CN113613772A - 用于在进一步加工成增值产品之前处理有机材料的蒸汽爆破设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于对有机材料进行预处理以进一步加工成增值产品的连续流蒸汽爆破反应器。反应器包括装载部段、带有可调速输送机的高压保持部段、压力释放部段以及排放部段。反应器包括用于向至少所述高压保持部段提供蒸汽的装置和用于提供加压气体(例如空气)以进一步增压的装置。装载部段适当地构造成将材料从环境压力输送到高压保持部段，同时在高压保持部段中保持高压和温度，并且压力释放部段被构造成将材料从高压保持部段输送到排放部段，同时在高压保持部段中保持高压。压力释放部段构造成在压力下降的情况下将材料释放到所述排放部段，同时在高压保持部段中保持高压。

Description

用于在进一步加工成增值产品之前处理有机材料的蒸汽爆破 设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于有机材料的半连续的蒸汽爆破和水解的设备和方法，以作为用于从该材料中生产增值产品的进一步加工之前的有利的预处理。
背景技术
生物质的蒸汽爆破是如下的预处理工艺：打开纤维，并且使生物质聚合物更容易用于后续过程、即发酵、水解或致密化过程。诸如木材的生物质材料是具有高机械强度的复合材料。主要成分是嵌入到木质素和半纤维素的基质中的纤维素。它们共同形成致密地堆积的细胞结构(纤维)，从而形成纤维束，并且它们成为诸如木材的生物组织的基础。它们的天然功能是能够承受高机械负荷，抵抗微生物引起的化学和酶降解。蒸汽爆破已经被证明对于打开生物质纤维和促进从生物质中回收糖和其他有用的化合物是一种有价值和重要的技术。还建议将其作为生产固态的生物燃料颗粒的预处理过程，以增加热值，并且改善生物质的颗粒特性。
1926年梅森(Mason)等人将蒸汽爆破作为生物质预处理过程引入并获得了专利(1926)。该专利描述了用于木材的预处理的蒸汽爆破过程。在该过程中，木屑通过石棉枪中的螺旋装载阀从料仓中送入。然后，在约285℃的温度和3.5MPa的压力下对切屑进行蒸汽加热约2分钟。压力迅速地增加至约7MPa(70巴)约5s，随后切屑通过受限孔口(开槽端口)排放，并且在大气压力下爆破成浆料。
一般而言，蒸汽爆破是指如下的过程：在压力(1至3.5MPa)下用热蒸汽(180至240℃)来处理生物质，随后对生物质进行爆破压力释放，从而使得生物质纤维刚性结构破裂。突然的压力释放使纤维素束去颤，这会导致纤维素更易于酶水解和发酵。根据停留时间和温度的不同，蒸汽爆破可能导致木材结构上的小裂缝，甚至木材纤维的完全去颤。
批量操作和连续模式的蒸汽爆破反应器在本领域中都是已知的，但是具体地，连续蒸汽爆破仪器在技术上是非常具有挑战性的。改善的连续流蒸汽爆破反应器使其具有更高的效率和经济性，例如通过在连续操作中保持高压、提高能源效率和减少仪器应变，将非常受欢迎。
发明内容
本发明的蒸汽爆破反应器实现了致密的纤维材料的不屈服结构的突然分解，使该纤维材料易于有效水解和随后的分解，例如通过发酵。蒸汽爆破单元还用于实现引入的有机废料(例如纤维素、木质素、蛋白质和脂肪/油)的水解和/或皂化、以及从废料流中提取可溶的碳氢化合物、氨基酸或肽、脂肪酸及其盐。蒸汽爆破预处理过程具有如下的多种用途：i)致密的纤维材料的结构的破裂；ii)低生物利用率材料(例如木质素和纤维素材料)的至少部分的分解；iii)有机材料的预水解；iv)从固态基质中提取营养的水溶液；v)对所有材料进行消毒。
该工艺中的消毒是非常有利的，因为它大大提高了下游产品的效用。目前，有效利用来自例如屠宰场设施或鱼类或食品加工厂的某些废料流是具有挑战性的，因为这些废料流可能受到有害细菌的污染、以及通常含有大量尿布和粪便的生活垃圾。除了材料的破碎和水解外，蒸汽爆破处理还提供所需的消毒。在许多国家和地区，使用屠宰场废料、食物废料或其他潜在的细菌废料(例如用于堆肥的废料)需要通过高压消毒等进行消毒。本系统对堆肥材料提供必要的消毒，因此，这更容易被接受并且产品价值更高。
在最基本的实施方式中，本发明涉及一种蒸汽爆破反应器，所述蒸汽爆破反应器包括装载部段、高压保持部段、压力释放部段和排放部段，其中，所述高压保持部段包括至少一个可调速输送机，所述可调速输送机用于通过所述部段输送所述材料流。当在碱性条件下运行时，蒸汽爆破反应器还可以可选地包括至少一个集成的二氧化碳洗涤单元，该二氧化碳洗涤单元可以有利地构造成与蒸汽爆破反应器同时运转。
本发明的蒸汽爆破反应器包括蒸汽提供装置，所述蒸汽提供装置用于至少向高压保持部段提供蒸汽，并且在一些实施方式中，所述蒸汽提供装置还向装载部段和/或压力释放部段提供蒸汽。在有利的实施方式中，蒸汽爆破反应器还包括连接到加压气体源的气体提供装置，所述气体提供装置用于向反应器的选定隔室提供加压气体。加压气体可以包括加压空气，但是在一些实施方式中，可以使用替代气体、或补充有其他气体化合物(例如，尤其是二氧化碳)的加压空气，如本文将进一步描述的。加压气体可以用于补充至少部分的蒸汽以产生高压。在一些实施方式中，向高压保持部段提供加压气体。在其他实施方式中，向装载部段和压力释放部段中的一个或多个附加地或替代地提供加压气体。
由此，本发明的一个方面涉及一种通过蒸汽爆破和水解对有机材料进行预处理以作为用于从这些材料中生产增值产品的进一步加工之前的有利处理的设备和方法。
连续或半连续的蒸汽爆破工艺过程和装置旨在处理有机材料，以促进其随后转化为增值产品。在蒸汽爆破过程中处理的有机材料能够具有不同的来源和成分。本发明的系统和工业通常针对被预分类或未被预分类的有机废料、或主要包含有机物质的废料，例如但不限于来自一般家庭废料的有机废料。由此，用于处理的被接收的废料可以包括但不限于以下的一个或多个、或任何组合：生活垃圾、屠宰场废料、食品工业废料、渔业废料、来自植物油和鱼油工业的废料、污水污泥、污水油脂和油、诸如麦秸或其他秸秆的农业废料、稻壳、豆腐渣、草和动物粪便、以及花园废料和废木材。
从本发明的蒸汽爆破中产生的产品流中得到的增值产品包括通过厌氧分解产生的甲烷、通过发酵、土壤改良堆肥和生物柴油产生的乙醇。这些产品、或这些产品中的两个或两个以上的组合可以从被蒸汽爆破的材料的不同部分获得，取决于所采用的分离过程和馈送的性质。
蒸汽爆破仪器也可以用于造纸原料的预处理，例如用于木材制浆和造纸的替代原料或其他用途。
当在碱性条件下进行蒸汽爆破时，含水的碱性提取物和固态基质随后优选地在集成的二氧化碳洗涤器中降低pH，如下文所述。
在引入到高压保持部段之前，进料优选地通过预处理部段馈送，所述预处理部段可以包括润湿和混合部段，在该润湿和混合部段中可以向该流中添加水，以获得所需的固液比并混合材料，并且可影响pH值，特别是用于随后的碱性蒸汽爆破，在这种情况下，碱性溶液在润湿和混合部段中被混合到该流中。润湿和混合部段优选地包括顶部馈送的输送混合器和润湿枢部，例如一个或多个润湿喷嘴。润湿和混合部段的出口端口例如使用本文所述的阀组件经由装载部段连接到高压保持部段。在有用的实施方式中，装载部段包括旋转计量阀，更优选地包括旋转计量阀和高压旋转排放阀的串联组合。在该实施方式中，旋转计量阀确保适当大小剂量的基质在被输送到高压保持部段之前被装载到高压旋转排放阀的隔室中。在另一实施方式中，在润湿和混合部段与高压保持部段之间设置单独的装载隔室。该隔室由高压入口阀和出口阀限制，如下文参考具体实施方式进一步详细描述的，但是一般适用于本发明。从润湿和混合部段到蒸汽爆破反应器的高压保持部段的连接确保了材料可以连续或半连续地在环境压力下从润湿和混合部段输送到高压保持部段，同时在高压保持部段中持续地保持高压。
在高压保持部段中，通过合适的装置(例如但不限于通过可调速输送机或混合输送机、优选地通过螺旋输送机或混合螺旋输送机)将被装载的基质从装载点输送到出口点。高压保持部段在装载端和释放端处分别配备有至少一个且优选地两个以上的蒸汽注入端口和旋转阀或独立输送隔室，这意味着可以在一端处存在至少一个旋转阀但优选地存在两个旋转阀，并且在另一端处至少存在一个输送隔室、或者在每一端处至少存在一个但优选地存在两个旋转阀、或者在每一端处至少存在一个输送隔室。这些优选地分别配备有适当的蒸汽注入端口和压力释放端口，并且有利地被同步使得在操作期间高压保持部段中的压降最小，并且高压保持部段中的保持时间可以通过对与装载和释放阀/隔室的装载和释放机构同步的输送速度的调节而在宽范围内进行调节。该同步经由诸如PLC系统的控制单元被有利地控制。
