CN110869554A - 用于对包括木质纤维素生物质和液体的浆料进行脱水的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脱水系统和相关方法，其适于输送木质纤维素生物质以从木质纤维素生物质浆料中分离水的至少一部分并积累该脱水的木质纤维素生物质。脱水系统还包括被气体占据的顶部空间，该气体处于有助于将积累的生物质转移到具有加压的顶部空间的预处理反应器中的压力下。这种脱水系统可以防止来自预处理反应器的气体(例如蒸汽)的过度混合和过度回流。

Description

用于对包括木质纤维素生物质和液体的浆料进行脱水的系统 和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年7月13日提交的名称为“用于对包括木质纤维素生物质和液体的浆料进行脱水的系统和方法”且序列号为“62/532,228”的临时专利申请的优先权，其中所述临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

本发明涉及对包括木质纤维素生物质和水性液体(例如水)的浆料进行脱水，并将脱水的木质纤维素生物质引入在压力下具有气态的顶部空间的生物炼制的下游工艺中。

发明内容

本发明的实施例包括一种用于对木质纤维素生物质浆料进行脱水的系统，其中该系统包括：

a)木质纤维素生物质浆料的源，其中该木质纤维素生物质浆料包括：

i)木质纤维素生物质；和

ii)水；

b)脱水系统，该脱水系统与木质纤维素生物质浆料的源流体连通，并适于接收木质纤维素生物质浆料以从该木质纤维素生物质浆料中分离水的至少一部分，其中脱水系统至少包括固体转移装置，该固体转移装置具有包括进口和出口的壳体，其中该固体转移装置适于输送并在靠近固体转移装置的出口处积累脱水的木质纤维素生物质，其中至少在固体转移装置的进口处存在被气体占据的顶部空间，其中该顶部空间处于第一压力；以及

c)与该固体转移装置的出口流体连通的至少一个容器，其中该容器配置为接收积累的脱水的木质纤维素生物质并对该脱水的木质纤维素生物质进行处理，其中该容器具有被处于第二压力的气体占据的顶部空间，其中该第一压力具有抑制容器中的气体回流通过固体转移装置的值。

本发明的实施例也包括一种对木质纤维素生物质浆料进行脱水的方法，其中该方法包括：

a)将木质纤维素生物质浆料提供给具有进口和出口的脱水系统，其中该木质纤维素生物质浆料包括木质纤维素生物质和水；

b)在脱水系统中从木质纤维素生物质浆料中分离水的至少一部分，以形成脱水的木质纤维素生物质，其中脱水系统包括被处于第一压力下的气体占据的顶部空间；

c)通过脱水系统来输送木质纤维素生物质以在该脱水系统的出口附近积累脱水的木质纤维素生物质；以及

d)将积累的脱水的木质纤维素生物质提供给与该脱水系统流体连通的至少一个容器，其中该容器具有被处于第二压力的气体占据的顶部空间，其中该第一压力具有抑制容器中的气体流入脱水系统的值。

附图说明

图1示出了本发明的实施例的工艺流程示意图；

图2A示出了本发明的另一个实施例的工艺流程示意图；

图2B示出了图2A中的固体转移装置的实施例的一部分；以及

图3示出了本发明的另一个实施例的工艺流程示意图。

具体实施方式

本文实施例中公开了用于对生物炼制中的木质纤维素生物质浆料进行脱水并将脱水的木质纤维素生物质转移到加压环境中以进一步处理木质纤维素生物质的系统和方法。在整个申请中描述了根据本发明的系统和方法的一个或多个优点。在下文中参照图1和图2对说明性实施例进行了描述。

根据本发明的说明性实施例的方法和系统可用于对从木质纤维素生物质浆料的一种或多种源中获得的木质纤维素生物质进行脱水。如本文所用，木质纤维素生物质浆料是至少包含木质纤维素生物质和水的组合物。

木质纤维素生物质包括来自收获的残留农业材料，比如玉米秸秆(例如玉米芯、茎秆和叶子)、玉米粒中的纤维、柳枝稷、木片或其他木材废料以及其他植物物质(用于加工成生物产品或用于其他目的而种植)。木质纤维素生物质包括半纤维素、纤维素和木质素。

浆料中存在的木质纤维素生物质可以在形成浆料之前或在形成浆料时从原料进行处理。可以通过各种技术来处理木质纤维素原料，比如减小尺寸(size reduction)、洗涤、蒸煮、这些的组合等等。例如，可以通过将木质纤维素生物质原料在一个或多个研磨机中研磨成磨碎的固体以减小原料的尺寸并增加其表面积来用于后续加工(例如水解)，从而来制备生物质木质纤维素原料。

