生物手段；像用蒸汽加热生物质那样的热手段，等等。在该阶段，值得理解的是，为了具有尽可能有利于水解的起始材料，以上列出的两个或更多个或其他合适的预处理可组合进行。所有这样的方法的共同目标是，这样的器件、过程和过程条件的使用确保了反应物和酶具有对生物质浆料中的含碳水化合物的固体的表面尽可能开放访问。

在预处理之后，在一个或多个水解反应器容器中加工生物质浆料，在那里，合适的化学制品或酶使碳水化合物水解、例如分解成单体。预处理的生物质浆料倾向于是高度黏性的。在水解期间，预处理的生物质浆料随着预处理的生物质的聚合物转化成单体而被进一步液化。单体、糖在水解之后被进一步加工成例如像乙醇那样的期望的最终产品。

US-A-5,888,806更详细地讨论了用于木质纤维材料的生物转化的塔式反应器。该美国文献的起始点是这样的情况，即现有技术已教导了对生物反应器连续混合的需求。由于在具有成百甚至一两千立方米的体积的塔中对生物质的连续混合几乎不可能，所以该美国文献提出了一种由许多圆柱塞流段和布置在它们之间的混合区形成的生物反应器塔。每个混合区可借助于一个或多个壁装搅拌器或借助于外部混合/泵送回路实现。将塔分段的目的是允许主要在塞流条件下、即在非混合或非湍流的条件下进行水解，并间歇地混合或搅拌生物质，以确保有效并且均匀的热和质量传递。该文献教导的是，在水解开始的时候，即对于首先的12个小时，混合阶段应每隔两小时持续大约5分钟，并且之后应每隔4-12小时持续5分钟。对于首先12个小时的更频繁的混合的原因是在于这样的情况，即：生物质的稠度高，即大约为10%，然而，当进行水解反应时，生物质的稠度或黏度变低。

更具体地，该文献还教导了，在水解的早期阶段需要壁装搅拌器，由此，在商业规模的该过程中可具有30米至40米的高度的反应器塔必须在若干个水平高度处、例如在10米的高度和在20米的高度处设置有壁装搅拌器。附加地，混合/泵送回路必须布置在水解的后期阶段，即在我们的示例中布置在25-30米的高度处。因而，塔式反应器与其所有搅拌器和泵送回路一起的结构和仪器装设以及更不用说的维护是如此复杂，使得其在实践中阻碍了这样的塔式反应器的应用。

该美国文献还教导了，将从其预处理阶段接收的生物质带到使合适的酶、化学制品和/或营养物与生物质混合的混合器。该文献教导了，混合器中的停留时间典型地少于大约10分钟。混合器还用作将浆料泵推送到塔式生物反应器的底部中并将浆料输送通过塔的泵。该文献未提到混合器类型，但由于停留时间是以分钟为单位计算，并且还由于混合器也用作泵，所以除了大尺寸的螺旋供给器，几乎没有任何其他选项。如果该假设是正确的，则容易理解为什么必须沿着塔式反应器的长度来混合生物质。唯一的原因是螺旋供给器不能将酶/化学制品/营养物均匀地混合在生物质中。

因而，该美国文献提出的用于生物质水解的装备是复杂的，并因而是昂贵的。可用于搅拌具有大约10wt%的固体含量的生物质的搅拌器必须具有特殊的结构，并且它们的驱动马达非常强劲，由此，用于运行水解的能源消耗非常高。此外，用于使酶、化学制品和/或营养物与新鲜生物质混合几分钟的混合器必须具有特殊的结构，这几乎不可避免地至少意味着高的投资成本，以及也意味着明显高的运行成本。

US-A1-2011/0177559讨论了其中加工生物质原料(例如，植物生物质、动物生物质和城市废料生物质)的过程，以生产诸如燃料的有用产品。例如，描述了能将原料材料转变成糖溶液的系统，所述糖溶液然后能发酵，以生产乙醇。生物质原料在容器中通过喷射混合器的操作糖化，容器还包含液体介质和糖化剂。

换句话说，该更加新近的文献还教导了对使水解反应器的内含物、即生物质浆料进行混合的需求。需要正确理解的特征是：该美国申请的水解反应器借助于喷射混合器的混合。喷射混合器是用于使液体或者液体和固体的非常稀的悬浮液混合的器件。喷射混合器不能使几乎不流动的稠的并且可能成块的悬浮液混合。然而，鉴于上述引用的文献，看起来好像将某种混合器布置在水解反应器中或将某种混合器与水解反应器结合布置是常见的实践。这样的布置需要一个或多个混合器件、它们的驱动和支持系统、仪表等，由此，这些装备的投资、运行和维护形成了工厂的总成本的相当大的一块。