在一些实施方式中，蒸汽爆破单元还包括研磨和/或均质单元，所述研磨和/或均质单元布置在向连续流蒸汽爆破反应器进行馈送的润湿和混合部段的上游。研磨/均质单元可以是本领域技术人员已知的任何合适的机械类型，用于在根据本发明的进一步加工之前对进料进行研磨和/或切碎或类似的机械处理。
以连续或半连续方式来操作蒸汽爆破处理是特别有利的，这涉及为了促进过程中的水解使引入的材料(优选地处于碱性或酸性溶液中的材料)而经受高的压力和温度，并且经由突然的压降(例如通过高压旋转的释放阀或单独腔室)来排放所述材料。下文描述了适当的布置，使得在高压保持部段保持在高的工作压力和温度下，同时，连续或半连续地引入和排放基质材料，而不会显著地释放高压保持部段的压力或温度。与间歇操作的蒸汽爆破相比，这提高了效率并降低了能源需求。
如上文所述，在一些实施方式中，通过用加压气体(例如典型的加压空气)部分地替代该过程通常所需的高压蒸汽来辅助蒸汽爆破过程，从而实现能量需求的进一步降低。在这种构造中，通常通过蒸汽注入来实现所需温度，但是也可以通过注入压缩气体(例如空气)来实现所需压力。这可能适用于蒸汽爆破设备的所有高温/高压部段、或者可能限于下文所述的蒸汽爆破设备的压力释放部段。
为了在蒸汽爆破过程中促进目标材料的水解和结构分解，在一些实施方式中，压缩空气可能含有CO2的分压、优选地该CO2的部分压力是相对于提供有空气混合物的相应的部段/腔室中的温度和压力范围下能达到的CO2的分压较高的CO2的分压。该实施方式用于促进CO2渗透到目标材料中，并且通过酸促进的水解来促进内部分解，从而进一步支持所述材料在该工艺过程的压力释放步骤中的机械分解。
如上所述，本发明的蒸汽爆破反应器包括压力释放部段。术语“压力释放部段”通常是指反应器组件中的加工材料的高压力被释放的部段，从而导致爆破性破坏性反应。如下文进一步解释的，在一些实施方式中，压力释放部段包括用于从高压保持部段排放材料的双阀组件，例如带有旋转计量阀和旋转排放阀的双阀组件，其中，旋转排放阀将基质释放到低压力的区域(排放部段)，使得蒸汽爆破从阀的释放隔室和下方的接收材料流的相邻空间发生。在其他实施方式中，压力释放部段构成独立腔室，该独立腔室通过高压阀与高压保持部段和低压接收部段/排放部段隔开，这种构造中的阀可以独立地从浮动球阀、旋转球阀、刀闸阀和滑阀选择但不限于这些阀。
在其他实施方式中，压力释放部段包括由至少一个装载阀、压力释放阀和至少一个出口阀限制的腔室。在这些实施方式中，腔室通过装载阀从侧面进行装载，压力通过压力释放阀从装载端口的上方释放，腔室通过出口阀从其底部进行排放。该腔室的尺寸适合于在预定范围内接收一定量的基质，并且适应压力释放的蒸汽爆破作用。在有用的实施方式中，压力释放阀连接到所述腔室的上部，并且压力释放导管从所述压力释放阀延伸，以用于接收逸出的蒸汽和/或气体。在下文所述的这些实施方式中，爆破的压力释放是向上的，并且气体和蒸汽通过用于热回收的冷凝器被释放。另一方面，基质材料不会膨胀超过压力释放腔室的限制，压力释放阀位于该压力释放腔室的上方。该实施方式是有利的，因为固态材料不会在爆破步骤中通过释放阀输送，从而显着地降低了由于磨损或通过固态颗粒损坏密封件而导致密封问题的可能性。该实施方式也是有利的，因为压力释放部段中的高速固态材料引起的仪器腐蚀被最小化。在该实施方式中，在蒸汽爆破已经发生且压力显著地降低之后，通过出口阀从压力释放的底部排放目标材料，以便在单独的步骤中进行进一步处理。在这些实施方式的一些中，防溅保护件(例如但不限于网格、凸缘、穿孔板或圆锥体)布置在压力释放阀的下方，以防止或最小化基质材料与压力释放阀接触。在一些实施方式中，加压气体注入装置安装在腔室的上部，以用于在压力释放之后注入气体(例如空气)，从而对蒸汽爆破材料通过出口阀的排放进行加速。
由此，本发明的一个方面提供了一种用于对有机材料进行预处理以进一步加工成增值产品的连续流或半连续流的蒸汽爆破反应器，包括装载部段、高压保持部段、压力释放部段和排放部段，其中，所述装载部段用于定期地装载高压保持部段，同时在高压保持部段中持续地维持高压，压力释放部段用于定期地接收来自高压保持部段的材料，并且通过压力释放来实现所述材料的蒸汽爆破，同时持续地维持高压保持部段中的压力,而接收部段用于从压力释放部段接收材料。
本发明的另一方面涉及所述装载部段和/或所述压力释放部段，包括旋转计量阀、更优选地包括旋转计量阀和旋转排放阀的串联组合。
本发明的另一方面涉及所述装载部段和/或所述压力释放部段，所述装载部段和/或所述压力释放部段中的每一个(或一个)包括独立的腔室，该腔室由两个高压阀、优选地浮动球阀或其他合适的阀、或阀的组合限制。
本发明的另一方面涉及所述压力释放部段，该压力释放部段包括由三个高压阀限制的独立腔室，其中，所述压力释放部段通过将高压保持部段与压力释放部段分开的高压阀从高压保持部段的侧面被馈送。在这些实施方式中，压力释放向上穿过位于馈送端口的上方的压力释放阀，该馈送端口通向从所述压力释放阀延伸的用于接收逸出的蒸汽和气体的释放导管、优选地与用于热回收的冷凝器连接。在压力释放穿过腔室的底部处的出口阀之后，基质被释放到排放部段。
该实施方式是有利的，因为固态材料不会在爆破步骤中通过释放阀输送，从而显著降低了由于磨损或固态颗粒而导致的密封问题的可能性。在压力释放过程中，可以通过放置在释放阀的下方的一个或多个保护网、或一个或多个保护套环来进一步保护释放阀免受材料飞溅。该实施方式也是有利的，因为避免了由压力释放部段中的高速固态材料引起的仪器腐蚀。
其中，高压保持部段和装载部段可以适当地如上所述那样，压力释放部段如上所述地那样，包括腔室，该腔室具有连接到所述腔室的上部的压力释放阀和从所述压力释放阀延伸的用于接收逸出蒸汽的压力释放导管，该腔室构造成在高压下运行，并且允许通过压力释放阀的突然的压力释放，并且具有带有排放阀的出口端口，以用于在压力释放之后排放基质。
本发明的另一方面涉及使用加压气体、优选地空气以在释放到压力释放部段中之前达到所需的蒸汽爆破压力。在该实施方式中，通过高压蒸汽注入来达到所需温度，但是为了更经济的操作，通过加压气体、优选空气的附加注入来达到最终释放和/或处理的压力。
本发明的另一方面涉及混合CO2的加压气体、优选空气使用，优选地以CO2混合到高分压。在该实施方式中，CO2溶解在高压区域的蒸汽爆破介质中，并且渗入目标材料，从而在蒸汽爆破过程的压力释放步骤中进一步促进其结构分解。此外，溶解的CO2的酸性促进了蒸汽爆破过程期间的水解。特别是，当二氧化碳渗透到诸如木材的材料时，由该材料的内部的纤维素部分的酸促进的水解会降低其结构完整性。这使得这种材料在蒸汽爆破过程中更加脆弱，促进其分解，从而使其更易于进一步加工。
本发明的另一方面涉及蒸汽爆破和水解设备与洗涤器的组合，其中，蒸汽爆破材料在蒸汽爆破设备的排放部段中以逆流构造与富含CO2的气流接触。在该实施方式中，蒸汽爆破和水解在碱性介质中进行，该碱性介质在排放部段中用作包含在逆流气流中的CO2和其他酸性成分的吸附剂。这些成分可能包括H2S、SOX、NOX，但是不限于此。
包含二氧化碳洗涤的实施方式是特别有利的，其中，预处理的有机材料随后进行厌氧分解以产生甲烷。在此，洗涤器用于从该工艺过程中产生的富含CO2的甲烷气体中去除CO2成分和其他酸性成分。集成的洗涤器还可以用于结合CO2，其中，预处理的有机材料被发酵以用于生产乙醇、或者用于去除CO2和其他酸性气体是被需要的或有利的其他过程中。
本发明还提供了一种利用如上所述的过程步骤和设备来对固态有机材料进行预处理的过程。因此，在一个方面中，本发明提供了一种用于对固态有机材料进行处理的过程，该过程涉及蒸汽爆破破裂，并且使所述材料更适于进一步的下游处理，该过程包括以下步骤：
a)接收包含固态有机材料的材料流；
b)将材料流引入到润湿和混合部段中，并且对固态有机材料进行润湿和混合；
c)将来自所述润湿和混合部段的材料流通过装载部段的装载阀输送至装载隔室中；
d)通过在所述装载隔室中引入蒸汽或诸如加压空气的加压气体来增加所述装载隔室中的压力；
e)将材料从所述装载隔室释放到高压保持部段；
f)在经受处于170至250℃的范围的高温和10至40巴的范围的高压的同时，通过高压保持部段持续地馈送材料；
g)将已经通过所述高压保持部段且通过阀馈送的材料剂量输送至排放隔室，从所述排放隔室释放压力，以在所述材料剂量上实现蒸汽爆破效应；
h)将所述材料剂量排放到低压排放部段中。
在下面的详细描述中进一步详细地描述本发明的过程的各种实施方式。
附图说明
图1a示出了蒸汽爆破装置的示意流程图。具体地，该实施方式包括润湿和调节部段(1000)、装载部段(1100)、高压保持部段(1200)、压力释放部段(1300)。还示出了排放部段(1400)，该排放部段可以在碱性条件下构造成洗涤器，以用于从气流中去除CO2或其他酸性成分。