可以将木质纤维素生物质与一种或多种包括水的液体的源合并以形成浆料。水源的非限制性实例包括来自生物炼制中的一个或多个点的再循环工艺水、新鲜自来水、这些的组合等等。在与木质纤维素生物质合并之前，可以对再循环工艺水进行处理或不进行处理。

在一些实施例中，可以将一定量的木质纤维素生物质和液体(例如水)合并，以使得木质纤维素生物质浆料的总固体含量为1％-10％、2％-9％、或甚至3％-8％。如本文所用，“总固体含量”意指基于木质纤维素生物质浆料的总重量的溶解和悬浮的固体的总含量。

下面结合图2A和图2B对形成木质纤维素生物质浆料的实施例进行描述。

在图1的说明性实施例中，将木质纤维素生物质浆料105的源提供给(例如，泵送至)适于接收木质纤维素生物质浆料的脱水系统100。例如，可以经由一个或多个泵以及相关的管道和阀将木质纤维素生物质浆料105的源提供给系统100。根据本发明的脱水系统100至少包括具有进口和出口的固体转移装置，该固体转移装置适于输送和压缩木质纤维素生物质以从木质纤维素生物质浆料105中分离水的至少一部分，并形成包含脱水的木质纤维素生物质的积累的生物质110。如图1所示，可以将从木质纤维素生物质浆料105中去除的液体(例如水)115经由流115从脱水系统100中排出。在一些实施例中，可以将液流115再循环至生物炼制中的上游和/或下游的一个或多个点。

生物炼制可以包括许多单元操作，这些单元操作配置为出于各种目的而对木质纤维素生物质进行处理，尤其是在将木质纤维素生物质从浆料中脱水之后。许多这种单元操作包括被气体(例如，空气和蒸汽)占据的顶部空间，该气体相对于上游工艺和/或周围环境处于升高的压力下。如图1所示，脱水系统100的下游是系统190，该系统190包括与脱水系统100中的固体转移装置的出口流体连通的至少一个容器。该容器配置为接收积累的脱水的生物质110并对脱水的木质纤维素生物质进行处理。该容器具有被处于压力下的气体占据的顶部空间。因为系统190的容器中的压力可以相对于上游工艺和/或周围环境而升高，所以存在来自系统190的气体可以向一个或多个上游工艺回流的机会。由于多种原因，这种回流可能是不期望的。例如，这种回流可以认为是“泄漏”，并且可能必须在系统190中补充加压气体，这可能是低效的。如果气体包括蒸汽(例如，用于加热、处理等)，则热量也被“泄漏”出去，这可能是低效的。此外，如果蒸汽从系统190中泄漏进入脱水系统100，则可以将液体115加热至其蒸发点。如果液体115被重复利用/再循环，则可能必须在重复利用/再循环之前将其冷凝，这也可能是低效的。

在一些实施例中，根据本发明的系统和方法包括将在压力下的脱水系统100中的气体和积累的木质纤维素生物质110合并，以有效地防止气体(例如，蒸汽)从系统190中回流。可以对脱水系统100进行配置，使得脱水系统100的顶部空间中存在一定压力下的气体，将该气体与积累的木质纤维素生物质110合并，防止了气体从系统190中回流至过度的程度。脱水系统100的顶部空间中的气体的压力基本上等于或大于系统190中的顶部空间中的气体压力，以防止从系统190中回流。尽管如此，积累的木质纤维素生物质可以帮助防止在系统100和190的界面处的来自系统190顶部空间的气体与系统100顶部空间的气体的过度混合。积累的木质纤维素生物质110充当了物理挡板或物理垫，以帮助将系统190中的顶部空间与脱水系统100中的顶部空间隔离。可能需要将系统190中的顶部空间与系统100中的顶部空间隔离，以防止在系统100和190的界面处过度混合。例如，如果系统190包括蒸汽，则可能需要防止在系统100和190的界面处可能发生的并将过量蒸汽引入系统100的混合。应当注意，不需要将积累的木质纤维素生物质压缩到可以形成密封的程度来将系统190中的气体密封以免向脱水系统100回流。脱水系统100的顶部空间中的气体的压力基本上等于或大于系统190的顶部空间的气体压力，以帮助防止回流。积累的生物质有助于防止界面处的过度混合。这是有利的，因为一些木质纤维素生物质可能具有多变的粒径和/或低的体积密度，这使其难以被充分压缩以使其能够形成密封，并同时在连续的基础上具有期望的吞吐量。正是由于积累的木质纤维素生物质110和脱水系统100的顶部空间中的气体压力的结合，防止了来自系统190的气体的过度回流和过度混合。有利地，这种配置可以在连续的基础上以期望的吞吐量进行操作，这对于一些难以处理和加工的木质纤维素生物质(例如玉米秸秆等)而言是令人惊讶的。