在实践中，将昂贵并且复杂的装备用于水解反应器的基本原因似乎是生物质中的酶、营养物和/或化学制品的非均衡的混合，由此，在其中的生物质和酶、营养物和/或化学制品不得不在水解期间被混合或搅拌许多次。

WO-A1-2014039984讨论了一种两级水解过程，其中，借助于正排量泵将新鲜生物质泵送至使酶与生物质混合的酶混合器。接下来，将因而由酶和生物质形成的混合物带到连续操作的第一下流水解反应器。在一定的停留时间之后，从第一下流水解反应器排出生物质，并经由第二酶混合器将其带到第二下流水解反应器。

与以上讨论的水解过程相关的实际问题涉及为允许所述过程以及使第一水解反应器操作的方式所需的装备。首先，用于使生物质移动至第一水解反应器的正排量泵的使用绝不是经济的选择，与其投资、运行和维护相关的成本均比离心泵的那些成本高。并且其次，在下流模式中第一水解的运行也是不经济的。换句话说，与其中反应器是具有相当大的直径的上流反应器的情况相比，黏性生物质沿着相对窄的管线到第一水解反应器的顶部的泵送需要多得多的能源。此外，使第一和第二水解反应器以下流模式运行需要生物质必须在第一水解反应器之后，再次被泵送至第二水解反应器的顶部。

US-A-4,248,484讨论了一种研磨反应器系统，其中，反应器容器耦连至用作研磨机的离心泵。基本构思是使反应器容器的内含物经由离心泵循环，使得研磨机向供入反应器容器的固体提供高的剪切。该专利中的示例讨论了以1%的稠度或浓度操作的该主题的研磨反应器系统。

本发明的目的是针对以上讨论的问题中的至少一些问题提供解决方案。

本发明的另一目的是介绍这样一种用于生物质水解的布置，其结构简单，并且包含需要维护的非常少的部件。

本发明的又一目的是介绍这样一种用于生物质水解的方法和布置，其中，酶、营养物和/或化学制品的混合在将生物质与酶、营养物和/或化学制品的混合物供给到水解反应器中之前在水解反应器外进行一次或两次，并且其中，由于塞流的原因，水解反应被允许没有中断地进行。

本发明的又一目的是介绍这样一种用于生物质水解的方法和布置，其中，新鲜生物质的浓度等于或高于15%。

本发明的又一目的是介绍这样一种用于生物质水解的布置，其在所有可能的尺寸上都是可缩放的。

本发明的又一目的是介绍这样一种用于生物质水解的布置，其在商业上是有吸引力的，即鉴于投资、运行和维护。这包括装备的选择和装备的操作，使得得到的能源消耗尽可能最小。

本发明的又一目的是介绍这样一种用于生物质水解的布置，其能够将生物质的固体含量提高至高的水平，并且当然同时减少或者有时避免对水解中的淡水的需求。

本发明的又一目的是优化包括水解反应器的总过程的机械。

上一目的通过以下事实决定：生物质在水解反应器中的停留时间；与水解反应器相关的投资；和用于在水解过程中泵送和/或混合生物质的装备的投资、运行和维护。当详细考虑这些因素时，据了解，水解反应器的尺寸由于其取决于生物质浆料的停留时间和固体含量，所以应通过利用这样的具有这种固体含量的生物质浆料计算，使得可借助于离心泵来泵送生物质浆料，所述离心泵在所有的方面、即在投资、运行和维护成本方面优于任何其他泵送装备。因而，即使水解反应器必须比当例如使用螺旋进给器时要大，在使用离心泵时，对较大的反应器的投资也通过与离心泵的使用相关的较低的投资、运行和维护成本被非常快地平衡。

本发明的至少一个目的通过两级水解过程中的生物质水解的方法满足，所述两级水解过程具有预水解反应器和带有水解区和排出区的水解反应器，方法包括步骤：

a) 通过机械、物理、热和化学手段中的至少一种预处理新鲜生物质，以使生物质对水解处理开放；

b) 在步骤(a)中或者在那之后，向具有15wt%或以上的稠度的新鲜生物质添加酶、化学制品和营养物中的至少一种；

c) 在步骤(b)中或者在那之后，使酶、化学制品和营养物中的至少一种与新鲜生物质混合，以形成它们的混合物；

d) 在步骤(c)中或者在那之后，从预水解反应器、水解反应器的排出区和它们之间的线路中的一个回收至少部分水解的生物质浆料，以便与酶、化学制品和营养物中的至少一种和新鲜生物质的混合物进行混合，用于降低其黏度并形成生物质浆料；

e) 借助于离心泵将生物质浆料供给至预水解反应器；

f) 允许生物质浆料在预水解反应器中在向上的方向上作为分层塞流前进；和

g) 从预水解反应器取走至少部分水解的生物质浆料，用于在水解反应器中进一步加工。

本发明的至少一个目的通过用于生物质水解的布置来满足，所述布置包括：供给泵；水解反应器，其带有入口和出口；和在供给泵与水解反应器之间的供给线路，用于将新鲜生物质浆料供给至水解反应器，其中，供给泵是离心泵，并且回收线路被布置成从水解反应器的出口延伸至供给泵或其上游。