图1b示出了通过压力释放阀实现爆破压力释放，释放基质表面上方的压力并通过导管释放逸出的蒸汽和气体的实施方式的相应示意图。
图2示出了蒸汽爆破反应器一个实施方式的分解立体图，具体地包括润湿和混合部段、装载部段、高压保持部段和压力释放部段。在该实施方式中，装载部段和压力释放部段分别由一前一后两个旋转阀实现，并且高压保持部段包括螺旋输送机。该图中未示出排放部段。
图3示意性地示出了使用一前一个两个旋转阀的组合在装载部段中定量和装载的过程。各个隔室及其位置被分配到定量/装载过程中的相应步骤，随后按照其执行的顺序对各个步骤进行编号。
图4示意性地示出了使用一前一后两个旋转阀的组合从压力释放部段释放和排放压力的过程。各个隔室及其位置被分配过程中的相应步骤，随后按照其执行的顺序对各个步骤进行编号。
图5是装载和压力释放部段的示例的立体图，其中，这些部段构造成具有由高压装载阀(1320)和排放阀(1327)限定的腔室(1330)。还示出了用于蒸汽和压缩空气的注入端口。在该示例中，装载和压力释放部段优选地以相同的主要方式构成，因此，在该实施方式中，图5中所示的示例同样地适用于这两个部段。然而，装载部段的腔室位于润湿和调节部段与高压保持部段之间，而压力释放隔室位于高压保持部段与排放部段之间。在该示例中，对腔室进行限定的阀示出为高压球阀、优选地是浮动球阀。
图6示出了压力释放部段从高压保持部段通过侧入口(1341、1342)被馈送的实施方式中的蒸汽爆破单元的压力释放部段的立体图。通过位于基质材料和冷凝的蒸汽的上方且位于腔室的侧面处的入口的上方的压力释放阀(1343)向上实现压力释放。在该实施方式中，蒸汽爆破材料不会突出或飞溅到压力释放阀(1343)之外，该压力释放阀(1343)还可以由馈送端口与压力释放阀之间的防溅保护件(例如放置在位于隔室的内侧上的套环中的向下边缘)或通过一个或多个网格(未示出)保护。通过腔室的底部处的排放阀(1344)实现从压力释放部段排放基质。
图7示意性地示出了构造成同时用作二氧化碳洗涤单元的和种排放部段。当蒸汽爆破过程在碱性条件下运行时，该排放部段使得能够在有利的情况下从气体中经济地洗涤CO2或其他酸性成分。
图8示意性地示出了构造成同时用作二氧化碳洗涤单元的一种排放部段的立体分解图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图来描述本发明的示例性实施方式。提供这些示例以提供对本发明的进一步理解，而不限制其范围。
在以下描述中，描述了一系列步骤。本领域技术人员将理解的是除非上下文要求，否则步骤的顺序对于最终构造及其效果并不重要。此外，对于本领域技术人员来说，显而易见的是，不管步骤的顺序如何，步骤之间的时间延迟的存在或不存在可以存在于所描述的一些或所有步骤之间。
在本发明的实施方式中，连续流或半连续流的蒸汽爆破系统包括：上游研磨和均质部段；上游润湿和混合部段(1000)、也称为调节部段(或具体地称为蒸汽爆破调节部段)；装载部段(1100)；高压保持部段(1200)(也称为高压加热保持部段或高压高温保持部段)；以及压力释放部段(1300)。用于接收来自压力释放部段的材料的排放部段(1400)可以可选地形成装置的一部分，或者可以被视为代表用于进一步对被处理的基质流进行处理的任何合适的接收单元。
在碱性条件下进行蒸汽爆破时，排放部段可以适当构造成CO2洗涤部段(1400)。
当在碱性条件下运行时，蒸汽爆破和CO2洗涤单元的排放部段可以同时用作气流中的CO2或其他酸性成分(例如但不限于H2S、SOX、NOX)的吸收器。在本文中，洗涤/洗涤器指通过所述气体与经受蒸汽爆破的膨胀碱性基质的酸碱反应，从目标气体中去除酸性气体成分。化学方程式1a、1b、1c示出了使用氢氧化钠作为碱性介质的CO2洗涤的示例的相应反应。
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Figure BDA0003272683840000112
Figure BDA0003272683840000113
有利的示例是从来自厌氧分解的富含CO2的甲烷气体中、如从所述蒸汽爆破的预处理材料中去除CO2和其他酸性气体。其他示例是来自蒸汽爆破的发酵的预处理材料的CO2的结合、以及来自为本发明的装置/过程提供蒸汽的蒸汽锅炉的烟道气的CO2与其他酸性成分的结合。
一般而言，在本文所述的蒸汽爆破过程中，有机材料流优选地已经在上游研磨和均质部段内被切碎。随后将材料馈送到润湿和混合部段(1000)的远端中，并且在混合的情况下下朝向其出口点输送。在该步骤期间，固态基质被润湿，以实现蒸汽爆破过程所需的所需含水量，并且同时实现pH值的调节。
润湿和混合部段(1000)优选构成配备有：主动地馈送的输送混合机(1001)；液体混合和入口系统(1002)；自上而下的喷雾构造(1003)，所述液体混合和入口系统(1002)优选地通过自上而下的喷雾构造(1003)连接到混合输送机部段中的枢部。
对于与CO2洗涤集成的碱性的蒸汽爆破，如下文更详细描述的，水溶液是碱性的，优选地通过在液体/液体混合器中将氢氧化钠或氢氧化钾的溶液添加到润湿水中而变为碱性。
然而，蒸汽爆破单元也可以使用pH中性或酸性馈送、非pH调节馈送或与任何其他适于促进预期过程的添加剂混合的馈送来驱动。
在一个实施方式中，润湿和混合部段的出口端口经由包括旋转计量阀(1106)和高压旋转阀(1101)的装载部段竖直地连接到高压部段，高压旋转阀(1101)可以有利地处于正位移构造中。在润湿和混合单元(1004)的出口点处，基质进入旋转计量阀(1106)，该旋转计量阀将基质定量注入到高压旋转阀(1101)的环境压力的隔室中。旋转计量阀(1106)用于避免高压旋转阀的可能对高压密封造成不必要的应变的过载。在环境压力下装载之后，高压旋转阀旋转至密封位置，在该密封位置处通过注入蒸汽(通常为180～250℃)将基质保持阀腔室升高至所需压力(优选处于10至30巴的范围内，通常比高压保持部段高约1巴)和温度(1102)。然后，高压旋转阀进一步旋转至高压保持部段的进入端口的上方的垂直位置。该过程在图3中顺序地示出，其中单个隔室(其位置)被分配单个的步骤，单个步骤按照它们的执行顺序用罗马数字i～vi表示，如下所示：
i.基质离开润湿和调节部段，并且填充到旋转计量阀(1106)的隔室；
ii.旋转计量阀转动以将基质输送至高压旋转阀(1101)的隔室；
iii)高压旋转阀旋转以密封计量阀；
iv)通过注入蒸汽以及最终注入附加的气体(空气)(1102)，使高压旋转阀中的基质达到高压保持部段所需的高压和高温条件；
v.高压阀旋转以将基质输送至高压保持部段；
vi.高压阀旋转至压力释放位置，在该压力释放位置处通过压力释放(高压阀旋转至该压力释放位置)将压力释放(1103)至等于润湿和调节部段进行输送的大气压力。
在压差和重力的协助下，在进一步旋转到(通过压力释放1103)释放压力的第二密封位置之前，高压旋转阀的当前的被加压的腔室被排放到蒸汽爆破单元的高压保持部段(1200)中。
通过使用具有更多隔室的旋转阀并逐渐增加各个腔室中的压力，降低各个腔室之间的压差，可以减小旋转阀上的压力应变。
在一些实施方式中应用的正位移构造中，加压和减压由通过旋转循环的相应腔室容积变化来辅助。
用于该过程的高压蒸汽通常由锅炉提供。在预处理材料将被进一步加工以用于燃料生产的情况下，产生的部分燃料可以用于驱动锅炉。例如，部分燃料可以是来自厌氧分解单元的纯甲烷或任何甲烷/二氧化碳混合物、生物柴油或脂肪和油的任何混合物，其中这些物质与蒸汽爆破材料分开并进行适当处理。
在高压保持部段(1200)中，通过可调速输送机(1204)或混合输送机将装载的基质从装载点输送到出口点，从而允许能够在较宽的时间范围内连续地调节保持时间。
高压保持部段配备有蒸汽注入端口(1205)，以实现适当的压力和温度，并通过补充注入进行维护。图2中示出了两个这样的注入点作为示例。
在一个实施方式中，高压保持部段的出口端口竖直地连接到旋转计量阀(1306)和高压旋转释放阀(1307)。在出口点处，基质由旋转计量阀(1306)输送至高压旋转释放阀(1307)的隔室，该隔室在该时间点处面对高压保持部段的出口端口。
然后，高压旋转阀(1307)旋转以将加压腔室打开至环境压力，从而在旋转至重新加压位置之前，使蒸汽爆破，重新加压位置配备有蒸汽注入端口。隔室从该位置旋转回到填充位置。该过程在图4中顺序地示出，其中各个隔室(其位置)被分配各个步骤，各个步骤按照它们的执行顺序用罗马数字i～v编号，如下所示：
