CN114174477A - 烘焙反应器和工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包括多于一个的烘焙间歇反应器的配置。该配置的烘焙间歇反应器包括具有气体入口(4)、气体出口(5)的封闭外壳(2)和透气性生物质容纳结构(6)，该透气性生物质容纳结构(6)定位在外壳(2)内限定生物质容纳空间(7)。烘焙间歇反应器的气体入口(4)和气体出口(5)交替地流体连接至以下气体回路：(i)空气干燥气体回路(20)、(ii)烘焙气体回路(25)和(iii)冷却气体回路(26)。该配置的一个或多个间歇反应器流体连接至空气干燥气体回路(20)，并且一个或多个其他间歇反应器流体连接至烘焙气体回路(25)。
Description
技术领域
本发明涉及一种烘焙反应器和一种烘焙工艺。
背景技术
烘焙是众所周知的工艺，其中，在存在于生物质中的半纤维素分解同时保持生物质的纤维素和木质素基本完整的条件下，生物质在不存在任何大量氧气的情况下被加热至升高的温度。烘焙由此增加了单位质量生物质的热值并且还从生物质中去除了大量的水，尤其是所谓的结合水。烘焙的另一个优点是已烘焙的产品的特性相对一致，即使从不同来源的生物质开始也是如此。下一个优点是已烘焙的产品可以很容易地研磨成粉末，然后可以制成颗粒或者就这样使用。因此，烘焙将生物质转化为高能量密度的产品，该产品可以很容易地被运输并在不同的下游工艺中用作原料(feed)或燃料。
鉴于这些优点，已经开发了许多烘焙工艺。大量的这些工艺是连续的工艺，其中生物质被连续或间歇地进给到反应器并且已烘焙的产品从反应器中排出。WO2012/102617描述了一种工艺，其中生物质首先通过与热气体直接接触而在流化床反应器中干燥，随后在移动床反应器中被烘焙。WO13003960描述了一种工艺，其中生物质在直接燃烧的回转窑反应器中被连续烘焙。US2013/0078589描述了一种用于生物质的连续烘焙过程的管状反应器。
如在这些现有的公开文件中所描述的烘焙工艺的缺点是它们相对复杂并且需要一定规模以便经济地操作它们。这种大规模将需要加工大量的生物质，而这些生物质又必须来自大区域。例如，当生物质是低密度纤维状生物质，例如甘蔗渣时，将生物质运输至烘焙加工工厂的成本可能变得太高而无法经济地运行工厂。但是，即使是这样的处理会使用纤维生物质作为原料而不是通常的木片，也需要某些额外的措施。纤维生物质，诸如来自棕榈油提取的空果串剩余物(EFB left over)或甘蔗渣，往往会桥接并且也不会流动通过过即使是大的开口。这使得这种生物质在连续烘焙工艺中的应用变得困难。WO18071848描述了一种预处理，其中在执行烘焙之前将纤维状生物质干燥、锤磨并成型为立方体。立方体可以在连续工艺中运输。这种预处理的缺点是能量密集。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够以更简单的方式处理纤维状生物质的工艺和工艺配置。
该目的通过以下配置实现。配置，该配置包括多于一个的烘焙间歇反应器，
其中所述配置的烘焙间歇反应器包括具有气体入口、气体出口的封闭外壳和透气性生物质容纳结构，该透气性生物质容纳结构定位在外壳内限定存在于气体入口和气体出口之间的生物质容纳空间，并且其中烘焙间歇反应器的气体入口和气体出口交替地流体连接至以下气体循环，
(i)空气干燥气体回路，
(ii)烘焙气体回路，以及
(iii)冷却气体回路，
其中所述配置的一个或多个烘焙间歇反应器流体连接至空气干燥气体回路，并且一个或多个其他间歇反应器流体连接至烘焙气体回路。
申请人发现，这种配置能够以简单的方式通过烘焙来处理纤维生物质。通过操作作为间歇式反应器的反应器，纤维生物质本身不必在该工艺中流动。可以手动或半自动地将纤维状生物质添加到反应器中，这避免了在大规模连续工艺中可能发生的桥接问题。能量密集型研磨不是必需的，并且可以以更节能的方式执行该工艺。此外，通过使用反应器的气体入口和气体出口以将干燥气体、烘焙气体和冷却将气体供应至反应器或者从反应器排出，而将相同反应器用于生物质的干燥、烘焙本身以及已烘焙的产品的冷却。这允许生物质同时在一个反应器中干燥，在另一个反应器中烘焙并在又一个反应器中冷却。已经发现使用相对较小规模的烘焙反应器能够高效地操作该配置。这种较小的规模允许在更接近纤维生物质的产地(origin)处操作该过程。因此，生物质产地和烘焙工艺之间的距离将更小，需要更少的运输。
本发明还涉及一种工艺，该工艺通过执行一系列循环步骤，使生物质经受如在多于一个的烘焙间歇反应器的配置中进行的烘焙，
其中在一个或多个循环步骤中，以下动作(a)-(f)同时发生：
(a)向烘焙间歇反应器的生物质容纳空间提供生物质，
(b)通过将存在于另一个烘焙间歇反应器的容纳空间中获得的生物质与温度在50至150℃之间的空气直接接触来干燥生物质，从而获得包括已干燥的生物质的烘焙间歇反应器，
(c)通过将生物质与温度在230至300℃之间的实质上的惰性气体直接接触，来将在另一个烘焙间歇反应器中在先前循环步骤中获得的已干燥的生物质加热至在230至280℃之间的温度，从而获得包括烘焙气体和已加热的生物质的烘焙间歇反应器，
(d)将在另一个烘焙间歇反应器中在先前循环步骤中获得的已加热的生物质与温度在230至300℃之间的实质上的惰性气体直接接触，从而获得包括已烘焙的生物质和烘焙气体的烘焙间歇反应器，