本发明的作为特性的其他典型特征从所附的从属权利要求变得明显。

根据本发明的布置和方法的优点例如如下：

酶、化学制品和/或营养物的回收；

商业规模的过程可通过比以前小得多的投资来构建；

对附加的水的最少使用；

降低的运行和维护成本；

水解反应器的优化尺寸；和

可靠的设备。

根据本发明的用于生物质水解的方法和布置将参考附图被更详细地描述，其中：

图1示意性地图示了本发明的第一优选实施例；

图2示意性地图示了本发明的第二优选实施例；

图3示意性地图示了本发明的第三优选实施例；

图4示意性地图示了本发明的第四优选实施例；以及

图5示意性地图示了本发明的第五优选实施例。

根据图1，本发明的所有优选实施例的用于生物质水解的布置的主要部件是：离心供给泵2；供给线路4；塔式反应器，即水解反应器6；排出泵8；排出线路10；和回收线路12。供给线路4将生物质浆料从离心供给泵2带到塔式反应器或水解反应器6的第一端，所述第一端与第二端、即排出区有关，所述第二端布置有排出泵8。排出泵8使至少部分水解的生物质浆料从塔式反应器6经由第一排出出口移动至排出线路10，所述排出线路10将至少部分水解的生物质浆料带至进一步的加工，仅仅是列出几个选项而无意将所述进一步的加工局限于所列出的选择，比如带至第二水解级或带至发酵。回收线路12从排出线路10或者排出泵8(其具有超过一个的压力出口)分支，或借助于第二排出出口和排出泵(未示出)被单独地布置，用于将至少部分水解的生物质浆料的一部分回收至生物质的预处理或源16与塔式反应器或水解反应器6之间的任何合适的位置。

关于离心供给泵2，好的选项是设计成泵送纤维浆料或包含固体颗粒的任何浆料的离心泵。优选的选项是由Sulzer Pumps AG销售和推销的所谓中等稠度泵，所述泵能够泵送具有远高于20wt%的固体含量的生物质浆料。这样的中等稠度泵包括转子，所述转子从泵的叶轮延伸到泵的入口通道中，或者有时延伸到其外面从而延伸到在泵上游的桶状储罐(dropleg)或某一其他容器中。中等稠度泵已例如在EP-B1-347088、EP-B1-368530和EP-B1-1147316中讨论。在有些情况下，如果需要，离心供给泵2不论其详细结构，可设置有用于使气体与生物质浆料分离的装置。这样的泵已例如在EP-B1-337394、EP-B1-474478和EP-B1-830511中讨论。

为使所述布置工作所需的附加部件是酶、化学制品和营养物中的一个或多个的源14和生物质的源16。图1所示的部件的剩余部分是可选择的，即，为此的需求取决于各种因素，像生物质的固体含量、细度、来源/类型、塔式反应器或水解反应器的尺寸、在塔式反应器中的流动方向、即向上或向下流动，等等。

因而，如果生物质从其预处理、即从其源16的流动不稳定，而是波动的，则需要在供给泵2上游的桶状储罐20，使得在离心供给泵2上游需要一定量的缓冲容量，以便使得供给泵2接收新鲜生物质的连续流。如果新鲜生物质的流动不波动，并且不需要缓冲容量，则可将生物质和酶、化学制品和/或营养物直接引至泵2的入口。

如果考虑离心泵2不能、或者出于其他一些原因而不能用于将所有必需的酶、化学制品和营养物和/或回收的至少部分水解的生物质浆料混合至新鲜生物质，则需要单独的混合器22。