i.基质离开高压保持部段，并且填充到旋转计量阀(1306)的隔室；
ii.旋转计量阀旋转以对高压保持部段的出口进行密封，并且将基质输送至高压旋转阀(1307)的隔室；
iii.高压旋转阀旋转以输送基质；
iv.基质在压力释放下被排放，其中，压力突然下降导致蒸汽爆破；
v.阀旋转至压力调节位置，压力经由蒸汽和/或气体(空气)注入而增加(1308)。
在该构造中，通过将蒸汽注入到高压旋转装载阀、高压保持部段和排放阀的重新加压部段的各个隔室中的动态同步，使热效率最大化。所有注入都是单独控制的，以响应释放侧和入口侧处以及通过热损失引起的压力和温度变化。优选地，沿着高压保持部段连续地监测压力和温度，并且沿该部段提供单独数据。该数据(DS01)被馈送至P/T(压力/温度)处理单元(1209)，该P/T处理单元向高压保持部段(1205)的蒸汽注入端口以及装载部段(1102)和压力释放部段(1308)的蒸汽注入端口提供控制信号(DS02)。这些沿着高压保持部段与该信号同步，以维持接近恒定的条件。提供附加信号以对旋转的输送机(1204)的速度进行调节。图2中示出了三个P/T监测点(1208)作为示例。
在其他实施方式中，蒸汽爆破单元的装载部段和压力释放部段中的一个或两个可以构成独立腔室(1330)，该腔室通过例如但不限于高压球阀、刀闸阀或滑阀的阀、优选地是浮动球阀或其他合适的高压阀分别相对调节部段和高压保持部段以及高压保持部段和排放部段独立。图5中示出了适用于装载腔室和压力释放腔室这两者的示例。在这两种情况下(装载腔室和压力释放腔室)，腔室设置有高压装载阀(1320)和高压排放阀(1327)，这两个阀均配备有适当的致动器(分别为1320a、1327a)。腔室配备有用于蒸汽(1325)和/或气体(诸如空气)的注入端口(1326)、以及压力传感器(1323)、温度传感器(1324)和液位传感器(1322)。
在具有如上所述的装载腔室的如上所述的实施方式中，装载腔室在环境压力条件下从顶部被装载，并接收来自调节部段的材料。在投加期间，装载腔室通过处于关闭位置的高压排放阀(1327)与高压保持部段分开。然后，在装载腔室被加压并通过蒸汽和可选的气体注入(分别为1325、1326)达到所需温度之前，响应液位传感器(1322)的读数，计量阀(1320)移动到关闭位置。通常，装载腔室在该步骤中的压力略高于高压保持部段的压力，通常高出1巴。在压差和重力的作用下，当前的被加压的装载腔室通过打开所述腔室(1327)的排放阀而排放到蒸汽爆破单元的高压保持部段(1200)中。然后，将装载阀置于关闭位置，并且在装载下一剂量之前，通过压力释放机构对装载腔室进行减压。在该构造中，类似地，通过在其装载阀(1320)处于打开位置且释放/排放阀(1327)处于关闭位置的情况下对压力释放腔室进行装载来实现蒸汽爆破步骤。然后，响应于液位传感器(1322)的读数，将装载阀(1320)置于关闭位置，并且通过将其压力释放/排放阀(1327)打开至排放部段(1400)来实现蒸汽爆破。然后，关闭压力释放/排放阀，并且在再次打开其装载阀进行重新装载之前，使压力释放腔室达到与高压保持部段的压力相同的压力或略低于高压保持部段的压力。
在上述实施方式中，通过将蒸汽注入到装载隔室(1330)、高压保持部段(1200)和压力释放隔室(1330)中的动态同步，使热效率最大化。这是为了响应释放侧和入口侧处以及通过热损失引起的压力和温度变化而进行的。优选地，沿高压保持部段(1200)并从各个腔室(1330)连续地监测压力和温度。该数据被馈送至向各个蒸汽注入端口提供控制信号的P/T处理单元(1209)。基于沿着高压保持部段的信号对这些进行同步，以维持大致恒定的条件。提供附加信号以对来自各个腔室的装载和释放频率、以及通过高压保持部段输送材料的输送机(1204)的速度进行调节。
装载和压力释放也可以分别在高压保持部段的装载侧和排放侧处通过如上所述的旋转阀或独立腔室的任意组合来实现。在有利的情况下，装载部段和高压保持部段也可在相比压力释放部段降低的压力下运行，并且压力释放部段的压力可以在排放之前通过蒸汽注入和/或气体(空气)注入而升高。
独立于所选择的优选的装载和排放机构，在一个实施方式中，可以通过合适的加压空气的注入来辅助蒸汽爆破。在该实施方式中，如上所述，通过蒸汽注入来实现所需温度，但是通过加压空气的附加注入来实现最终压力。在该构造中，加压空气的注入端口优选地与针对蒸汽爆破单元的装载部段、高压保持部段和压力释放部段设置的蒸汽注入端口一起设置。这些在图3、图4和图5中的装载和压力释放部段的示例性实施方式中示出，但是也可以应用于通过任何其他合适的方式来实现这些部段的情况。
在图6的立体图中示出的一个实施方式中，压力释放部段包括由三个高压阀限制的单独腔室(1340)：将压力释放隔室的侧面处的馈送端口(1342)连接到高压保持部段(1200)的出口的装载阀(1341)；位于馈送端口的上方的压力释放阀(1343)；以及位于压力释放隔室的底部的排放阀(1344)。所有三个高压阀均配有适当的致动器(分别为1341a、1343a、1344a)。在该实施方式中，基质从高压保持部段到压力释放隔室的输送可以通过高压保持部段中的主输送机、和/或通过位于高压保持部段与压力释放部段之间的中间泵来实现。在相应的装载阀(1341)的装载和关闭之后，可以通过将蒸汽(1345)和/或压缩空气(1346)注入到压力释放隔室中来实现压力调节。在该实施方式中，通过位于馈送端口(1342)的上方的压力释放阀(1343)的压力释放来实现蒸汽爆破。压力释放阀可以由防溅保护件(诸如放置在装载端口与释放阀(未示出)之间的圆锥形的向下倾斜的套环和/或保护网)来保护，以减少蒸汽爆破过程中到达压力释放阀的关键部件的固态和液体材料的飞溅。通过压力释放而释放的气体和蒸汽膨胀通过所述腔室的上部和从所述压力释放阀延伸的用于接收和输送逸出的蒸汽和/或气体的释放导管，该导管包括热交换冷凝器(1347)、排放端口(1348)和可选的消音器(1349)。冷凝器用于去除蒸汽，并且从蒸汽的冷凝和热气体中回收热量。在压力释放之后，蒸汽爆破后的材料通过压力释放隔室的底部处的排放阀(1344)排放，以便进一步加工成增值产品。为了加速蒸汽爆破后的材料的排放，可以通过在压力释放阀处于关闭位置的情况下在基材(1350)的上方注入压缩空气来辅助排放。在排放之后，排放阀关闭，压力释放腔室在重新装载之前被重新加压。
有利地，高压保持部段和压力释放隔室的装载、压力释放以及来自所述隔室的材料排放被同步，使得高压保持部段中的压降在操作期间最小。高压保持部段中的保持时间可以通过调节输送速度在较宽的范围内进行调节，从而再次与装载和压力释放机构同步。通过诸如PLC系统的控制单元有利地控制同步，该控制单元接收来自安装在压力释放腔室中的温度传感器(1324)、压力传感器(1323)和液位传感器(1322)的读数，并且对装载、压力释放和排放以及蒸汽和气体注入的进行速度和时间顺序进行控制，如上文其他实施方式的说明性非限制性示例所述。
在有利的情况下，通过注入加压空气进行的增压也可以限于压力释放部段，在其排放之前提高该部段的压力，同时装载部段和高压保持部段在相对较低的压力下运行。
在另一实施方式中，在通过注入加压空气来实现增压的情况下，所述加压空气可以优选地是与CO2混合达到高分压的空气。在该实施方式中，注入的富含CO2的加压空气被注入到基质的表面的下方和各个部段的冷凝的蒸汽中，优选地从它们的底部注入(1325)。CO2在高压区的蒸汽爆破介质中溶解为相应的碳酸(化学方程式1a)，从而提供等式2a、2b所示的酸性条件：
Figure BDA0003272683840000171
Figure BDA0003272683840000172
根据化学方程式1a所示的逆反应，CO2渗入目标材料，在蒸汽爆破过程的压力释放步骤中进一步促进其结构分解。如化学方程式2a和式2b所示，溶解CO2的酸性进一步促进了蒸汽爆破过程中的水解。特别是，当二氧化碳渗透到诸如木材的材料时，该材料的内部的纤维素部分的这种酸促进的水解会降低其结构完整性。这使得这种材料在蒸汽爆破过程中更加脆弱，进一步促进其分解，从而使其更易于进一步加工。可以根据所应用的压力和温度范围来选择合适的CO2的分压，使得分压在安全地低于蒸汽升华/沉积相边界的同时提供有效的CO2浓度。
在一些实施方式中，在排放处于高压下并构成该过程中的蒸汽爆破步骤的情况下，发现压力释放部段的排放端口被适当的结构部分堵塞是有利的，以利用蒸汽爆破中的机械力进一步使挤压材料的机械表面粗糙化/切碎。这在图2中由旨在用于对木屑进行附加的表面粗糙化的粉碎机齿的布置(1210)来示例。