(e)通过将已烘焙的生物质与温度在10和100℃之间的冷却气体直接接触，来冷却包括在另一个烘焙间歇反应器中的先前循环步骤中获得的已烘焙的生物质，从而获得已冷却的已烘焙生物质，以及
(f)从烘焙间歇反应器中清空包括在另一个烘焙间歇反应器中的先前循环步骤中获得的已冷却的已烘焙生物质，并且在相同循环步骤中可选地在下一个动作(a)中重新使用由此获得的实质上空的间歇反应器。
在所述配置，所述烘焙间歇反应器可以包括具有内壁、气体入口和气体出口的封闭管状外壳，管状透气性生物质容纳结构，该管状透气性生物质容纳结构定位在管状外壳内限定生物质容纳空间，其中
(A)所述管状透气性容纳结构在其两端具有透气性端，并且其中气体入口流体连接至透气性容纳结构的上游端并且气体出口流体连接至透气性容纳结构的下游端，导致用于通过生物质容纳空间的轴向气体流，或者
(B)所述管状透气性容纳结构具有透气性管状壁，该透气性管状壁与管状外壳的内壁间隔开，从而限定环形空间，其中气体入口流体连接至存在于生物质容纳空间内的气体分配器并且气体出口流体连接至环形空间。
因为气体分配器定位在生物质容纳空间内，所以用于干燥气体、烘焙气体和冷却气体的流动路径将在使用中流过生物质容纳空间并直接加热或冷却存在于该空间中的生物质。
在本说明书中，如在……上面、在……下面，、上、下等术语可以用于描述根据本发明的设备或工艺(在其可以使用的方向)上。除非如此指定，否则这并不将本发明限制于该方向。例如，与这种使用的方向垂直的方向也是可能的。
烘焙间歇反应器的气体入口和气体出口可以存在于封闭管状外壳的两个不同端。优选地，气体入口和气体出口存在于管状外壳的一端，更优选地存在于反应器的下端。管状外壳的相对端然后可以设置有可拆卸的闭合件，优选地在其上端。通过可拆卸的闭合件，新鲜的生物质可以进入反应器并且已烘焙的生物质从反应器中排出。
透气性生物质容纳结构可以是允许气体流过生物质的任何结构。优选地，气体的流动使得生物质与气体均匀地接触，从而导致所有的生物质被烘焙到实质上相同的水平。该结构能够将新鲜的生物质和已烘焙的生物质容纳在所述容纳结构内。需要气体通过的容纳结构的壁适当地设置有足够大的开口以供气体通过并且足够小以避免生物质和已烘焙的生物质通过这些开口。
对于反应器(A)，管状透气性容纳结构在其两端具有透气性端。这种容纳结构的管状侧壁可以是管状外壳的内壁。优选地，管状侧壁是与管状外壳的内壁间隔开的封闭侧壁。所形成的环形空间可用于流体连接管状生物质容纳结构的下游端以及定位在反应器下端的气体出口。该环形空间也可以填充有静止空气或绝缘材料。在这样的反应器中，优选具有气体导管，该气体导管将管状透气性容纳结构的下游端与气体出口流体连接。这种导管可以穿过生物质容纳空间。优选地，导管沿着管状透气性容纳结构的轴线定位。优选使用这种导管，因为这样可以实现反应器的较低壁温。生物质容纳结构的上游端优选地是敞开的，这允许气体从气体入口沿实质上轴向向上的方向向上流入生物质容纳空间。反应器的上端优选设置有可拆卸的闭合件。当打开时，可以将新鲜的生物质添加至生物质容纳空间中，并且已烘焙的生物质可以容易地从生物质容纳空间中移除。
对于反应器(B)，管状透气性容纳结构具有管状透气性壁。优选地，透气性生物质容纳结构包括作为生物质支撑物的圆形封闭底部以及管状透气性壁，其中管状透气性壁与管状外壳的内壁间隔开。该管状透气壁因此将具有小于管状外壳内径的直径。
反应器(B)的气体分配器可以适当地是任何能够向生物质容纳空间供应气体的装置，并且该装置确保生物质与气体均匀接触从而导致所有生物质被烘焙至实质上相同的水平。适当地避免了气体短路。优选地，气体分配器是管状外壳内的同轴定位的导管，并设置有将气体入口与生物质容纳空间流体连接的开口。导管可以具有任何横截面设计。优选地，导管是管，优选地是金属管。导管在其下游端适当地封闭。以这种方式，可以实现给气体穿过生物质的径向和水平流动路径。
在这样的半封闭导管中，将沿其长度产生压力梯度。为了确保气体从该导管均匀地排放至生物质容纳空间中，可以采取额外的措施。例如，其上游端的开口面积可以大于其下游端的开口面积。导管可以具有朝向其下游端减小的横截面积。设置有开口的第二导管可以围绕导管定位，以平衡气体的流动。优选地，同轴定位的导管设置有压力平衡装置，例如导管中的一个或多个流动限制。经发现，当导管(优选管)沿其长度设置有两个挡板用于较小的间歇式反应器时，可以获得可接受的流量，这将在下文更详细地描述。挡板开口的直径适当地介于优选的管状气体分配器直径的30％和60％之间。
如上所述的反应器(A)和(B)也可以定位在其一侧，其中气体沿水平方向流动。这样的定向提供了相同的有利生物质转化并且可能是对于在动作(a)和(f)中清空和装料至反应器所更加需要的。
烘焙间歇反应器可以具有任何尺寸。然而，申请人发现在下述系统和工艺中使用多个较小的间歇反应器可以实现例如约300至1000kg/hr或300至350kg/hr的烘焙生物质的相对小规模的烘焙工艺。优选地，封闭管状外壳由钢制成并且设置有一个或多个波纹以增强其结构强度。更优选地，封闭管状外壳是桶，更优选地是适配的ISO钢桶，甚至更优选地，ISO钢桶是全开口(FOH)桶。已发现具有约889mm高度和约583mm外径的这种钢桶是有利的，因为它们容易获得，能够承受工艺温度，并且能够在分组中提供上述所需生产能力在300到350kg/hr之间的半连续烘焙工艺。通过使用具有比例较大的体积的反应器，可以实现高达1000kg/hr的更高生产能力。必须清楚的是，间歇反应器可以被不同地制造，同时也可以获得一些优点。