在一些实施例中，脱水系统100包括被气体占据的顶部空间，该气体至少与固体转移装置的进口流体连通。可以选择脱水系统100的顶部空间中的气体压力(第一压力)，使得其与积累的木质纤维素生物质110结合，抑制了系统190的容器中处于第二压力的气体回流通过固体转移装置至过度的程度。在一些实施例中，第一压力和第二压力可以基本上相同。例如，第一压力和第二压力之间的差可以为5psi或更小、1psi或更小、或甚至0.5psi或更小。在一些实施例中，可以将第一压力维持在大于第二压力的压力。例如，可以将第一压力维持在比第二压力大0.5psi至30psi、比第二压力大0.5psi至20psi、比第二压力大0.5psi至10psi、或甚至比第二压力大0.5psi至5psi的压力。

脱水系统100的顶部空间中存在的气体可以由多种源提供。例如，可以由木质纤维素生物质浆料105中夹带的气体来供应脱水系统100中的固体转移装置的进口处的顶部空间中的在第一压力下存在的气体的至少一部分。代替任何夹带气体或除夹带气体之外，可以将专用的压缩的气体120的源供应至脱水系统100的顶部空间。气体120的实例包括空气、惰性气体(例如氮气)、二氧化碳、这些的组合等。在一些实施例中，脱水系统100的顶部空间中的压力和系统190的顶部空间中的气体大于大气压力。例如，这种压力可以在20psi至200psi之间。

图2A和图2B描绘了本发明的说明性实施例。如下所述，图2A中的系统可以有利地，例如，在随后对脱水的木质纤维素生物质进行处理(例如水解)的生物炼制的情况下，以连续的基础和期望的吞吐量对磨碎的木质纤维素生物质的浆料进行脱水。

在生物炼制中，可以使用一个或多个罐(使用搅拌或不使用搅拌，例如混合)使木质纤维素生物质形成浆料。在整个木质纤维素生物质中，可以出于一种或多种原因来制备木质纤维素生物质浆料，例如使木质纤维素生物质可运输至生物炼制中的一个或多个单元操作，并有助于分配任何处理组合物(例如酸组合物、碱组合物、酶组合物、这些的组合等)。如图2A所示，将磨碎的木质纤维素生物质原料201供应至包括一个或多个浆料罐270的浆料系统。在一些实施例中，磨碎的木质纤维素生物质201包括磨碎的玉米秸秆，磨碎的玉米秸秆的粒径使得磨碎的玉米秸秆的至少80％穿过具有六英寸的筛孔的筛网或者甚至具有一英寸筛孔的筛网，并且使得少于磨碎的玉米秸秆的20％穿过具有0.125英寸的筛孔的筛网。

将磨碎的木质纤维素生物质原料201与水性液体202以所需比例混合。例如，可以将磨碎的木质纤维素生物质原料201以便于形成浆料流205的比例与水性液体202合并，该浆料流205具有期望的总固体含量(如上所述)并且是可泵送(例如经由泵280)的。木质纤维素生物质浆料流可以是可泵送的，从而可以将其经由管道设施输送到一个或多个下游工艺，该管道设施包括例如一个或多个管道、一个或多个阀等。可以使用多种泵来泵送根据本发明的木质纤维素生物质浆料。这种泵的非限制性实例包括离心泵，例如商品名为XCS螺旋离心泵从Hayward Gordon商购的或商品名为

螺旋离心泵从Vaughan商购的螺旋离心泵。

如图2A所示，至少从流203、流250和流260中获得水性液体202。流203可以是新鲜的补给水、再循环工艺水或这些的组合。如图所示，使流250和流260从脱水系统200中再循环，这将在下面讨论。

可以在多种温度和压力条件下形成根据本发明的浆料。在一些实施例中，可以在室温和大气压力下在浆料罐270中形成浆料。

如图2A所示，在形成木质纤维素生物质浆料之后，可以将浆料流205泵送至下游工艺，例如预处理反应器290，该预处理反应器290可以具有处于升高的压力(例如大于大气压力)的气态的顶部空间291。在被引入预处理反应器290之前，可能需要对存在于木质纤维素生物质浆料流205中的木质纤维素生物质进行脱水。