蒸汽爆破设备通常在从约10巴(1,000千帕)、或从约12巴、或从约14巴、或从约15巴、或从约16巴、或从约18巴、或从约20巴，到约40巴、或到约38巴、或到约36巴、或到约34巴、或到约32巴、诸如到约30巴、诸如到约28巴、或到约27巴、或到约26巴、或到约25巴、或到约24巴的压力范围内运行。
蒸汽爆破过程中的温度通常在约170～250℃的范围内、例如在180～250℃的范围内，所选定的温度通常取决于所需的压力，这意味着温度和压力保持一定的关系，以使压力接近或略高于水的蒸汽压力。例如，在180℃的温度下，水的蒸汽饱和压力刚刚超过10巴，在200℃时，饱和蒸汽压力约为15.5巴，在220℃时，饱和蒸汽压力约为23.2巴，在250℃时，饱和蒸汽压力约为40巴。
在一些实施方式中，蒸汽爆破反应器在前述范围内的温度和对应于或接近水在相应温度下的蒸汽饱和压力的压力下操作。由此，在一些实施方式中，蒸汽爆破反应器在约180～200℃的范围内的温度和约10～16巴的范围内的压力下运行，在一些实施方式中，蒸汽爆破反应器在约200～220℃的范围内的温度和约15～23巴的范围内的压力下、或在约220～240℃的范围内的温度和约23～33巴的压力范围内的压力下运行。
在蒸汽爆破是在碱性条件下进行的且将压力释放部段释放的压力与基材一起施加到排放部段的情况下，所述排放部段可以同时构成CO2洗涤单元。在该构造中，CO2洗涤器(1400)的上部是旋风式构造，该旋风式构造设计成用于促进朝向洗涤器的中心的垂直散布，以使碱性材料与富含CO2或包含废气的其他酸性气体的逆流最佳地接触。
如本文所理解的，在优选实施方式中，当蒸汽爆破在碱性条件下运行时，二氧化碳洗涤单元构成连续流的蒸汽爆破反应器的组成部分。二氧化碳洗涤单元的上部优选地适于提供来自蒸汽爆破单元的高压保持部段的材料流的输送，使得通过压力释放提供的材料流在二氧化碳洗涤部段内引导成旋风形式，但是同时促进了朝向洗涤部段的中心的飞溅和分散。因此，碱性的含水材料流(吸收器)在其与富含二氧化碳的气流相遇的区域内的散布有助于提高洗涤效率。
本文使用的术语“二氧化碳洗涤器”和“二氧化碳洗涤”是指二氧化碳被引导/注入到洗涤器中以被吸附，从而使该洗涤器用作常规的具有从富含CO2流中去除或减少CO2含量的一般功能的二氧化碳洗涤器。
在排放部段用作CO2洗涤单元的情况下，高压旋转出口阀的装载的隔室或压力释放腔室优选地通过位于结合的排放和CO2洗涤部段(1400)的上部的入口管(1401)以适当的角度排放，将高速蒸汽/基质向下引导成与主洗涤器隔室的内壁保持间隙的旋风式的螺旋构造(1402)。排放管(1401)的水平/倾斜部分通过除雾器网(1407)与排气端口的下方的气体空隙部段分开。
本文使用的术语“旋风形式”是指一般的圆形或螺旋形式。废料流的入口角度和洗涤器内的螺旋形引导件增强了旋风式流动。在一些实施方式中，入口角度在距水平面成约5°到30°的范围内、即从水平面以例如从大约5°或从大约10°到大约30°或到大约25°或到大约20°的范围内的角度向下倾斜。
然而，洗涤器内的螺旋形的引导件设计成用于部分地扰乱旋风状的流动，使进入的流有效地朝向洗涤部段的中心区域飞溅和散布，并最大限度地与富含二氧化碳的气流接触。在一些实施方式中，洗涤单元包括至少一个螺旋形的嵌入件、优选地至少两个。在一个实施方式中，该单元包括两个相对于彼此垂直地偏移的内部螺旋件，上部螺旋件与洗涤器的内壁之间存在间隙，而下部螺旋件没有间隙。这种示例性构造如图7和图8所示。通过高速地排放材料，较重的部分和冷凝的蒸汽被推向洗涤器/旋风分离器的内壁，初始入口角提供了向下的速度分量。该部分被位于下方且平行于具有壁间隙的旋风螺旋线(1402)的波纹螺旋板(1404)捕获。波纹部(1405)、螺旋板(1404)的向下坡度和基质/冷凝物(1403)的向下速度部分地将其沿着下螺旋板(1404)的表面引导至中心，在该中心处它通过端接在螺旋板内侧的向上突出物分散，从而增强了碱性悬浮液与通过洗涤器上升的CO2逆流的接触。分散的基质/冷凝物(1406)与在中心区域中和除雾器(1407)处冷凝的蒸汽一起沿着洗涤器/旋风分离器的中心下降，以积聚在洗涤器/旋风分离器的沉降区域。
排放管(1401)的水平/倾斜部分通过除雾器网(1407)与排气端口的下方的气体空隙部段分开。
二氧化碳通过至少一个二氧化碳入口(1408、1409)流入到二氧化碳洗涤单元中，该入口优选地设置在装置的下部内，由此，气泡在上升通过洗涤部段并与在洗涤部段内向下移动的分散的碱性物质流相遇之前，通过位于洗涤部段的底部的沉降区域中的碱性物质堆积。
含有CO2的气流或含有其他酸性气体的气流优选地通过微气泡分配器(1409)从底部馈送。这优选地通过倾斜、横向布置的、由从悬浮部段的上部获取的低固态的含水悬浮液的循环驱动的抽吸器(1409)实现。在这种布置中，抽吸器同时用于搅拌液体和固体的悬浮液，在该部段的出口端口处实现一致的成分并避免堵塞。替代地，通过微气泡或其他被动的分散装置(1409、1408)输送含CO2的废气。
含CO2的气流突出穿过基质沉降区域，并且上升至洗涤器(1413)的中心，在该中心处在与蒸汽的干燥部分一起在冷凝器(1411)的气体出口端口处穿过冷凝器(1410)离开之前，进一步与洗涤器的冷凝部段的上部的中心部分的碱性吸附悬浮液接触。
剩余的蒸汽在冷凝器(1410)中被去除，其中具有贫CO2气体(例如，当洗涤CO2/CH4时为CH4)，并且冷凝物离开排放口端口(1412)。冷凝的热量例如用于预热为润湿单元馈送的水溶液。
组合的压力释放和CO2洗涤部段(1400)的沉降区域还可以配备有冷却螺旋或其他热交换元件，以部分地回收蒸汽爆破所产生的热量，从而降低基质温度并对例如为提供系统的蒸汽发生锅炉的水输入进行预热。这种冷却元件也可安装或延伸至洗涤单元的上部，并且优选地与引导螺旋接触，以实现已经处于洗涤器的上部的基质的快速冷却。
洗涤器通过位于沉降区域底部的旋转阀或任何其他的可调节阀(1414)定期地排空，优选地通过适当布置在洗涤器中的信号(DS03)液位传感器(1415)与压力释放部段向洗涤器馈送基质材料同步。
在有利的情况下，气体出口端口(1411)通向能够在高压和低温下运行的二级洗涤器。二级洗涤器优选地以常规喷雾构造从顶部被馈送初级吸收器/洗涤器的冷却的液体部分，并从底部被馈送来自初级洗涤器的贫CO2排气。
在碱性条件下进行蒸汽爆破的二氧化碳洗涤单元在从约1巴、例如从约1.2巴、例如从约1.5巴、例如从约2巴，到约5巴、或到约4巴的压力范围内运行，或者替代地设置有冷却元件，以降低基质温度并从蒸汽爆破单元中回收热量。
蒸汽爆破单元的洗涤功能有利地用于从例如预处理的蒸汽利用材料的厌氧分解过程中产生的原始CO2/CH4混合物或该材料的发酵过程中产生的CO2中去除CO2和其他酸性气体、和/或从提供系统的蒸汽锅炉的烟道气中去除CO2和其他酸性气体。
此外，在该过程中，CO2用于降低pH值并对蒸汽爆破过程中产生的碱性基质/水提取物(吸收器)进行缓冲，然后再将其进一步加工成增值产品。在蒸汽爆破过程中提供的提取物用于厌氧分解以产生甲烷的情况下，通过CO2吸附提供的增加的碳酸盐和碳酸氢盐浓度也促进了甲烷的产生。
释放和CO2洗涤部段的底部处的液-固悬浮液作为多个部分通过排放阀(1413)定期地释放。在进一步加工成增值产品之前，对这些部分进行适当的调节和分离。排放和CO2洗涤部段的排放优选地与蒸汽爆破单元的排放同步，以实现该过程中的连续负载条件。
二级洗涤器可以安装有传统的吸附材料，或者使得积聚在初级洗涤器的沉淀区域中的预过滤的液体部分被馈送到二级洗涤器，并且可以采用传统的自上而下的喷雾构造，随着从底部馈送的来自初级洗涤器的贫CO2排也而处于升高的压力和降低的温度。由此，在一些实施方式中，系统中的二级洗涤器可以在从约5至150巴的压力范围内运行，例如在从约5或从约10或从约15或从约20或从约30或从约40、至约150或至约140或至约130或至约120或至约110或至约100或至约90或至约80或至约70或至约60或至约50巴的压力范围内运行，并且温度优选地处于5至40℃范围内，例如在从约5℃或从约10℃或从约15℃或从约20℃至约50℃或至约45℃或至约40℃或至约35℃或至约30℃范围内。
技术方案
本发明的示例性实施方式在以下技术方案中阐述。