当塔式反应器或水解反应器6是在其上端具有其水解区的下流塔式反应器或水解反应器，并且具有这样的大的直径，使得需要将生物质浆料均匀地撒布在已经在塔式反应器6中的生物质浆料的塞上时，需要布置在水解反应器6的入口开口或入口中的所谓的顶部撒布器的入口器件24。在无入口器件24的情况下，生物质浆料的竖直输入流会深深地渗入到已经在塔式反应器6内的生物质浆料中，并且导致生物质浆料的沟道效应。在该应用中，沟道效应意味着如下现象：带有一定速度进入塔式反应器的生物质浆料深深地沉入到较早引入的生物质浆料中，并且以比在塔式反应器中的生物质浆料的剩余部分快的步伐到达塔式反应器的排出区。在其最坏的情况下，这样的沟道效应会导致生物质浆料的靠近塔式反应器的壁的那部分不可移动地停滞在塔式反应器中，而生物质浆料的另一部分以相对快的步伐从塔式反应器的入口传递到其排出，由此，从塔式反应器排出的生物质浆料基本上未水解，而在塔式反应器中的部分则完全水解。还应理解的是，存在用于将生物质浆料的供给布置至水解反应器的其他选项。可行的选项是通过水解反应器的壁将供给线路4带进水解反应器，并且如果需要，则借助于位于水解反应器内的供给线的路的端部处的撒布器件来布置生物质浆料的撒布。

如图1所示，由于反应器是下流反应器，所以排出区26位于塔式反应器6的底部部分。当塔式反应器或水解反应器具有足够小的直径时和/或当至少部分水解的生物质浆料的固体含量或黏度足够低或者水解的程度足够高时，至少部分水解的生物质浆料的排出可在无任何专门的装置的情况下、即通过仅将排出出口或仅仅是出口布置至水解反应器的(优选但非必要的，圆锥形的)底部来进行。然而，当反应器6具有足够宽的直径时和/或当至少部分水解的生物质浆料的黏度或固体含量足够高或者水解的程度足够低时，本发明的第一优选实施例的并且图1所图示的排出区26设置有一个或多个搅拌器28，所述一个或多个搅拌器28保持至少部分水解的生物质浆料在反应器6的底部部分中移动，使得生物质浆料的连续流经由排出出口进入排出泵8。塔式反应器的底部部分或排出区26还可以，但非必要地，设置有优选但非必要的底部中心支柱30，所述底部中心支柱30借助于其稍微蘑菇状的形状将排出区26与在塔式反应器6上部的水解区分开，即，防止生物质浆料塞在排出区26中以不受控制的方式坍塌。现在，搅拌器28优选以这样的方式安装至塔式反应器的壁32，使得它们使至少部分水解的生物质浆料围绕底部支柱30旋转，由此，旋转的生物质浆料从主要在排出区26上方的生物质浆料塞以受控的方式使生物质浆料变松。值得一提并且尤其适合具有较小的直径的塔或反应器的选项是在排出区布置在塔的一侧上的犁状插件，由此，与插件相对定位以朝着插件引导流动的单个搅拌器或一对搅拌器能将排出区保持处在可移动的状况中，使得至少部分水解的生物质浆料的排出可以受控的方式进行。

关于生物质水解所用的布置的操作，待引入所述布置的生物质通过任何合适的机械、物理、热和/或化学手段在16处预处理(可称作生物质的预处理)，所述任何合适的机械、物理、热和/或化学手段使固体的碳水化合物对用于水解的酶、化学制品和/或营养物开放，以形成对水解处理开放的生物质。用于这样的处理的优选选项是汽蒸，即向生物质添加蒸汽，使得其温度升高，并且在生物质内的结合物(例如木质素)变软，并使生物质较易于借助于常规的普通或中等稠度离心泵泵送。因而，如果需要，进入离心供给泵2或桶状储罐20的新鲜生物质处于这样的细度，即在预处理中分成这样的精细颗粒，使得不论其高于15wt%、优选地高于20wt%的固体含量或稠度，其能够借助于离心供给泵2泵送至所述过程。

酶、化学制品和营养物中的至少一种被添加或与具有15wt%或以上的稠度的新鲜生物质混合，以在以下各项的至少一个中形成它们的混合物，所述各项为：预处理(在16处)、将新鲜生物质从预处理供给至桶状储罐20或泵2的线路、泵2本身、混合器22和将回收的至少部分水解的生物质浆料带到桶状储罐20、泵2和混合器22中的一个的线路中的至少一个线路。本发明的优选特征是，酶、化学制品和/或营养物被干燥或浓度尽可能高地引入生物质，用于防止过量的液体输送到生物质中。这样的过量液体由于其必须例如通过蒸发从过程的最终或中间产品中去除，所以在实践中意味着能源的浪费。因而，虽然不是完全必要，但有利的是，在酶、化学制品和/或营养物与新鲜生物质的预处理和混合之后，不向过程中添加附加的液体。