根据图2A的实施例的方法和系统包括脱水系统200，其用于对来自流205的木质纤维素生物质浆料进行脱水，从而可以去除至少一些液体并且可以将脱水的木质纤维素生物质引入比如预处理反应器290的系统中，而不会出现气体(例如蒸汽)从预处理反应器290到脱水系统200的过度混合和过度回流。

如图2A所示，脱水系统200包括直接连接至固体转移装置230的封闭式筛网装置240。

木质纤维素生物质浆料205被传送至筛网装置240的进口，在筛网装置240中浆料可以经历初步脱水。

如图2A所示，封闭式筛网装置240包括筛网241，其位于可加压的壳体247中。

封闭式筛网装置240适于在筛网241的第一端242处接收木质纤维素生物质浆料流205，以使浆料向下流动(至少部分由于重力)并流过筛网241以从木质纤维素生物质浆料流205中分离水的至少一部分，并形成第一脱水的木质纤维素生物质，该第一脱水的木质纤维素生物质可以包括来自木质纤维素生物质浆料流205的残留水和木质纤维素生物质。

在一些实施例中，进入封闭式筛网装置240的浆料流205中存在的水的至少10％、至少20％、至少30％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、或甚至至少95％将穿过筛网241。在一些实施例中，可以将筛孔的尺寸选择为足够小以使基本上所有的木质纤维素生物质不穿过该筛孔。在一些实施例中，当木质纤维素生物质向下流动并穿过筛网241时，该木质纤维素生物质的至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％、至少99％、或甚至至少99.9％将不会穿过筛网241。

筛网241具有多个筛孔246。多个筛孔246允许液体穿过筛网241，以从木质纤维素生物质浆料流205中分离水的至少一部分。可以选择用于筛网241的筛孔246的尺寸，以实现期望的对浆料205中的木质纤维素生物质进行脱水，而同时在连续的基础上实现期望的吞吐量。筛网241可具有全部相同尺寸或多种不同尺寸的筛孔246。在一些实施例中，筛网241可以具有一种或多种约0.5英寸或更小、约0.125英寸或更小、或甚至约0.0625英寸或更小的筛孔尺寸。在一些实施例中，筛网241可包括具有0.03125英寸至0.125英寸的尺寸的筛孔246。

如图所示，筛网241除了第一端242之外还具有第二端243，并且筛网241定位(成角度)为使第一端242相对于水平虚线245位于第二端243上方，并使得筛网241相对于水平线245的角度244大于零。在一些实施例中，筛网定位(成角度)为使筛网241相对于水平线245的角度244大于20度、30度、40度、50度、60度、70度、80度、或甚至90度。

如图2A所示，筛网241从第一端242到第二端243是直的。

可替代地，封闭式筛网装置中的筛网可以是弯曲的，并且在下面结合图3进行讨论。

可以根据多种因素(例如筛网角度、期望的吞吐量(每分钟浆料的加仑数)等)来为筛网241选择很多种宽度和长度。在一些实施例中，筛网241从第一端242到第二端243的长度可以为16英寸至15英尺、30英寸至10英尺、或甚至为40英寸至9英尺。在一些实施例中，筛网241的宽度(垂直于长度)可以为10英寸至10英尺、或甚至为10英寸至50英寸。

已经发现，通过在倾斜的筛网241的第一端242(顶端)处引入浆料流205并使浆料向下流动并穿过筛网241，可以在不过度堵塞筛网241的情况下，从木质纤维素生物质中分离液体(例如水)的至少一部分。该脱水技术可以适应固体负载、生物质尺寸、和/或生物质形状(例如，由于研磨，木质纤维素生物质的不同形式(例如，玉米壳，对比玉米杆，对比玉米芯)等)的变化。在一些实施例中，可以在不过度破坏的情况下连续地(例如，几天、几周等)进行这种脱水。尽管不受理论的束缚，但据信通过在倾斜的筛网241的顶部引入浆料205使得顶端242附近的液体具有相对高的体积和/或速度，从而有助于使筛网241免于被木质纤维素生物质堵塞至过度的程度，尤其是玉米秸秆中存在的扁平的生物质结构，比如叶子和壳。另外，由于木质纤维素生物质在其向下流动并穿过筛网241时被脱水，因此它可以接触筛网241(例如，至少部分由于重力)并且具有“擦洗”效果，该效果同样有助于使筛网241免于被木质纤维素生物质堵塞至过度的程度，尤其是扁平的生物质结构，比如叶子和壳。