本发明还涉及一种烘焙间歇反应器，该烘焙间歇反应器包括具有气体入口和气体出口的封闭外壳、透气性生物质容纳结构，该透气性生物质容纳结构定位在外壳内限定存在于气体入口和气体出口之间的生物质容纳空间，并且其中气体入口和气体出口交替地流体连接至以下气体回路，
(i)空气干燥气体回路，
(ii)烘焙气体回路，实质上是惰性的，以及
(iii)冷却气体回路。
所述配置的空气干燥气体回路或上述烘焙间歇反应器适当地包括空气加热器、气体置换装置、空气入口和湿气体出口。烘焙气体回路适当地包括气体加热器、气体置换装置、用于实质上的惰性气体的入口和用于已生成的烘焙气体的出口。冷却气体回路适当地包括气体冷却器和气体置换装置。
交替地连接至气体回路(i)-(iii)的烘焙间歇反应器可以是任何烘焙间歇反应器，其中气体从气体入口流过透气性生物质容纳空间至气体出口。外壳可以是具有气体入口和气体出口的管状外壳，并且优选地，烘焙间歇反应器是根据本发明的反应器(A)或反应器(B)。
本发明涉及一种系统，也称为一种配置，该配置是例如如上所述的多于一个的烘焙间歇反应器的配置，其中一个或多个间歇反应器流体连接至空气干燥气体回路并且一个或多个其他间歇应器流体连接至烘焙气体回路，并且优选地，一个或多个其他反应器连接至冷却气体回路，并且其中，一个或多个其他反应器处于过渡模式，在该过渡模式中生物质可以添加至反应器并且已烘焙的生物质可以从反应器排出。在该系统中，至少一个反应器因此连接至空气干燥气体回路(i)，至少一个反应器连接至烘焙气体回路(ii)，至少一个反应器连接至空气干燥气体回路(iii)并且至少一个反应器处于过渡模式(iv)。在例如5到10分钟之间的循环时间段之后，将填充有新鲜生物质的反应器连接至干燥气体回路(i)，另一个反应器从干燥气体回路(i)断开并连接至烘焙气体回路(ii)，另一个反应器从烘焙气体回路(iii)断开并连接至冷却气体回路(iii)，另一个反应器从冷却气体回路(iii)断开并清空已烘焙的生物质并填充新鲜生物质。如果多于一个反应器连接至相同的气体回路(i)-(iii)，从气体回路断开的反应器将适当地是连接至气体回路时间最长的反应器。申请人发现最优系统是由至少八个间歇烘焙反应器组成的系统，该至少八个间歇烘焙反应器优选由钢桶或具有相似体积的反应器制成，其中两个或更多个反应器一次连接至空气干燥气体回路(i)，三个反应器或更多反应器连接至烘焙气体回路(ii)，两个或更多反应器连接至空气干燥气体回路(iii)且一个或多个反应器处于过渡模式(iv)。
优选地，所述配置包括八个烘焙间歇反应器，其中两个烘焙间歇反应器一次连接至空气干燥气体回路(i)，三个烘焙间歇反应器连接至烘焙气体回路(ii)，两个烘焙间歇反应器连接至空气干燥气体回路(iii)以及一个烘焙间歇反应器处于过渡模式(iv)。
优选地，所述循环时间，所述工艺的一个循环步骤的时间，在所述系统的5和10分钟之间，更优选在所述系统的6和9分钟之间。可以使用多于八个间歇烘焙反应器。然而，这种高于八个的数量增加了系统的复杂性，需要更多的导管、阀和/或更复杂的阀。
在上述系统中，将发生许多将烘焙间歇反应器与不同气体回路连接和断开的操作。这可以通过使用阀系统来实现。这种系统是复杂的，并且为了简化系统，优选使用旋转阀，该旋转阀例如所谓的多通道旋转接头。这种旋转阀具有不同的离散位置。在一个第一位置，所述阀能够将所述配置的一个第一烘焙间歇反应器或复数个第一烘焙间歇反应器流体连接至空气干燥气体回路，能够将所述配置的一个不同的第二烘焙间歇反应器或复数个不同的第二烘焙间歇反应器流体连接至烘焙气体回路，能够将所述配置的一个不同的第三烘焙间歇反应器流体至冷却气体回路，并且能够将所述配置的一个不同的第四烘焙间歇反应器或复数个不同的第四烘焙间歇反应器从气体回路流体地断开，导致不同的第四烘焙间歇反应器处于过渡模式，并且其中在阀的另一个第二位置，一个或多个反应器连接至不同的气体回路而不是第一阀位置的气体回路。
优选的系统包括旋转阀，其中在所述阀的一个位置，两个烘焙间歇反应器流体连接至所述干燥气体回路，两个或优选三个烘焙间歇反应器流体连接至所述烘焙气体回路，两个烘焙间歇反应器流体连接至所述冷却气体回路，并且一个烘焙间歇反应器从气体回路流体地断开而导致该反应器处于过渡模式。在旋转阀的下一个新位置中，之前在所述阀的先前位置的处于过渡模式的所述烘焙间歇反应器连接至干燥气体回路，之前在所述阀的先前位置连接至干燥气体回路的一个烘焙间歇反应器连接至烘焙气体回路，之前在所述阀的先前位置的烘焙气体回路的一个烘焙间歇反应器流体连接至冷却气体回路，之前在所述阀的先前位置连接至冷却气体回路的一个烘焙间歇反应器从冷却气体回路断开并且处于过渡模式。在该系统中，从气体回路断开的烘焙间歇反应器将适当地是连接至气体回路时间最长的反应器。
在八个间歇反应器的系统中，离散阀位置的数量优选为八个。
申请人发现，如上所述的系统，优选其中间歇反应器具有封闭管状外壳的系统，该封闭管状外壳例如是适配的ISO钢桶或具有管状外壳的稍大尺寸的反应器，可以非常紧凑。这导致整个系统或配置(例如八个反应器的系统或配置)可以存在于一个或多个20英尺的船运集装箱中。具有轴线的管状反应器可以在这种船运集装箱中沿它们的轴线垂直地或沿它们的轴线水平地定位。这是有利的，因为它允许将系统简单地运输至生物质的来源地(source)，而不必将新鲜的生物质运输至集中操作的大规模烘焙工艺。优选地，根据本发明的多于一个的烘焙间歇反应器存在于第一20英尺船运集装箱中，并且其中空气干燥回路的空气加热器、烘焙气体回路的气体加热器和冷却气体回路的气体冷却器是存在于第二20英尺集装箱中。间歇反应器优选可拆卸地连接至存在于容器中的气体入口和出口导管。这使得人们能够在处于过渡模式时移除间歇反应器，从反应器中排出已烘焙的生物质并将新鲜的生物质添加至所述反应器中。然后可以在集装箱中将具有新鲜生物质的反应器替换并重新连接至气体导管。船运集装箱优选地在其纵向侧壁中设置有多个门，每个门对应于间歇反应器。通过门可以移除单个间歇反应器以排放已烘焙的生物质并添加新鲜的生物质。