新鲜生物质或生物质浆料还设置有经由线路12和经由通向供给泵2与塔式反应器6之间的供给线路4(包括可能使用的入口器件24)的线路12a、通向混合器22的线路12b、通向离心供给泵2的线路12c和通向新鲜生物质的源或预处理(在16处)与桶状储罐20或供给泵2之间的线路的线路12d中的至少一根线路，从塔式反应器或水解反应器的排出区回收的至少部分水解的生物质浆料。优选地，至少部分水解的生物质浆料在供给泵2的上游被回收或回收至供给泵本身，以降低新鲜生物质的黏度，以便使得其变得可泵送或较易于通过离心供给泵2泵送。

酶、化学制品和营养物中的至少一种的混合借助于离心供给泵2或旋转混合器22进行。在任一情况下，混合在高度湍流的环境下在小的空腔中发生，使得酶、化学制品和/或营养物具有与新鲜生物质均匀并且均质地混合的最佳环境。实际的混合在少于10秒内、优选地在几秒内、更优选地在几分之一秒内发生。在小的空腔中的快并且一致的混合确保了酶、化学制品和/或营养物全部均匀地撒布在生物质浆料上，由此，水解可在无需任何中间混合级的情况下有效地进行至其期望的程度。

在提供以回收的至少部分水解的生物质浆料和酶、化学制品与营养物中的至少一种之后，取决于水解反应器是下流反应器还是上流反应器，从其顶部(图1、图2、图4和图5的实施例)或从其底部(图3和图5的实施例)将生物质浆料引入塔式反应器或水解反应器6。在本发明的所有实施例中，将生物质浆料引入反应器6，使得生物质浆料能够在反应器中作为分层塞流前进，以便水解可在无任何中断的情况下进行。通过“塞流”理解其中生物质在无任何内部湍流的情况下作为塞在反应器中前进的流动类型，并使得在反应器的整个横截面上的流动速度是恒定的。当反应器的直径大并从顶部添加生物质浆料时，使用位于水解反应器入口中的某种入口器件24。入口器件24优选但非必要地是旋转入口器件，并且能够将生物质浆料作为均质的层撒布在已经存在于塔式反应器6中的生物质浆料的顶部上，即，其将生物质浆料均匀地撒布至塔式反应器6的整个横截面。如果塔式反应器或水解反应器是上流反应器，则生物质浆料到塔中的引入可通过利用位于塔的底部的若干个入口或通过布置与单个入口有关的专门的撒布器件来进行。

在预定的停留时间之后，生物质浆料已达到期望的水解程度，并从塔式反应器6排出至少部分水解的生物质浆料。主要取决于原始的固体含量，取决于塔式反应器6的直径和/或取决于水解的程度，至少部分水解的生物质浆料可在无任何专门装置的情况下借助于至少一个排出泵8直接经由出口从反应器的排出区26排出，或者通过利用专门的装置(通过参考图1和图2的实施例更详细地讨论)从反应器的排出区26排出，以确保至少一个排出泵从反应器6接收至少部分水解的生物质浆料的连续流。排出泵8，在该实施例中是离心泵，将至少部分水解的生物质浆料泵送至进一步的加工。

相同的排出泵8或布置至其自身的出口的单独的排出泵用于从反应器的排出区回收回至少部分水解的生物质浆料的一部分，以如较早所讨论地，与新鲜生物质浆料混合。回收这样的生物质的目的是防止稀释液体(通常为水)的过量使用，并尽可能高地保持塔式反应器6中生物质浆料的固体含量。由于水解通过使碳水化合物链分解成糖来降低生物质浆料的黏度，所以可避免对外部稀释液体的使用，分解越多就更进一步地允许水解进行。因而，回收的至少部分水解的生物质浆料当与新鲜生物质混合时用作稀释液体，换句话说，其在过程中不引入附加的液体的情况下降低了新鲜生物质与回收的生物质浆料的混合物的总黏度，由此，得到的生物质浆料变得较易于泵送。此外，在使新鲜生物质可泵送中，通过利用至少部分水解的生物质浆料，塔式反应器中的生物质浆料的固体含量尽可能地高，实际上，固体含量由离心供给泵泵送包含固体的流体的能力决定。与利用具有较低的固体含量的生物质浆料的水解反应器相比，生物质浆料的高的固体含量在实践中意味着塔式反应器的较小的尺寸。高的固体含量还意味着水从最终或中间产品的去除中的较少的能源消耗。因此，对于用作排出泵8的好的选项是由Sulzer Pumps AG销售和推销的所谓中等稠度泵，所述泵能够泵送具有远高于20wt%的固体含量或稠度的生物质浆料。此外，排出泵8不论其详细结构，如果需要，则可设置有用于将气体与至少部分水解的生物质浆料分离的装置。将至少部分水解的生物质浆料的一部分回收至新鲜生物质的附加益处是同时也还回收酶、化学制品和/或营养物的一部分，导致对将新鲜的酶、化学制品和/或营养物从14供给至新鲜生物质浆料的需求降低。