示例性的成角度的筛网241如“重力筛”是可商购的。可商购的重力筛的一个实例可以以具有型号SV10S Bb的商品名为STA-SIEVE固定筛分装置从SWECO获得。可商购的重力筛的另一个实例可以以商品名

固液分离设备从Parkson Corporation获得。可商购的重力筛的另一个实例可以从Fluid-Quip，Inc.获得。为了便于将脱水的木质纤维素生物质经由固体转移装置230从封闭式筛网装置240转移到容器290，封闭式筛网装置240在筛网241的顶部和壳体247之间具有顶部空间229，该顶部空间可以具有在一定压力下存在的气体，该气体与离开固体转移装置230的积累的脱水的木质纤维素生物质结合，防止了来自容器290的气体通过固体转移装置230而混合和回流至过度的程度。如图2A所示，顶部空间229至少在固体转移装置230(例如，螺旋输送机或进料器)的进口231处流体连通。可以选择顶部空间229中的气体压力(第一压力)，以便与来自装置230的积累的脱水的木质纤维素生物质结合，顶部空间229中的气体抑制了容器290的顶部空间291中的处于第二压力下的气体(例如蒸汽)回流通过固体转移装置230至过度的程度，或抑制了该气体与系统200中的任何液体或气体混合至过度的程度。在一些实施例中，第一压力和第二压力可以基本上相同。例如，第一压力和第二压力之间的差可以为1psi或更小、或甚至0.5psi或更小。在一些实施例中，可以将第一压力维持在大于第二压力的压力。例如，可以将第一压力维持在比第二压力大5psi或更大、或者甚至比第二压力大10psi或更大的压力。

顶部空间229中存在的气体可以由多种源提供。例如，可以由木质纤维素生物质浆料流205中夹带的气体来供应固体转移装置230的进口231处的顶部空间229中的在第一压力下存在的气体的至少一部分。例如，尽管不受理论的束缚，但据信在浆料罐270中高速混合可产生湍流，该湍流导致气体(例如空气)被夹带在木质纤维素生物质浆料中。该夹带的气体可以被携带到浆料罐270的底部，在此处该气体可以进入泵280，并且被压缩并通过浆料流205中的一个或多个管道运输。当浆料流进入封闭式筛网装置240时，气体会膨胀并从浆料中逸出至顶部空间229，并在固体转移装置230的进口231附近产生加压的顶部空间229。此外，浆料流205可以在顶部空间229与浆料罐270之间形成物理密封，使得顶部空间229相对于浆料罐中的顶部空间(可能处于大气压力下)处于升高的压力下。另外，浆料流205管道设施可以包括一个或多个阀，以在顶部空间229和浆料罐270之间产生密封。

代替任何夹带气体或除夹带气体之外，可以将专用的压缩的气体220的源供应至顶部空间229。气体220的实例包括空气、惰性气体(例如氮气)、二氧化碳、这些的组合等。在一些实施例中，顶部空间229中的压力和容器290的顶部空间291中的气体大于大气压力。例如，这种压力可以在20psi至200psi之间。

如上所述，脱水系统200还包括固体转移装置230，该固体转移装置230用于将脱水的木质纤维素生物质(第一脱水的木质纤维素生物质)从封闭式筛网装置240转移到容器290中。

如图2A所示，固体转移装置230具有进口231和出口238，并且其适于输送第一脱水的木质纤维素生物质中的木质纤维素生物质，以从第一脱水的木质纤维素生物质中分离残留水250的至少一部分，并在靠近出口238积累第二脱水的木质纤维素生物质，以便可以将其进料到容器290中。在一些实施例中，固体转移装置230去除存在于第一脱水的木质纤维素生物质中的残留水的50％或更多。在一些实施例中，固体转移装置230可以去除存在于第一脱水的木质纤维素生物质中的水的30％或更少、20％或更少、或甚至10％或更少。

多种固体转移装置可用于输送和压缩根据本发明的木质纤维素生物质。如图2A所示，固体转移装置230包括一端具有进口231且另一端具有出口238的管状槽或筒构件232。进口231适于接收顶部空间229中的处于第一压力下的第一脱水的木质纤维素生物质。如图2B所示，筒构件232可包括用于输送木质纤维素材料的螺杆部237，该螺杆部237具有位于螺杆部237中的可旋转的螺杆236。螺杆可以由发动机(未示出)驱动。因为可以将固体转移装置配置为在不高度压缩生物质的情况下输送和积累木质纤维素生物质，因此具有相对低的马力的发动机可用于期望的吞吐量。例如，可以使用具有约200或更小马力(例如0.26HP/(吨/天))的发动机通过固体转移装置230以每天高达700吨或甚至800吨的吞吐量来输送木质纤维素生物质。因为不需要压缩木质纤维素生物质以在顶部空间291和229之间形成气体密封，所以固体转移装置230可经受较少的磨料磨损。