本发明还涉及上述工艺，该工艺通过执行一系列循环步骤使生物质经受如在多于一个的烘焙间歇反应器的配置中执行的烘焙，其中在一个或多个循环步骤中，动作(a)-(f)同时发生。对一个烘焙间歇反应器执行的动作可以在一个循环步骤中完成。例如，对于相同间歇烘焙反应器，动作(a)和(f)可以在一个循环步骤中发生。动作(b)优选在两个循环步骤中执行，动作(c)优选在一个循环步骤中执行，动作(d)优选在三个循环步骤中执行并且动作(e)优选在一个循环步骤中执行。
动作(b)优选通过将所述配置的烘焙间歇反应器连接至空气干燥气体回路来执行。动作(c)和(d)优选通过将配置的烘焙间歇反应器连接至烘焙气体回路来执行。动作(e)优选通过将所述配置的烘焙间歇反应器连接至烘焙气体回路来执行。对于包括八个烘焙间歇反应器的配置，其中两个烘焙间歇反应器一次连接至空气干燥气体回路(i)，四个烘焙间歇反应器连接至烘焙气体回路(ii)，一个烘焙间歇反应器连接至空气干燥气体回路(iii)，并且一个烘焙间歇反应器处于过渡模式(iv)。
可以使用料斗执行动作(a)并使用重力从上方填充反应器。反应器的内容物可以通过在反应器中的生物质顶部加压来稍微压缩，以便为额外的生物质腾出空间。执行动作(a)后的生物质密度优选在80至120kg/m3之间，更优选在90至100kg/m3之间。
当执行动作(b)至(e)时，反应器可以垂直或水平地定位。垂直是指气体沿垂直方向通过生物质，在管状反应器的情况下，管状反应器的轴垂直定位。水平是指气体沿水平方向通过生物质，并且在管状反应器的情况下，管状反应器的轴水平定位。当反应器定位在包括倾斜方向在内的任何方向时，可以执行动作(a)和(f)。这可以例如涉及将反应器从其先前的水平位置切换至垂直位置以允许，例如通过在上端的可移除盖，垂直地移除和供应生物质。当执行动作(a)和(f)时，反应器也可以处于水平位置。在一个优选的实施例中，同时通过使用液压活塞将生物质从轴向辅助进给槽转移至反应器中，而在适当水平的反应器上执行步骤(a)和(f)。在活塞的相同冲程中，由于生物质的置换，将与进给端相对的一端的已烘焙的生物质排出反应器。
在上述工艺中，动作(c/d)中的实质上的惰性气体包含小于3％体积分数的氧气。优选地，动作(c)和动作(d)中的实质上的惰性气体包括在动作(c)和动作(d)中获得的烘焙气体和/或在燃烧该烘焙气体时获得的燃烧气体。适当地，实质上的惰性气体在烘焙气体回路中流动，该烘焙气体回路包括气体加热器、气体置换装置、生物质容纳空间和用于生成的烘焙气体的出口。在工艺启动时，用于动作(c)和动作(d)中的实质上的惰性的气体适当地包含大于50％体积分数并且优选大于95％体积分数的二氧化碳。
空气加热器和实质上的惰性气体加热器优选是一个设备。所需热量通过烘焙气体的燃烧来提供。优选地，使用一些额外的燃料来满足烘焙工艺的总能量需求。这种额外的燃料可以是任何气体燃料或固体燃料。优选地，一些已干燥的或已烘焙的生物质被用作这种额外的燃料。这种使用烘焙气体和已干燥或已烘焙的生物质作为燃料的加热器可以是例如移动炉排式焚烧炉。动作(b)中使用的空气和动作(c)中使用的实质上的惰性气体优选通过与燃烧气体进行间接热交换来加热，并且该燃烧气体是在例如这种移动炉排式焚烧炉中燃烧烘焙气体和已干燥或已烘焙的生物质时获得的。
执行动作(b)、(c)、(d)和(e)处压力可以是环境压力和2MPa之间的任何压力。优选地，压力在0.1和0.25MPa之间，允许使用更薄壁的反应器。
在动作(f)中获得的已烘焙生物质可以被粉碎以减小其体积。由此获得的粉末可以用作例如燃料或用作另一工艺的给料。也可以将粉末压成颗粒或压块。这有利于更容易运输和处理。
用作上述方法的给料或用于上述根据本发明的间歇反应器中的或用于根据本发明的系统中的生物质可以是允许一定的气体从气体入口通过大量生物质流到气体出口的任何生物质。当生物质的堆积密度低于200kg/m3并且优选低于100kg/m3时，发现这种气体流动是可实现的。生物质可以是木材，例如木片或颗粒。优选的生物质来源是纤维生物质，例如油棕空果束纤维(OPEFBF)、椰子椰棕纤维(CCF)、菠萝皮(PP)、菠萝冠叶(PCL)、红麻韧皮纤维(KBF)、红麻芯纤维(KCF)、甘蔗渣、甘蔗废料、稻草和/或麦秸。
所述工艺优选在根据本发明的多于一个烘焙间歇反应器的系统中执行。在一个时刻，在这样的工艺中，所有动作(a)-(f)在系统的不同烘焙间歇反应器中同时执行。
本发明还涉及一种能够用于上述配置和工艺的阀。旋转阀，该旋转阀具有可旋转的中心体，该中心体具有多个离散的可旋转位置，其包括n个气体入口导管和n个气体出口导管并且定位在固定体内，其中在固定体和可旋转的中心体之间存在2n个环形空间，并且其中每个气体入口导管流体连接至单独的环形入口空间并且每个气体出口导管流体连接至单独的环形出口空间，
其中气体入口导管在可旋转的中心体的一个轴向端具有气体入口开口，并且其中气体出口导管在可旋转的中心体的相同轴向端具有气体出口，