1.一种连续流蒸汽爆破反应器，所述连续流蒸汽爆破反应器用于对有机材料进行预处理以进一步加工成增值产品，该反应器包括装载部段、高压保持部段，压力释放部段和排放部段，并且其中，所述高压保持部段包括至少一个可调速输送机，所述可调速输送机用于通过所述部段来输送原材料流，还包括连接至蒸汽源的蒸汽提供装置，所述蒸汽提供装置用于向至少所述高压保持部段中提供蒸汽，以及连接至加压气体源的气体提供装置，所述气体提供装置用于向所述高压保持部段、所述装载部段和所述压力释放部段中的至少一个提供加压气体。
2.根据技术方案1所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述装载部段构造成在装载部段的上游在环境压力下将材料输送至所述高压保持部段，同时在所述高压保持部段中保持高压，
所述压力释放部段构造成将材料从所述高压保持部段输送到排放部段，同时在高压保持部段中保持高压，以及
所述压力释放部段构造成在压力下降的情况下将材料释放到所述排放部段，同时在高压保持部段中保持高压。
3.根据技术方案1或2所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述装载部段包括至少一个旋转计量阀和至少一个旋转排放阀，其中，所述旋转计量阀尺寸设计和构造成将适当剂量的基质输送至旋转排放阀，并且所述装载部段包括联接到所述蒸汽提供装置和/或所述气体提供装置的压力调节装置，以对所述旋转排放阀中的隔室的压力进行调节，使得当所述隔室将材料排放至所述高压保持部段时，所述高压保持部段内的压力大致维持不变。
4.根据技术方案1至3中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述装载部段包括至少一个装载阀和至少一个排放阀、以及至少一个装载腔室，所述装载腔室位于所述阀之间或作为所述排放阀一部分。
5.根据技术方案4所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述装载部段中的所述至少一个装载阀和至少一个排放阀中的每一个独立地选自由旋转阀、浮动球阀、旋转球阀、刀闸阀和滑阀构成的组。
6.根据技术方案1或2所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述压力释放部段包括至少一个旋转计量阀和至少一个旋转排放阀，其中，所述旋转计量阀尺寸设计和构造成将适当剂量的基质输送至旋转排放阀，并且所述压力释放部段包括联接到所述蒸汽提供装置和/或所述气体提供装置的压力调节装置，以在排放之后对所述旋转排放阀中的隔室的压力进行调节，使得当所述隔室返回到用于从所述旋转计量阀接收材料的位置时，所述高压保持部段和所述旋转计量阀内的压力大致维持不变。
7.根据技术方案1或2所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述压力释放部段包括至少一个装载阀和至少一个排放阀、以及位于这些阀之间的腔室。
8.根据技术方案7所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述压力释放部段中的所述装载阀和至少一个出口阀中的每一个独立地选自由旋转计量阀、浮动球阀、旋转球阀、刀闸阀、滑阀构成的组。
9.根据技术方案7或8所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，包括：连接到所述腔室的上部的压力释放阀；以及从所述压力释放阀延伸的压力释放导管，以用于接收逸出的蒸汽和/或气体。
10.根据技术方案9所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述压力释放导管包括冷凝器、排放端口和可选的消音器。
11.根据技术方案9所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，压力气体注入装置安装在所述腔室的上部，以用于在压力释放后注入气体，从而对蒸汽爆破材料通过出口阀的排放进行加速。
12.根据技术方案9至11中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，包括位于压力释放阀的下方的防溅保护件，以防止或最小化基质材料与压力释放阀接触。
13.根据技术方案1至12中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述可调速输送机是螺旋输送机。
14.根据技术方案1至13中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，通过蒸汽注入来实现保持和释放温度，并且通过注入附加的加压气体来实现释放压力。
15.根据技术方案1至14中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，还包括控制单元，所述控制单元通过所述装载部段中的阀、所述压力释放部段中的阀和高压保持部段中的输送速度的同步，允许在所述高压保持部段内对材料的保持时间进行调节。
16.根据前述技术方案中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，高压保持部段构造成在约10至40巴的压力范围内以及约180至250℃的温度范围内运行。
17.根据技术方案7至12中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，压力释放部段的腔室构造成在约10至40巴的压力范围内以及约180至250℃的温度范围内运行。
18.根据技术方案1至17中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述加压气体至少对于某些部段包含二氧化碳分压。
19.一种连续流蒸汽爆破反应器，所述连续流蒸汽爆破反应器用于对有机材料进行预处理以进一步加工成增值产品，包括装载部段、高压保持部段，压力释放部段，并且其中，所述高压保持部段包括：至少一个可调速输送机，所述可调速输送机用于通过所述高压保持部段来输送原材料流，所述压力释放部段包括腔室，所述腔室具有：连接到所述腔室的上部的压力释放阀；以及从所述压力释放阀延伸的压力释放导管，以用于接收逸出的蒸汽，所述腔室构造成在高压下运行，并且允许通过所述压力释放阀突然地释放压力，所述腔室具有出口端口，所述出口端口具有用于基质的排放的排放阀。
20.根据技术方案19所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述压力释放导管包括冷凝器、气体排放出口和可选的消音器。
21.根据技术方案19或20所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述装载部段包括：至少一个装载阀；至少一个排放阀；至少一个装载腔室，所述装载腔室位于所述阀之间或作为所述排放阀一部分；以及至少一个阀，所述阀位于所述高压保持部段与所述压力释放部段的所述腔室之间。
22.根据技术方案21所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述阀分别独立地选自旋转计量阀、浮动球阀、旋转球阀、刀闸阀和滑阀。
23.根据前述技术方案中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，所述连续流蒸汽爆破反应器构造成作为碱性的蒸汽爆破反应器运行。
24.根据技术方案23所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，包括至少一个集成的二氧化碳洗涤单元。
25.根据技术方案23和24所述的连续流蒸汽爆破反应器，包括高压保持部段、装载部段、压力释放部段和排放部段，其中，所述蒸汽爆破反应器的所述排放部段同时用作所述二氧化碳洗涤单元。
26.根据技术方案24或25所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述二氧化碳洗涤单元的上部适于在与所述二氧化碳洗涤单元的中心轴线成一定角度的情况下接收来自压力释放部段的材料流的输送，以通过至少一个内部螺旋部将所述材料流引导成旋风形式。
27.根据技术方案24至26所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，二氧化碳洗涤单元还包括至少一个气体入口，所述气体入口设置在所述洗涤单元的下部内，由此来自所述高压保持部段的碱性的材料流与富含二氧化碳的气流相遇，以促进从所述气流中洗涤二氧化碳和/或洗涤其他酸性气体成分。