在图2中图示的本发明的第二优选实施例与图1所讨论的第一优选实施例的不同之处在于塔或反应器的排出区126，其中，图2的塔式反应器或水解反应器6设置有底部刮刀40，其是大致中心地布置至塔式反应器6的底部42的器件，使得轴44在反应器6内延伸，并且轴44具有一个或多个刮刀叶片46，所述一个或多个刮刀叶片46相对靠近塔式反应器6的底部42地从所述轴向外延伸。作为另一替代，塔底部可设置有用于至少部分水解的生物质浆料的超过一个的刮刀和(优选但非必要的)中心出口。塔底部42，或实际上在其中的出口，还设置有短的桶状储罐48，排出泵8耦连在所述短的桶状储罐48的下部。底部刮刀运转，使得其在旋转的同时，其将至少部分水解的生物质浆料刮擦到出口并进入短的桶状储罐48，生物质浆料从那里如结合图1所讨论地被进一步泵送。当然，如图2所示，回收线路12可起源于加压排出线路10，但其也可起源于排出泵8的另一压力出口，或起源于布置在短的桶状储罐48中的第二排出出口（具有另一排出泵），或起源于布置在塔底部的排出区中的第二排出出口中的第二短的桶状储罐(设置有另一排出泵)。

取决于塔直径、塔底部形状和/或至少部分水解的生物质浆料的固体含量或黏度或水解程度，在图中未示出的确保排出区的正确运转的另一选项是布置一根或多根回收线路，以将生物质浆料从排出泵8带回排出区。通过将至少部分水解的生物质浆料的一部分回收回排出区，所述区中的流动和整体移动增强，由此，在排出区不可能形成任何停滞区域。回收的至少部分水解的生物质浆料的引入可经由期望数量的入口开口通过水解反应器的底部和/或壁来进行。

在图3中图示的本发明的第三优选实施例与前面的两个优选实施例的不同之处在于塔式反应器或水解反应器6中的流动方向，现在，其为上流反应器，即，供给线路4从离心供给泵2通向在塔式反应器6的底部、优选在其中心的入口开口。通常，塔底部中的一个入口是足够的，但在有些特定的情况下，供给线路4可设置有优选靠近塔的底部的分流器，以及例如对称地布置在塔底部的底部处的四根另外的供给线路，使得均质的生物质浆料流在四个不同的入口或入口开口处进入塔。借助于这种布置，确保了生物质浆料在塔式反应器中在向上的方向上作为分层塞流前进。

当然，可看到的另一差异是在塔式反应器6的顶部、即排出区，在出口或排出出口中布置有所谓的顶部排出器50。至少部分水解的生物质浆料通过由供给泵2原始产生的压力被压入顶部排出器50。顶部排出器50包括转子在其中旋转的腔室，使得进入该器件的生物质浆料流能够进行到顶部排出器50的出口。因而，顶部排出器50能够混合、分配和控制至少部分水解的生物质浆料的排出流。如果需要，顶部排出器50的转子可设置有用于产生这样的离心力场的装置，所述离心力场能够从至少部分水解的生物质浆料去除气体。分离的气体可排放至大气，或者可收集以用于进一步的加工。顶部排出器50还可设置有能够提高压力的叶轮，使得借助于产生的升高的压力，至少部分水解的生物质浆料经由线路10被带到进一步的加工，如图5中作为示例显示的那样，或者其一部分被回收回线路12。附加地，回收线路12可从排出线路10分支，或者可源于其自身单独的出口，即，以与较早的实施例相同的方式。在存在用于回收线路的其自身单独出口的这种情况下，需要离心泵用于回收至少部分水解的生物质浆料。当然，虽然回收的生物质浆料是从排出线路10取走的，但是这样的泵可能还是需要的。

在图4中图示的本发明的第四优选实施例与较早的实施例的不同之处在于，示出了布置在离心供给泵2与塔式反应器6之间的供给线路4中的上流预水解反应器106，即，反应器106和6串联布置。上流反应器106可以关于预水解的期望的保留时间被设计，由此，一个选项是从上流预水解反应器106与实际的塔式反应器或水解反应器6之间的排出线路104取走回收线路112。另一可能更优选的选项是从同样如图4所示的实际水解反应器6的排出线路10分支出回收线路。关于至少部分水解的生物质浆料从上流预水解反应器106的排出，如结合图3所讨论地，布置至预水解反应器106的出口的顶部排出器可以优选被使用。特别地，当反应器的直径相当小时，另一替代是在反应器管道中布置弯曲件，以这样的方式将预水解反应器106连接到入口器件24，使得由供给泵2产生的压力能够将生物质浆料从预水解反应器排出至实际的水解反应器6。至少部分水解的生物质浆料从塔式反应器或水解反应器6的底部的排出可借助于在该说明书中较早介绍的选项中的任何一个来进行，底部刮刀40仅仅是作为示例而示出。