其中，所述轴向端面向固定隔板，该固定隔板设置有开口，该开口与n个气体入口开口对准并与n个出口开口对准，该对准取决于可旋转中心体的离散的可旋转位置，
其中，所述固定体设置有n个气体出口和n个气体入口，并且其中每个气体出口连接至单独的环形入口空间，并且其中每个气体入口流体连接至单独的环形出口空间，并且
其中可旋转的中心体能够相对于固定体轴向移动。
申请人发现，利用这种旋转阀，可以将多个间歇反应器与多于一个的气体回路流体连接并且容易地改变这些连接，该多于一个的气体回路流体例如是干燥气体回路和加热气体回路。以这种方式，反应器可以首先连接至干燥气体回路，并且一旦干燥阶段完成，反应器可以通过从阀的一个离散位置改变至另一个离散位置而连接至加热气体回路。
与诸如US2011/0067770中描述的现有技术相比，根据本发明的阀更适合这种应用，因为它可以处理具有不同温度的气体。如果将现有技术的阀用于这种气体流，则会产生非常庞大的阀。此外，由于不可避免的紧密间隔的热质量，阀中的气体流之间的不希望有的传导热传递将是显着的。下一个问题是这种阀的制造会很复杂。另一个问题是，当这种阀用于气体流时，可能会发生泄漏。本申请的阀没有这样的缺点。通过一方面具有2n个环形空间的阀和具有设置有n个径向气体出口和n个径向气体入口的固定体，可以将n个气体回路与任何数量的反应器连接。通过改变阀的长度，可以很容易地调整气体回路的数量。通过改变在中心体轴向端的轴向气体入口和出口的数量，可以容易地调整反应器的数量。进一步，由于可旋转的中心体相对于固定体的相对轴向运动，阀限制了气体泄漏。这允许人们沿轴向方向将密封表面压至彼此上并且将环形空间彼此流体地断开。
旋转阀适当地用于间歇工艺，该间歇工艺包括在不同操作阶段操作的多于一个的间歇反应器。间歇工艺可以是其中的反应物存在于间歇反应器中而因此在不同操作阶段与不同气体流接触的任何工艺。不同的气体流可以具有例如不同的成分和/或不同的温度特性。将进一步描述的优选用途是，其中间歇反应器是烘焙间歇反应器并且操作阶段包括干燥阶段、烘焙阶段和冷却阶段。
具体实施方式
本发明将通过以下图1-11来说明。
图1显示了具有封闭管状外壳(2)和管状透气性生物质容纳结构(6)的间歇反应器A(1)，该封闭管状外壳(2)具有内壁(3)、气体入口(4)和气体出口(5)，该透气性生物质容纳结构(6)定位在外壳(2)内限定生物质容纳空间(7)。管状透气容纳结构(6)在其两端(12，13)具有透气性端。气体入口(4)流体连接至透气性容纳结构(6)的一个上游端(12)，气体出口(5)流体连接至透气性容纳结构(6)的下游端(13)。这导致气体将沿轴向气体流流过生物质容纳空间(7)的使用。在下游端(13)的气体可以在管状外壳(2)的上端排出。在该图中，显示了一个实施例，其中气体经由轴向定位管(14)流到定位在管状外壳(2)下端的气体出口(5)。这是有利的，因为入口(4)和出口(5)将彼此靠近定位，这简化了反应器与气体回路的连接。作为替代方案，在下游端(13)的气体也可以经由存在于管状外壳(2)的内壁(3)和透气性容纳结构(6)之间的环形空间(15)而流至出口(5)。此外，在反应器的顶部存在可拆卸的闭合件(18)，使得当反应器处于其过渡模式时，能够添加新鲜的生物质并从反应器中排出已烘焙的生物质。在环形空间(15)中可以存在绝缘物。图1和2中的箭头说明了反应器中的预期气体流。
图2显示了具有封闭管状外壳(2)和管状透气性生物质容纳结构(6)的间歇反应器B(1)，该封闭管状外壳(2)具有内壁(3)、气体入口(4)和气体出口(5)，该管状透气性生物质容纳结构(6)定位在外壳(2)内限定生物质容纳空间(7)。该管状透气性容纳结构(6)具有透气性管状壁(16)，该透气性管状壁(16)与管状外壳(2)的内壁(3)间隔开。在壁(16)和内壁(2)之间存在环形空间(17)。气体入口(4)流体连接至存在于生物质容纳空间(7)内的气体分配器(9)。气体出口(5)流体连接至环形空间(17)。气体分配器(9)是在管状外壳(2)内同轴定位的导管(18)，并设置有将气体入口(4)与生物质容纳空间(7)流体连接的开口(19)。入口(4)和出口(5)彼此靠近定位，这简化了反应器与气体回路的连接。存在具有与图1中相同功能的可拆卸闭合件(18)。
图3显示了线(a)，线(a)是针对特定动作的进入如图1和2所示烘焙间歇反应器的气体的温度，线(b)是针对该动作的在反应器中的固体生物质的温度，线(c)是针对该动作的离开反应器的气体温度。当反应器连接至空气干燥回路(I)、烘焙气体回路(II)和冷却气体回路(III)时，进入反应器的气体温度逐步变化(线(a))。如所示，干燥阶段(动作(b))持续到进入反应器的气体温度与离开反应器的温度大致相同的点。当反应器连接至烘焙气体回路(II)时，发生动作(c)和(d)。在开始时，当生物质温度升高时显示加热动作。动作(d)是如所示当生物质的温度与离开反应器的气体的温度大致相同时。在该烘焙阶段，动作(d)，温度是对于大部分时间处于所需的烘焙温度，对于该种特定的生物质，该温度为250℃。冷却阶段的开始，当离开反应器的气体温度低于50℃并适当地接近冷却气体温度时，终止冷却。