28.根据技术方案26或27所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，二氧化碳洗涤部段包括两个相对于彼此垂直地偏移的插入的螺旋部，上螺旋部与洗涤器的内壁存在间隙，而下螺旋部没有间隙，所述插入的螺旋部实现垂直于二氧化碳洗涤单元内的由沿着二氧化碳洗涤单元的内壁从上螺旋部输送至下螺旋部的材料产生的废料流的主旋风形式流动的部分速度分量。
29.根据技术方案28所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述下螺旋部设置有波纹图案，所述波纹图案部分地引导材料朝向洗涤器的中心，并且在螺旋部的内边缘设置有突出边缘，以使材料的垂直分量朝向洗涤单元的中心飞溅和散布。
30.根据技术方案26至29中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述二氧化碳洗涤部段在约1至约5巴的压力范围内运行。
31.根据技术方案25至30中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述洗涤单元设置有热交换冷却元件，以提供洗涤介质的冷却并从蒸汽爆破中回收热量。
32.根据技术方案25至31中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述压力释放部段用作第一二氧化碳洗涤器，所述系统还包括二级洗涤器，所述二级洗涤器以第一洗涤器的作为洗涤介质的液体部分进行馈送。
33.一种工艺，所述工艺用于对涉及蒸汽爆破破坏的固态有机材料进行处理，并且使所述材料更适于进一步的下游处理，所述过程包括：
a)接收包含固态有机材料的材料流；
b)将材料流引入到润湿和混合部段中，并且对固态有机材料进行润湿和混合；
c)将来自所述润湿和混合部段的材料流通过装载部段的装载阀输送至装载隔室中；
d)通过在所述装载隔室中引入蒸汽或诸如加压空气的加压气体来增加所述装载隔室中的压力；
e)将材料从所述装载隔室释放到高压保持部段；
f)在经受处于170至250℃的范围的高温和10至40巴的范围的高压的同时，通过高压保持部段持续地馈送材料；
g)将已经通过所述高压保持部段且通过阀馈送的材料剂量输送至排放隔室，从所述排放隔室释放压力，以对所述材料剂量实现蒸汽爆破效应；
h)将所述材料剂量排放到低压排放部段中。
34.根据技术方案33所述的工艺，其中，步骤(g)中的所述释放压力和步骤(h)中的排放在一个步骤中进行，其中通过将材料剂量排放到所述低压排放部段中来释放压力。
35.根据技术方案33所述的工艺，其中，步骤(g)中的所述释放压力是通过打开位于所述排放隔室的上部的压力释放阀，以允许逸出的气体和蒸汽通过所述压力释放阀和与压力释放阀相对的导管排出而实现的。
36.根据技术方案33至35中的任一项所述的工艺，其中，所述高压保持部段中的高温和高压是通过将蒸汽引入所述区域并可选地进一步通过引入例如加压空气的加压气体而实现的。
37.根据技术方案33至36中的任一项所述的过程，包括在隔室被返回到从所述高压保持部段或从所述高压保持部段与所述排放隔室之间的中间阀接收另一材料剂量的位置之前，在材料排出之后通过蒸汽和/或例如加压空气的加压气体在所述排放隔室中增加压力。
38.根据技术方案33至36中的任一项所述的工艺，包括如下步骤：在材料排放之后将装载隔室相对高压保持部段关断，并且在将隔室打开到润湿和混合部段或在润湿和混合部段与装载隔室之间的中间计量阀之前释放来自所述装载隔室的压力。
39.根据技术方案33至38中的任一项所述的工艺，其中，所述材料流在所述润湿和混合部段中与碱性的水溶液混合。
40.根据技术方案39所述的工艺，其中，在蒸汽爆破处理之后，被处理的流被用作二氧化碳洗涤部段中的二氧化碳的洗涤的洗涤介质，所述二氧化碳洗涤部段与从所述压力释放部段接收材料的排放部段集成。
41.根据技术方案40所述的工艺，包括将含有二氧化碳的气体流馈送到所述二氧化碳洗涤部段中，以从所述气流中去除至少一部分所述二氧化碳。
42.根据技术方案41所述的过程，包括将所述流从压力释放部段输送到所述排放部段和洗涤单元中，以使流的流动相对于洗涤单元的中心轴线成一定的角度进入，使得材料流大致沿布置在所述洗涤单元中的至少一个螺旋部流动，以形成旋风式流动形式，以及
通过位于洗涤单元的下部的至少一个入口，将含有二氧化碳的所述气体流引入到所述洗涤单元中。

Claims (35)

1.一种连续流蒸汽爆破反应器，所述连续流蒸汽爆破反应器用于对有机材料进行预处理以进一步加工成增值产品，包括：
装载部段；
高压保持部段；
压力释放部段；以及
排放部段，并且其中，所述高压保持部段包括至少一个可调速输送机，所述可调速输送机用于通过所述部段来输送原材料流，连接至蒸汽源的蒸汽提供装置，所述蒸汽提供装置用于向至少所述高压保持部段中提供蒸汽，其中，所述装载部段构造成在所述装载部段的上游在环境压力下将材料输送到所述高压保持部段，同时通过向所述装载部段注入蒸汽而在高压保持部段中保持高压和温度，以及
所述压力释放部段构造成将材料从所述高压保持部段输送到排放部段，同时通过向所述压力释放部段注入蒸汽而在所述高压保持部段中保持高压，以及
其中，所述装载部段中的所述蒸汽注入装置和所述压力释放部段中的所述蒸汽注入装置以及来自部段的装载和释放被同步，以使得所述高压保持部段中的压降最小，并且在操作期间保持高工作压力和温度。
2.如权利要求1所述的连续流蒸汽爆破反应器，其特征在于，包括连接到加压气体源的气体提供装置，所述气体提供装置向所述高压保持部段、所述装载部段和所述压力释放部段中的至少一个提供加压气体，以产生至少一部分的高压。
3.如权利要求2所述的连续流蒸汽爆破反应器，其特征在于，所述高压保持部段和所述压力释放部段中的高温通过蒸汽注入来实现，并且所述部段中的高压至少部分通过附加的加压气体注入来实现。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述装载部段包括至少一个旋转计量阀和至少一个旋转排放阀，其中，所述旋转计量阀尺寸设计和构造成将适当剂量的基质输送至旋转排放阀，并且所述装载部段包括联接到所述蒸汽提供装置和/或所述气体提供装置的压力调节装置，以对所述旋转排放阀中的隔室的压力进行调节，使得当所述隔室将材料排放至所述高压保持部段时，所述高压保持部段内的压力大致维持不变。
5.如权利要求1至3中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其特征在于，所述装载部段包括：至少一个装载阀；至少一个排放阀；以及至少一个装载腔室，所述装载腔室位于所述阀之间或作为所述排放阀一部分，所述装载腔室联接到所述蒸汽注入端口和可选的气体注入装置，并且设置有压力释放机构，以在排放和装载之前分别对所述装载隔室进行加压和减压，并且在排放之前达到所需温度。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其特征在于，所述压力释放部段包括至少一个旋转计量阀和至少一个旋转排放阀，其中，所述旋转计量阀尺寸设计和构造成将适当剂量的基质输送至所述旋转排放阀，并且所述压力释放部段包括联接到所述蒸汽提供装置和/或所述气体提供装置的压力调节装置，以在排放之后对所述旋转排放阀中的隔室的压力进行调节，使得当所述隔室返回到用于从所述旋转计量阀接收材料的位置时，所述高压保持部段和所述旋转计量阀内的压力大致维持不变。
7.如权利要求1至5中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其特征在于，所述压力释放部段包括：至少一个装载阀；至少一个排放阀；以及位于所述阀之间的腔室，所述腔室配备有蒸汽注入端口和/或气体注入端口。
8.如前述权利要求中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其特征在于，所述压力释放部段构造成在压力下降的情况下将材料释放到所述排放部段，同时在所述高压保持部段中保持高压。
9.如权利要求7所述的连续流蒸汽爆破反应器，其特征在于，所述压力释放部段包括：连接到所述腔室的上部的压力释放阀，并且其中，所述压力释放部段的所述装载阀位于所述压力释放阀的下方；以及从所述压力释放阀延伸的压力释放导管，以用于接收逸出的蒸汽和/或气体，所述排放阀位于压力释放部段的底部处。
10.如权利要求9所述的连续流蒸汽爆破反应器，其特征在于，所述压力释放导管包括冷凝器、排放端口和可选的消音器。