在图5中图示的本发明的第五优选实施例与较早的实施例的不同之处在于，所述布置现在包括超过一个的塔式反应器或水解反应器6。塔式反应器6能够以连续流的原理操作或者以间歇原理操作。除此之外，图5的实施例遵循图4所讨论的原理，即，上流预水解反应器106，其现在设置有将至少部分水解的生物质浆料分配至塔式反应器6和回收线路112的顶部排出器。然而，当然还可能的是，将至少部分水解的生物质浆料的一部分从塔式反应器6的排出线路10带到回收线路。

当然，如果被使用，则还可能使用供给泵2或旋转混合器22，以将生物质浆料分配至并联布置的超过一个的塔式反应器或水解反应器6。换句话说，现在讨论的实施例是图5的变型，其中已删除预水解反应器106。这样的水解反应器6能够以连续流的原理或以间歇原理操作。此外，反应器6可以是上流或下流反应器，并设置有在该说明书中较早讨论的入口和排出装置中的任何一个，包括实际上不需要的替代。

在图4和图5中图示的实施例的优点是，用于使生物质移动通过水解过程所需的能量明显减少。现在，由于窄的管线的使用限于泵2与预水解反应器106之间的管线4以及预水解反应器106与实际的水解反应器6之间的管线104，所以使水解布置的管线中的流动阻力最小，然而在使用两个下流反应器的现有技术中，具有从地面高度延伸至水解反应器的顶部的两根窄的管线。

如能从以上说明看到的那样，已经开发了一种用于生物质水解的方法和新颖的布置。尽管在本文中已作为示例结合目前被认为是最优选实施例的实施例描述了本发明，但应理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而是意在涵盖其在如所附权利要求中限定的本发明的范围内的特征及其他应用的各种组合和/或变型。

Claims (21)

1.一种两级水解过程中的连续生物质水解的方法，所述两级水解过程具有预水解反应器和水解反应器，所述水解反应器具有水解区和排出区，所述方法包括步骤：

a) 通过机械/物理、化学、生物和热手段中的至少一种来预处理新鲜的生物质，以使生物质对水解处理开放；

b) 在步骤a)中或者在那之后，向具有15wt%或以上稠度的所述生物质添加酶、化学制品和营养物中的至少一种；

c) 在步骤b)中或者在那之后，使酶、化学制品和营养物中的至少一种与所述新鲜生物质混合，以形成它们的混合物；

d) 在步骤c)中或者在那之后，从所述预水解反应器(106)、所述水解反应器(6)的排出区(26、126)和它们之间的排出线路(104)中的一个回收至少部分水解的生物质浆料，以与酶、化学制品和营养物中的至少一种和所述新鲜生物质的混合物进行混合，以便形成生物质浆料并用于降低其黏度；

e) 借助于离心供给泵(2)将所述生物质浆料供给至所述预水解反应器(106)；

f) 允许所述生物质浆料在所述预水解反应器(106)中在向上的方向上作为分层塞流前进；和

g) 从所述预水解反应器(106)取走至少部分水解的生物质浆料，用于在所述水解反应器(6)中进一步加工。

2.根据权利要求1所述的生物质水解的方法，其特征在于，在步骤f)之后，在从所述预水解反应器(106)排出所述部分水解的生物质浆料的同时使其混合。

3.根据权利要求1所述的生物质水解的方法，其特征在于，借助于所述离心供给泵(2)和/或布置在所述离心供给泵(2)与所述预水解反应器(106)之间的供给线路(4)中的单独的旋转混合器(22)来执行步骤c)。

4.根据权利要求1所述的生物质水解的方法，其特征在于，将所述至少部分水解的生物质浆料回收至下述中的至少一个：所述离心供给泵(2)的上游、所述离心供给泵(2)本身、旋转混合器(22)以及所述离心供给泵(2)或所述旋转混合器(22)与所述预水解反应器(106)之间。

5.根据权利要求1所述的生物质水解的方法，其特征在于，从所述预水解反应器(106)的排出线路(104)、从所述排出线路(10)或者经由其自身的出口从所述水解反应器(6)取走回收的所述至少部分水解的生物质浆料。

6.根据权利要求1所述的生物质水解的方法，其特征在于，将酶、化学制品和营养物中的至少一种至少引至新鲜生物质的预处理(16)、所述离心供给泵(2)的上游、所述离心供给泵(2)和单独的旋转混合器(22)中的一个。