如图2B所示，螺杆部237还可以包括安装在筒构件232和螺杆236之间的筛网235，以帮助从第一脱水的木质纤维素生物质中去除残留水并形成再循环流250。

如图2B所示，筒构件232还可以包括在筒构件232的出口238附近的积累部234。

固体转移装置(比如固体转移装置230)可以包括一个或多个机械特征，其促进在出口238附近以及在顶部空间229与顶部空间291之间的木质纤维素生物质的积累。这种机械特征的非限制性实例包括在排放出口238上的挡板门239；或在固体转移装置230的排放出口238上的背压锥(back-pressure cone)(未示出)。

如上所述，生物炼制可以包括一个或多个单元操作(例如容器290)，该单元操作配置为出于各种目的而对木质纤维素生物质进行处理，尤其是在将木质纤维素生物质从浆料中脱水之后。这种单元操作可以包括顶部空间291和大量的木质纤维素生物质292，其中顶部空间291被相对于上游工艺(例如浆料罐270)处于升高的压力下的气体(例如，空气和/或蒸汽)所占据。如图2A所示，浆料罐270的下游是容器290，该容器290与脱水系统200中的固体转移装置230的出口238流体连通。如图所示，容器290配置为连续地接收来自固体转移装置230的积累的木质纤维素生物质并对脱水的木质纤维素生物质进行处理。由于顶部空间291中的压力可以相对于浆料罐270和/或周围环境而升高，所以存在来自容器290的气体可以向一个或多个上游工艺回流的机会。由于多种原因，这种回流可能是不期望的。例如，这种回流可以认为是“泄漏”，并且可能必须在容器290中补充加压气体，这可能是低效的。如果气体包括蒸汽(例如用于加热等)，则热量也被“泄漏”出去，这可能是低效的。此外，如果蒸汽从容器290中泄漏进入脱水系统200，则可以将流202、流250和流260中的液体加热至其蒸发点。因为流202、流250和流260中的液体被重复利用/再循环至浆料罐275，所以在其被重复利用/再循环之前必须将其冷凝，这也可能是低效的。

脱水系统200包括将顶部空间229中的气体和在固体转移装置230中积累的脱水的木质纤维素生物质结合，以有效地防止来自容器290的气体(例如蒸汽)的混合和回流。脱水系统200可以配置为使得存在于顶部空间229中的处于压力下的气体与来自进料器230的积累的脱水的木质纤维素生物质合并，防止来自容器290的气体通过固体转移装置230混合和回流至过度的程度。进料器230中积累的脱水的木质纤维素生物质可以充当物理挡板或物理垫，以将顶部空间229与顶部空间291隔离。可能需要将顶部空间291与顶部空间229隔离，以防止在系统200和反应器290的界面处过度混合。例如，如果反应器290包括蒸汽，则可能需要防止在系统200和反应器290的界面处可能发生的并将过量蒸汽引入系统200的混合。应当注意，不需要将积累的脱水的木质纤维素生物质压缩到可以形成密封的程度来将容器290中的气体密封以免回流进系统200。在脱水系统200的顶部空间229中的气体与反应器290中的顶部空间291基本上相同或更大，以帮助防止回流。积累的生物质有助于防止界面处的过度混合。正是来自进料器230的积累的生物质与顶部空间229中的气体压力的结合，防止了来自容器290的气体的过度混合和过度回流。有利地，这种配置可以在连续的基础上以期望的吞吐量进行操作，这对于一些难以处理和加工的木质纤维素生物质(例如，磨碎的玉米秸秆等)而言是令人惊讶的。另一个优点是，可能难以压缩以形成“密封”塞以密封顶部空间229的相对小的密度和/或可变尺寸的木质纤维素生物质，仍然可以通过使用将加压的顶部空间229与根据本发明的来自进料器229的“密度较小”的积累的生物质结合，来进行脱水并转移到加压环境(比如容器290)中。再一个优点是，因为不需要将木质纤维素生物质压缩到与顶部空间291形成密封的程度，所以固体转移装置230可以在较低的功率消耗和较低的设备磨损下操作。