图4显示了通过旋转阀(30)连接至空气干燥气体回路L1(20)、烘焙气体回路L2(25)和冷却气体回路L3(26)的八个烘焙反应器(R1-R8)。如将在图5-11中所解释的，旋转阀可以将每个反应器(R1-R8)与任何一个气体回路(L1-L3)连接。例如，干燥气体回路(20)的空气入口(50)通过旋转阀(30)和导管(55)可以连接至反应器R4的入口(4)，并且通过反应器R4的气体出口(5)离开反应器的湿气体将通过导管(54)和旋转阀(30)连接至空气干燥回路(20)的湿气体出口(51)。旋转阀(30)优选地是如图5-11中所描述的新型多通道旋转接头。因为我们相信这种阀是新型的，所以本发明还针对如下所述的阀本身。
旋转阀，该旋转阀具有可旋转的中心体(30a)，该中心体(30a)具有多个离散的可旋转位置，其包括n个气体入口导管(31)和n个气体出口导管(32)并且定位在固定体(33)内，其中在固定体和可旋转的中心体之间存在2n个环形空间(34a，34b)，并且其中每个气体入口导管(31)流体连接至单独的环形入口空间(34a)并且每个气体出口导管(32)流体连接至单独的环形出口空间(34b)。n可以是任何数字并且n适当地是从2到5的值。在图5-7中n是2并且在图8-11中n是3。气体入口导管(31)在可旋转的中心体(30a)的一个轴向端(36)具有气体入口开口(35)。气体出口导管(32)在可旋转的中心体(30a)的相同轴向端(36)具有气体出口(37)。所述轴向端(36)面向固定隔板(39)，该固定隔板设置有开口(40)，该开口与n个气体入口开口(38)对准并与n个出口开口(35)对准，该对准取决于可旋转的中心体(30a)的离散的可旋转位置。所述固定体(33)设置有n个气体出口(41)和n个气体入口(42)，并且其中每个气体出口(41)连接至单独的环形入口空间(34a)并且其中每个气体入口(42)流体连接至单独的环形出口空间(34b)。可旋转的中心体(30a)能够相对于固定体(33)轴向移动。这可以通过将可旋转中心体(30a)相对于诸如地板之类的基底(basis)固定并移动固定体(33)来执行，反之亦然。这些附图标记可以在图5-7中找到。为清楚起见，并非所有附图所有所示部件中都提到了附图标记。
在图5和6中，显示了中心体(30a)的两个离散的可旋转位置。在这样的离散位置，由于轴向力，环形空间(34a，34b)通过密封件(43)适当地彼此流体地断开，该轴向力将所述中心体(30a)的径向延伸表面(44)按压至固定体(33)的向内径向延伸的表面(45)上。另一个密封件(43a)确保可旋转体(30a)气密地固定在固定隔板(39)上。优选地，这些表面中的一个或两个设置有气体密封，例如石墨填料、特氟龙填料(Teflon packing)或O形环。
在图5中，流(53)连接至流(51)并且流(50)连接至流(52)。流(50)和流(51)可以例如是图4的干燥气体回路(20)的一部分，并且流(52)可以连接至烘焙反应器的入口(4)并且流(53)连接至相同烘焙反应器的出口。部件(39)可以被配置为使得流(53)是不同的烘焙反应器的气体出口，该不同的反应器被串联配置。这意味着串联的第一反应器的出口直接连接至第二反应器的入口，依此类推。
在图6中，流(50)连接至不同的流(55)并且流(51)连接至不同的流(54)。这说明了与图5中所示的情况相比，包括流(50)和(51)的相同气体回路如何可以通过流(54)和(55)连接至不同的烘焙间歇反应器的入口和出口。部件(39)还被配置为从任何气体回路切断一个或多个反应器，以便能够添加新鲜的生物质并从所述反应器中排出已烘焙的生物质。
图7示出了：通过可旋转的中心体(30a)相对于固定体(33)的轴向移动，来将中心体(30a)的径向延伸表面(44)从固定体(33)的向内径向延伸表面(45)轴向间隔开之后，通过旋转中心体(30a)，旋转阀(30)可以如何从例如图5所示的一个离散位置旋转至例如图6所示的另一离散位置。该轴向运动如图7所示。以这种方式，密封件(43)被破坏，这允许中心体(30a)的自由旋转运动。当达到所需的离散旋转位置时，可旋转中心体(30a)轴向地往回移动以通过密封件(43)流体地断开环形空间(34a、34b)。当在根据本发明的配置和工艺中使用这样的阀时，优选的是，空气干燥气体回路、烘焙气体回路和冷却气体回路中的气体流被暂时中断以限制这些环形空间(34a、34b)之间的气体流之间的任何污染以及气体的任何向外泄漏进入到环境。对于根据本发明的烘焙工艺，小的污染并不是不利的。潜在的泄漏到环境中的环形空间分配给包含空气的气体回路，因此该工艺完全可以容忍小的泄漏。
在图5-6中，显示了n为2的配置，使得阀能够将多个反应器与两个气体回路连接。在图8中，显示了根据本发明的旋转阀，其中n为3，使得该阀能够将多个反应器与三个气体回路连接，该三个气体回路优选是根据本发明的空气干燥气体回路(20)、烘焙气体回路(25)和冷却气体回路(26)。图8a显示了阀(30)的俯视图。轴杆(56)被示出并且被连接(未示出)至中心体部分(30a)。该杆(56)在沿轴向移动时引导中心主体部分(30a)。杆(56)从固定外壳(33)伸出的位置(56a)优选地被密封，使得能够旋转并防止气体泄漏。在该图中，仅显示了阀(30)的外部。图8b从侧面显示了阀(30)的侧面及图8c从侧面显示。未示出固定隔板(39)。其余附图标记的含义与图5-7中的相同。
图9a-c从侧面显示了中心可旋转主体(30a)。图9b显示了三个气体入口导管(31)以及三个气体入口导管(32)从侧(36)延伸至部件(30a)的壁中的开口。导管(31、32)也可以是从实心圆柱形部件开始加工的导管，或者部件(30a)可以通过增材制造来制造。因为流过导管(31、32)的气体可能具有不同的温度，所以部件(30a)将用作热传递装置。这是不期望的，因此适当地采取措施以最小化这样的热传递。一种简单的手段是在部件(30a)的开放区域添加绝缘材料，如玻璃棉。其余附图标记的含义与图5-7中的相同。