11.如权利要求2至10中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其特征在于，所述加压气体至少对于某些部段包含二氧化碳部分压力。
12.如前述权利要求中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其特征在于，所述连续流蒸汽爆破反应器构造成作为碱性的蒸汽爆破反应器运行。
13.如权利要求12所述的连续流蒸汽爆破反应器，其特征在于，包括至少一个集成的洗涤单元，其中，所述蒸汽爆破反应器的所述排放部段同时用作所述洗涤单元，该部段构造成使得来自蒸汽爆破反应器的排放材料用作洗涤介质，其中，所述洗涤单元包括设置在洗涤单元的下部内的至少一个气体入口，使得当操作时，来自高压保持部段的碱性的材料流与气流相遇，以促进从所述气流中洗涤二氧化碳和/或洗涤其他酸性气体成分。
14.如权利要求13所述的连续流蒸汽爆破反应器，其特征在于，所述洗涤单元的上部适于在与所述二氧化碳洗涤单元的中心轴线成一定角度的情况下接收来自所述压力释放部段的材料流的输送，以通过至少一个内部螺旋部将所述材料流导入成旋风形式。
15.如权利要求14所述的连续流蒸汽爆破反应器，其特征在于，所述洗涤单元包括两个相对于彼此垂直地偏移的插入的螺旋部，上螺旋部与洗涤器的内壁存在间隙，而下螺旋部没有间隙，所述插入的螺旋部实现垂直于所述洗涤单元内的由沿所述洗涤单元的内壁从上螺旋部输送至下螺旋部的材料产生的废料流的主旋风形式流动的部分速度分量。
16.如权利要求15所述的连续流蒸汽爆破反应器，其特征在于，所述下部螺旋设置有波纹图案，所述波纹图案部分地引导材料朝向洗涤器的中心，并且在螺旋的内边缘设置有突出边缘，从而使材料的垂直分量朝向所述洗涤单元的中心飞溅和散布。
17.如权利要求13至16中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其中，所述洗涤单元在约1至约5巴的压力范围内运行。
18.如权利要求13至17中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其特征在于，所述洗涤单元设置有热交换冷却元件，以提供洗涤介质的冷却并从蒸汽爆破中回收热量。
19.如权利要求13至18中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其特征在于，所述压力释放部段用作第一二氧化碳洗涤器，系统还包括二级洗涤器，所述二级洗涤器构造成以第一洗涤器的作为洗涤介质的液体部分进行馈送。
20.如权利要求1至19中的任一项所述的连续流蒸汽爆破反应器，其特征在于，输送速度与所述装载部段和所述压力释放部段的装载和释放阀同步。
21.一种工艺，所述工艺用于对涉及蒸汽爆破破坏的固态有机材料进行处理，并且使所述材料更适于进一步的下游处理，所述工艺包括：
a)接收包含固态有机材料的材料流；
b)将材料流引入到润湿和混合部段中，并且对固态有机材料进行润湿和混合；
c)将来自所述润湿和混合部段的材料流通过装载部段的装载阀输送至装载隔室中；
d)通过在所述装载隔室中引入蒸汽或诸如加压空气的加压气体来增加所述装载隔室中的压力；
e)将材料从所述装载隔室释放到高压保持部段，同时维持高压保持部段中的高压和温度；
f)从所述高压保持部段关闭所述装载部段；
g)在所述装载部段从所述润湿和混合部段重新装载之前，释放所述装载部段中的压力；
h)在经受高压和高温的同时，通过所述高压保持部段连续地输送材料；
i)将已经通过所述高压保持部段且通过阀输送的材料剂量装载到压力释放部段，从所述压力释放部段释放压力，以对所述材料剂量实现蒸汽爆破效应；
j)将所述材料剂量排放到低压排放部段中；
k)相对所述排放部段关闭所述压力释放部段；
l)增加所述压力释放部段中的压力，使得当所述压力释放部段朝向所述高压保持部段打开以便重新装载时，在所述高压保持部段中维持高压。
22.如权利要求21所述的工艺，其特征在于，在步骤(c)至(g)中，使用旋转计量阀将来自润湿和调节部段的一定剂量的基质定量投加到高压旋转排放阀的隔室中，然后，所述高压旋转排放阀将装载的隔室旋转至密封位置，在所述密封位置处，蒸汽和/或气体被注入到所述装载的隔室中，以将材料加热至与所述高压保持部段相同的水平，并且使压力达到与所述高压保持部段相同或更高的水平，之后，旋转所述隔室以将材料释放到所述高压保持部段，然后在高压旋转排放阀旋转回到其装载位置以在大气压力下重新装载之前，将所述隔室旋转到第二密封位置，在该第二密封位置处释放压力。
23.如权利要求21所述的工艺，其特征在于，在步骤(c)至(g)中，来自所述润湿和调节部段的一定剂量的基质通过装载阀定量投加到由排放阀相对高压保持部段关闭的装载腔室中，然后，将所述装载阀移动到关闭位置，并且将蒸汽和可选的气体注入到装载腔室中，以将材料加热至与所述高压保持部段相同的水平，并且使压力达到与所述高压保持部段相同或更高的水平，之后，打开所述排放阀以将材料释放至高压保持部段，然后，在重新打开装载阀以在大气压力下重新装载装载隔室之前关闭所述排放阀并释放装载隔室的压力。
24.如权利要求21至23中的任一项所述的工艺，其特征在于，步骤(i)中的所述释放压力和步骤(j)中的排放在一个步骤中进行，其中通过将材料剂量排放到所述排放部段中来释放压力。
25.如权利要求21至24中的任一项所述的工艺，其特征在于，在步骤(i)至(l)中，使用高压旋转计量阀将来自高压保持部段的一定剂量的基质定量投加到高压旋转排放阀的隔室中，然后，所述高压旋转排放阀旋转，以在旋转至密封位置之前将装载的隔室排放到排放部段中，在所述密封位置处，在高压旋转排放阀旋转返回其装载位置以从高压保持部段重新装载之前，通过蒸汽和/或气体注入将其加压至与高压保持部段相同或略低的水平。
26.如权利要求21至24中的任一项所述的工艺，其特征在于，在步骤(i)至(l)中，通过装载阀将来自高压保持部段的一定剂量的基质定量投加至由排放阀从排放部段关闭的压力释放腔室，然后，将所述装载阀移动到关闭位置，并且打开所述排放阀以在压力释放的情况下将基质材料排放到低压排放部段中，然后，在通过蒸汽和/或气体注入将压力释放腔室加压至与高压保持部段相同或略低的水平之前，关闭所述排放阀，之后，打开所述装载阀，以便从高压保持部段重新装载所述压力释放腔室。
27.如权利要求21至23中的任一项所述的工艺，其特征在于，步骤(i)中的所述释放压力是通过打开位于所述压力释放部段的上部、其装载阀的上方的压力释放阀，以允许逸出的气体和蒸汽通过所述压力释放阀和与压力释放阀相对的导管排出，在压力释放部段内实现基质的蒸汽爆破，同时基质维持在压力释放部段中并随后排放基质材料。
28.如权利要求27所述的工艺，其特征在于，在将所述排放阀打开以将所述基质材料排放到所述排放部段中之前，通过增加压力释放隔室中的压力来辅助压力释放后的基材的排放。
29.如权利要求21至28中的任一项所述的工艺，其特征在于，步骤(c～g)中的高压保持部段和步骤(i～l)中的压力释放部段的装载和排放以及来自所述隔室的压力释放和材料排放以及所述装载和压力释放部段的加压被同步，使得高压保持部段中的压降在操作期间最小。
30.如权利要求21至29中的任一项所述的工艺，其特征在于，可调速输送机的输送速度与装载和释放机构同步。
31.如权利要求21至30中的任一项所述的工艺，其特征在于，所述高压保持部段中的高温和高压是通过将蒸汽引入所述区域并可选地进一步通过引入例如加压空气的加压气体而实现的。
32.如权利要求21至31中的任一项所述的工艺，其特征在于，所述材料流在所述润湿和混合部段中与碱性的水溶液混合。
33.如权利要求32所述的工艺，其特征在于，蒸汽爆破反应器的排放部段同时用作二氧化碳和/或其他酸性气体的洗涤器，其中碱性的蒸汽爆破基质和冷凝蒸汽提供洗涤介质。
34.如权利要求33所述的工艺，其特征在于，包括，在逆流构造中，将含有二氧化碳或其他酸性气体的气体流馈送到所述排放部段的下部段中，其中，进入顶部段并向下移动至排放部段的碱性的蒸汽爆破流与穿过排放部段的气体流相遇，并且碱性的蒸汽爆破流用作洗涤介质。
35.如权利要求34所述的工艺，其特征在于，包括将所述流从压力释放部段输送到所述排放部段和洗涤单元中，以使流的流动相对于洗涤单元的中心轴线成一定的角度进入流动引导螺旋部，从而促进流体朝向洗涤器的中心的飞溅和散布。
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