很多种反应器290可用于处理木质纤维素生物质292。在生物炼制中，一个示例性反应器是预处理反应器。如图所示，反应器290包括位于一堆木质纤维素生物质292上方的加压的顶部空间291，该顶部空间291具有排气口293，以根据需要从顶部空间291中去除气体。可以将预处理反应器的内容物(木质纤维素生物质292和水性液体(未示出))暴露于温度和pH一段时间，以将存在于木质纤维素生物质中的一种或多种多糖水解成一种或多种单糖(糖)，可以使用一种或多种微生物将该一种或多种单糖(糖)转化为一种或多种生化制品。示例性水解条件包括将木质纤维素生物质暴露于温度范围在245°F至350°F内并且pH值为0.5至3.0的水性液体中，持续时间为0.5小时至5小时。可以通过使用一种或多种技术(例如酸解、酶解等)来对木质纤维素生物质进行加工来制作获得糖。

图3示出了本发明的另一个实施例。图3中所示的实施例与上面关于图2A讨论的实施例相同，除了图3中的封闭式筛网装置中的筛网是弯曲而不是直的。脱水系统300包括直接连接至固体转移装置330的封闭式筛网装置340。木质纤维素生物质浆料305被传送至筛网装置340的进口，在筛网装置340中浆料可以经历初步脱水。

如图3所示，封闭式筛网装置340包括筛网341，其位于可加压的壳体347中。封闭式筛网装置340适于在筛网341的第一端342处接收木质纤维素生物质浆料流305，以使浆料向下流动(至少部分由于重力)并流过筛网341以从木质纤维素生物质浆料流305中分离水的至少一部分，并形成第一脱水的木质纤维素生物质，该第一脱水的木质纤维素生物质可以包括来自木质纤维素生物质浆料流305的残留水和木质纤维素生物质。

筛网341具有多个筛孔346。多个筛孔346允许液体穿过筛网341，以从木质纤维素生物质浆料流305中分离水的至少一部分。如图所示，筛网341是从第一端342至第二端343的凹形弯曲的表面，其曲率半径为20英寸至150英寸，或甚至为40英寸至120英寸。对于具有凹形弯曲的表面的筛网341，可以相对于水平线放置这种筛网，以在第一端342(进口)处实现期望的角度349并在第二端343(出口)处实现期望的角度344。在一些实施例中，筛网341可以具有在55度至99度、或者甚至在85度至95度的范围的进口角度349，以及具有在25度至60度、或者甚至25度至35度的范围的出口角度344。尽管不受理论的束缚，但据信通过在进口342处具有相对大的角度349使得顶端342附近的液体具有相对高的速度，从而有助于使筛网341免于被木质纤维素生物质堵塞至过度的程度，尤其是玉米秸秆中存在的扁平的生物质结构，比如叶子和壳。

当木质纤维素生物质离开筛网341的第二端343时，它进入固体转移装置330的开口331。可以看出，固体转移装置的开口331暴露于封闭式筛网装置340的顶部空间329，从而可以通过控制顶部空间329中的压力来控制进口331处的气体压力，如上文关于图2A所讨论的。

Claims (21)

1.一种用于对木质纤维素生物质浆料进行脱水的系统，其中，所述系统包括：

a)木质纤维素生物质浆料的源，其中所述木质纤维素生物质浆料包含：

i)木质纤维素生物质；和

ii)水；

b)脱水系统，所述脱水系统与所述木质纤维素生物质浆料的所述源流体连通，并适于接收所述木质纤维素生物质浆料以从所述木质纤维素生物质浆料中分离所述水的至少一部分，其中所述脱水系统至少包括固体转移装置，所述固体转移装置具有包括进口和出口的壳体，其中所述固体转移装置适于输送并在靠近所述固体转移装置的所述出口处积累脱水的木质纤维素生物质，其中至少在所述固体转移装置的所述进口处存在被气体占据的顶部空间，其中所述顶部空间处于第一压力；以及