7.根据权利要求1所述的生物质水解的方法，其特征在于，在从所述预水解反应器(106)或所述水解反应器(6)排出所述至少部分水解的生物质浆料的同时，将气体与所述至少部分水解的生物质浆料分离。

8.根据权利要求7所述的生物质水解的方法，其特征在于，借助于所述预水解反应器(106)或所述水解反应器(6)的离心泵或顶部排出器(50)来执行将气体与所述生物质浆料分离的步骤。

9.根据权利要求1所述的生物质水解的方法，其特征在于，在借助于所述离心供给泵(2)朝着所述预水解反应器(106)供给所述生物质浆料的同时，将气体与所述生物质浆料分离。

10.根据权利要求1所述的生物质水解的方法，其特征在于，在所述预处理中和/或与酶、化学制品和营养物中的至少一种一起，向所述生物质添加所述过程所需的所有液体。

11.根据权利要求1所述的生物质水解的方法，其特征在于，在使回收的所述至少部分水解的生物质与所述生物质混合之前，向所述生物质添加所述过程所需的所有液体。

12.根据权利要求1所述的生物质水解的方法，其特征在于：

a) 在至少一个上流预水解反应器中和在至少一个下流水解反应器中进行所述生物质水解；或者

b) 在至少一个上流预水解反应器中和在串联或并联耦连的至少两个下流水解反应器中进行所述生物质水解。

13.一种用于连续生物质水解的布置，包括：供给泵、预水解反应器(106)、带有至其水解区的入口和离开其排出区的出口的水解反应器(6)、在所述供给泵与所述预水解反应器(106)之间用于将新鲜生物质浆料供给至所述预水解反应器(106)的供给线路(4)，其特征在于，所述供给泵是离心供给泵(2)，并且所述预水解反应器(106)是在其底部具有入口并且在其顶部具有出口的上流反应器，所述布置进一步包括一个或多个回收线路（12、12a、12b、12c、112），所述一个或多个回收线路（12、12a、12b、12c、112）用于从所述预水解反应器(106)、所述水解反应器(6)的排出区(26、126)和它们之间的排出线路(104)中的一个回收至少部分水解的生物质浆料。

14.根据权利要求13所述的生物质水解的布置，其特征在于，所述水解反应器(6)由单个塔式反应器形成，或者由并联耦连的至少两个反应器形成。

15.根据权利要求13或14所述的生物质水解的布置，其特征在于，与所述预水解反应器(106)的出口结合布置的混合器件，用于混合从所述预水解反应器(106)排出的部分水解的生物质浆料。

16.根据权利要求13所述的生物质水解的布置，其特征在于，所述水解反应器(6)设置有入口器件(24)，用于将所述生物质浆料均匀地撒布至所述水解反应器(6)的整个横截面。

17.根据前述权利要求13所述的生物质水解的布置，其特征在于，所述预水解反应器(106)或所述水解反应器(6)设置有用于促进至少部分水解的生物质浆料从所述预水解反应器(106)或从所述水解反应器(6)的排出区的排出的装置。

18.根据权利要求13所述的生物质水解的布置，其特征在于，所述水解反应器(6)设置有用于促进至少部分水解的生物质浆料从所述水解反应器(6)的排出区的排出的装置，并且用于促进排出的所述装置是：至少一个搅拌器(28)和可选的底部支柱(30)，所述底部支柱(30)布置在所述水解反应器(6)的底部处且位于所述排出区中；或者至少一个底部刮刀(40)，所述至少一个底部刮刀(40)具有轴(44)和叶片(46)并且布置在所述水解反应器(6)的底部处且位于所述排出区中；或者一条或多条回收线路，所述一条或多条回收线路从所述排出区取走所述至少部分水解的生物质浆料的一部分并将其返回至所述水解反应器的排出区。

19.根据前述权利要求13所述的生物质水解的布置，其特征在于，所述离心供给泵(2)设置有用于将气体与所述生物质浆料分离的装置。

20.根据权利要求13所述的生物质水解的布置，其特征在于，所述预水解反应器(106)设置有用于促进至少部分水解的生物质浆料从所述预水解反应器(106)的排出的装置，并且用于促进排出的所述装置是顶部排出器(50)或者排出泵(8)，所述顶部排出器(50)布置在所述预水解反应器(106)的顶部上，所述排出泵(8)与所述水解反应器(6)的底部处的排出区(26、126)流动连通地布置。

21.根据权利要求20所述的生物质水解的布置，其特征在于，所述顶部排出器(50)或所述排出泵(8)设置有用于将气体与所述生物质浆料分离和/或用于将所述生物质浆料分配至若干个出口的装置。

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