该阀优选地以下列方式组装。由于固定体(33)的向内径向延伸表面(45)和中心体(33)的径向延伸表面(44)，因此不可能简单地将中心体(30a)轴向插入至固定部件(33)中。为了能够组装，如图8b所示，固定部分(33)由互连的段(33a-33f)构建，而如图9a所示，旋转中心体部件(30a)由互连的段(30b-30g)构建。通过将新的段(33a-33f)和新的段(30b-30g)连接至先前已连接并已组装的段(33a-33f)和(30b-30g)来组装阀。
图10显示了已组装的旋转阀(30)的图8a的截面图GG。图11显示了图8c的截面图HH。
该阀适当地与烘焙间歇反应器结合使用，更优选与根据如本说明书中所描述的本发明的烘焙间歇反应器结合使用。适当地于其中n＝3或更高的阀可以有效地将不同的气体回路(i)-(iii)连接至不同的烘焙间歇反应器，而不需要多个阀和阀操作。例如，当烘焙反应器的气体入口和气体出口连接至下一个不同的气体回路时，阀门将移至另一个离散位置，从而实现如图5-7所示的连接。当可旋转体旋转时，两个表面将轴向移动分开，从而实现该旋转。在这一点上，环形空间可以是流体连接的，量少的一个回路的可以进入另一个回路。当在合理的短时间内执行旋转和随后的轴向移动以锁定环形空间时，不会有大量气体泄漏到另一个气体回路中而负面地影响温度或产生爆炸性混合物。
在由八个烘焙间歇反应器组成的系统中，阀门可能具有八个离散位置。在每个位置，气体回路可以流体连接至多个间歇反应器。在所述气体回路中所提供的到多于一个间歇反应器的气体可以相对于反应器以并联方式流动或可以串联流动。在并联配置中，气体回路的出口开口(35)可以与多个开口(40)对准，该多个开口(40)与并联操作的间歇反应器的数量的对应。然后与出口开口(35)对准的每个开口(40)将流体连接至其中一个间歇反应器的气体入口。反应器的出口将依次与相同数量的开口(40)流体连接，并且所有这些开口(40)将与气体入口开口(38)对准，该气体入口开口(38)与气体回路流体连接。在串联配置中，在固定隔板(39)中设置有通道，以便将第一间歇反应器的气体出口与下一个间歇反应器的气体入口连接。
Claims (25)
1.配置，该配置包括多于一个的烘焙间歇反应器，
其中所述配置的烘焙间歇反应器包括具有气体入口(4)、气体出口(5)的封闭外壳(2)和透气性生物质容纳结构(6)，该透气性生物质容纳结构(6)定位在外壳(2)内限定存在于气体入口(4)和气体出口(5)之间的生物质容纳空间(7)，并且其中烘焙间歇反应器的气体入口(4)和气体出口(5)交替地流体连接至以下气体回路，
(i)空气干燥气体回路(20)，
(ii)烘焙气体回路(25)，以及
(iii)冷却气体回路(26)，
其中所述配置的一个或多个间歇反应器流体连接至空气干燥气体回路(20)，并且一个或多个其他间歇反应器流体连接至烘焙气体回路(25)。
2.据权利要求1所述的配置，其中，所述空气干燥气体回路(20)包括空气加热器(21)、气体置换装置(22)、空气入口(50)和湿气体出口(51)，
所述烘焙气体回路(25)包括气体加热器、气体置换装置、用于实质上的惰性气体的入口和用于生成的烘焙气体的出口，并且
冷却气体回路(26)包括气体冷却器和气体置换装置。
3.根据权利要求1-2任一项所述的配置，其中一个或多个烘焙间歇反应器连接至冷却气体回路，并且其中一个或多个反应器处于过渡模式，其中将已烘焙的生物质从处于该过渡模式的烘焙间歇反应器中排出并且将生物质添加至处于该过渡模式的烘焙间歇反应器中。
4.根据权利要求3所述的配置，其中所述配置包括至少八个烘焙间歇反应器，其中两个或更多个烘焙间歇反应器一次连接至所述空气干燥气体回路(i)，三个或更多个烘焙间歇反应器连接至所述烘焙气体回路(ii)，两个或更多个烘焙间歇反应器连接至空气干燥气体回路(iii)，并且一个或多个烘焙间歇反应器处于过渡模式(iv)。
5.根据权利要求4所述的配置，其中所述配置包括八个烘焙间歇反应器，其中两个烘焙间歇反应器一次连接至所述空气干燥气体回路(i)，三个烘焙间歇反应器连接至所述烘焙气体回路(ii)，两个烘焙间歇反应器连接至空气干燥气体回路(iii)，并且一个烘焙间歇反应器处于过渡模式(iv)。
6.根据权利要求1-5任一项所述的配置，其中，所述配置还包括旋转阀(30)，阀具有不同的位置，并且其中在一个第一位置，所述阀能够将所述配置的一个第一烘焙间歇反应器或复数个第一烘焙间歇反应器流体连接至空气干燥气体回路，能够将所述配置的一个不同的第二烘焙间歇反应器或复数个不同的第二烘焙间歇反应器流体连接至烘焙气体回路(25)，能够将所述配置的不同的第三烘焙间歇反应器流体连接至冷却气体回路，并且能够将所述配置的一个不同的第四烘焙间歇反应器或复数个不同的第四烘焙间歇反应器从气体回路流体地断开，导致该不同的第四烘焙间歇反应器处于过渡模式，并且其中在阀的另一个第二位置，一个或多个反应器连接至不同的气体回路而不是第一阀位置的气体回路。