c)与所述固体转移装置的所述出口流体连通的至少一个容器，其中所述容器配置为接收所述积累的脱水的木质纤维素生物质并对所述脱水的木质纤维素生物质进行处理，其中所述容器具有被处于第二压力的气体占据的顶部空间，其中所述第一压力具有抑制所述容器中的所述气体回流通过所述固体转移装置的值。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一压力基本上等于或大于所述第二压力。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述木质纤维素生物质浆料的所述源包括一个或多个泵，所述一个或多个泵适于经由一个或多个与所述脱水系统流体连通的管道来泵送所述木质纤维素生物质浆料，其中每个泵配置为将所述木质纤维素生物质浆料加压至高于大气压力。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括一个或多个与所述一个或多个泵流体连通的容器，其中每个容器适于将木质纤维素生物质和水性液体合并以形成所述木质纤维素生物质浆料。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述一个或多个容器适于使其内容物暴露于大气条件。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述固体转移装置的所述进口处的所述顶部空间的在所述第一压力下存在的气体中的至少一部分能够由在所述木质纤维素生物质浆料的所述源中夹带的气体供应。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括与所述脱水系统流体连通的气体的源，以提供处于所述第一压力下的所述顶部空间中的所述气体，其中所述气体的所述源包括一个或多个连接至所述脱水系统的气体管道。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脱水系统还包括封闭式筛网装置，所述封闭式筛网装置包括具有多个筛孔的筛网和位于所述筛网上方的顶部空间；其中所述多个筛孔允许液体穿过以从所述木质纤维素生物质浆料中分离所述水的至少一部分；其中所述筛网具有第一端和第二端，并且放置为使所述第一端相对于水平线位于所述第二端的上方，并且使所述筛网相对于水平线的角度大于零；其中所述封闭式筛网装置适于在所述筛网的所述第一端接收所述木质纤维素生物质浆料，以使所述浆料向下流动并流过所述筛网以从所述木质纤维素生物质浆料中分离所述水的至少一部分并形成包含残留水和木质纤维素生物质的第一脱水的木质纤维素生物质；其中所述固体转移装置与所述封闭式筛网装置流体连通；并且其中位于所述筛网上方的所述顶部空间包括在所述固体转移装置的所述进口处的处于所述第一压力下的所述顶部空间。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述固体转移装置壳体包括在一端具有所述进口并且在另一端具有所述出口的筒构件，其中所述进口适于在所述第一压力下接收所述第一脱水的木质纤维素生物质，其中所述固体转移装置适于通过所述筒构件来输送所述第一脱水的木质纤维素生物质，以从所述第一脱水的木质纤维素生物质中分离所述残留水的至少一部分，并在靠近所述固体转移装置的所述出口处积累第二脱水的木质纤维素生物质。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括与所述封闭式筛网装置流体连通的气体的源，其中所述封闭式筛网装置适于接收所述气体，使得所述气体可以在所述第一压力下占据位于所述筛网上方的所述顶部空间。

11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述封闭式筛网装置包括重力筛，所述重力筛具有约0.25英寸或更小的筛孔尺寸。

12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述筒构件包括：

a)靠近所述筒进口的螺杆部；

b)设置在所述螺杆部内的可旋转的螺杆；以及

c)靠近所述筒出口的积累部。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，还包括至少位于所述筒构件和所述螺杆之间的所述螺杆部中的筛网，其中，当所述螺杆将第一脱水的木质纤维素生物质输送通过所述筒构件时，所述筛网适于允许将所述残留水的至少一部分从所述第一脱水的木质纤维素生物质中分离。

14.一种对木质纤维素生物质浆料进行脱水的方法，其中所述方法包括：

a)将木质纤维素生物质浆料提供给具有进口和出口的脱水系统，其中所述木质纤维素生物质浆料包含木质纤维素生物质和水；

b)在所述脱水系统中从所述木质纤维素生物质浆料中分离水的至少一部分，以形成脱水的木质纤维素生物质，其中所述脱水系统包括被处于第一压力下的气体占据的顶部空间；

c)通过所述脱水系统来输送所述木质纤维素生物质以在所述脱水系统的所述出口附近处积累所述脱水的木质纤维素生物质；以及

d)将所述积累的脱水的木质纤维素生物质提供给与所述脱水系统流体连通的至少一个容器，其中所述容器具有被处于第二压力的气体占据的顶部空间，其中所述第一压力具有抑制所述容器中的所述气体流入所述脱水系统的值。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述木质纤维素生物质包括磨碎的玉米秸秆。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述磨碎的玉米秸秆具有使得所述磨碎的玉米秸秆的至少80％穿过具有一英寸的筛孔的筛网的平均粒径。

17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一压力和所述第二压力在20psi至200psi的范围内，其中所述第一压力等于或大于所述第二压力。

18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一压力大于所述第二压力，并且其中所述第一压力与所述第二压力之差为5psi或更小。

19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述至少一个容器是预处理反应器。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述预处理反应器包括水解反应器，所述水解反应器在一定条件下操作以水解所述木质纤维素生物质中的一种或多种多糖。

21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述条件包括将所述木质纤维素生物质暴露于温度范围在245°F至350°F内并且pH值为0.5至3.0的水性液体中，持续时间为0.5小时至5小时。

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