7.根据权利要求6所述的配置，其中在所述阀的一个位置，两个烘焙间歇反应器流体连接至干燥气体回路，两个或三个烘焙间歇反应器流体连接至所述烘焙气体回路，两个烘焙间歇反应器流体连接至所述冷却气体回路，并且一个烘焙间歇反应器从气体回路流体地断开并处于过渡模式，并且其中在旋转阀的下一个新位置中，之前在所述阀的先前位置处于过渡模式的所述烘焙间歇反应器连接至干燥气体回路，之前在所述阀的先前位置流体连接至干燥气体回路的一个烘焙间歇反应器流体连接至烘焙气体回路，之前在所述阀的先前位置流体连接至烘焙气体回路的一个烘焙间歇反应器流体连接至冷却气体回路，之前在所述阀的先前位置流体连接至冷却气体回路的一个烘焙间歇反应器从冷却气体回路流体地断开并且处于过渡模式。
8.根据权利要求1-7任一项所述的配置，其中，所述烘焙间歇反应器具有封闭管状外壳(2)。
9.根据权利要求8所述的配置，其中所述烘焙间歇反应器(1)包括具有内壁(3)、气体入口(4)和气体出口(5)的封闭管状外壳(2)，管状透气性生物质容纳结构(6)，该管状透气性生物质容纳结构(6)定位在管状外壳(2)内限定生物质容纳空间(7)，其中
(A)所述管状透气性容纳结构(6)在其两端(12，13)具有透气性端，其中气体入口(4)流体连接至透气性容纳结构(6)的上游端(12)并且气体出口(5)流体连接至透气性容纳结构(6)的下游端(13)，导致用于通过生物质容纳空间(7)的轴向气体流，或
(B)所述管状透气性容纳结构具有透气性管状壁，该透气性管状壁与管状外壳(2)的内壁(3)间隔开，从而限定环形空间(17)，其中气体入口流体连接至存在于生物质容纳空间(7)内的气体分配器(9)并且气体出口流体连接至环形空间(17)。
10.根据权利要求9所述的配置，其中所述气体入口(4)和气体出口(5)存在于所述管状外壳(2)的一端(10)，并且其中所述管状外壳(2)的相对端(11)设置有可拆卸的闭合件(18)。
11.根据权利要求9-10中任一项所述的配置，其中，对于(A)，所述管状透气生物质容纳结构具有封闭的管状侧壁，该封闭的管状侧壁与所述管状外壳的内壁间隔开，导致在封闭的管状侧壁和管状外壳的内壁之间形成环形空间。
12.工艺，该工艺通过执行一系列循环步骤，使生物质经受如在多于一个的烘焙间歇反应器的配置中进行的烘焙，
其中在一个或多个循环步骤中，以下动作(a)-(f)同时发生：
(a)向烘焙间歇反应器的生物质容纳空间提供生物质，
(b)通过将存在于另一个烘焙间歇反应器的容纳空间中的生物质与温度在50至150℃之间的空气直接接触来干燥生物质，从而获得包括已干燥的生物质的烘焙间歇反应器，
(c)通过将生物质与温度在230至300℃之间的实质上的惰性气体直接接触，来将在另一个烘焙间歇反应器中在先前循环步骤中获得的已干燥的生物质加热至230至280℃之间的温度，从而获得包括烘焙气体和已加热的生物质的烘焙间歇反应器，
(d)将在另一个烘焙间歇反应器中在先前循环步骤中获得的已加热的生物质与温度在230至300℃之间的实质上的惰性气体直接接触，从而获得包括已烘焙的生物质和烘焙气体的烘焙间歇反应器，
(e)通过将已烘焙的生物质与温度在10和100℃之间的冷却气体直接接触，来冷却包括在另一个烘焙间歇反应器中的先前循环步骤中获得的已烘焙生物质，从而获得已冷却的已烘焙生物质，以及
(f)从烘焙间歇反应器中清空包括在另一个烘焙间歇反应器中的先前循环步骤中获得的已冷却的已烘焙生物质，并且在相同循环步骤中可任选地在下一个动作(a)中重新使用由此获得的实质上空的间歇反应器。
13.根据权利要求12所述的工艺，其中,一个循环步骤的时间在5到10分钟之间，并且其中，一个烘焙间歇反应器在一个循环步骤中执行动作(a)和(f)，在两个循环步骤中执行动作(b)，在一个循环步骤中执行动作(c)和在三个循环步骤中执行动作(d)和在一个循环步骤中执行动作(e)。
14.根据权利要求12-13中任一项所述的工艺，其中，所述实质上的惰性气体(c/d)包括小于3％体积分数的氧气。
15.根据权利要求14所述的工艺，其中所述在动作(c)和动作(d)中的实质上的惰性气体包括在动作(c)和动作(d)中获得的烘焙气体和/或在燃烧该烘焙气体时获得的燃烧气体，并且其中实质上的惰性气体在烘焙气体回路中流动，烘焙气体回路包括气体加热器(31)、气体置换装置(32)、生物质容纳空间和用于生成的烘焙气体的出口(34)。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述烘焙气体被燃烧并且其中通过间接热交换将所述燃烧气体用于加热空气并且其中在动作(b)中使用所述被加热的空气。
17.根据权利要求12-16中任一项所述的工艺，该工艺以根据权利要求1-11中任一项所述的配置执行。
18.根据权利要求12-16中任一项所述的工艺，其中在所述工艺启动时在动作(c)和动作(d)中使用的所述实质上的惰性气体包括大于95％体积分数的二氧化碳。
19.根据权利要求12-18中任一项所述的工艺，其中，所述生物质是堆积密度低于200kg/m3并且优选低于100kg/m3的纤维状生物质。
20.根据权利要求12-19中任一项所述的工艺，其中，所述生物质是甘蔗渣、甘蔗废料、稻草和/或麦秸。
21.旋转阀，该旋转阀具有可旋转的中心体(30a)，该中心体(30a)具有多个离散的可旋转位置，中心体(30a)包括n个气体入口导管(31)和n个气体出口导管(32)并且定位在固定体(33)内，其中在固定体和可旋转的中心体之间存在2n个环形空间(34a，34b)，并且其中每个气体入口导管(31)流体连接至单独的环形入口空间(34a)并且每个气体出口导管(32)流体连接至单独的环形出口空间(34b)，
其中气体入口导管(31)在可旋转的中心体(30a)的一个轴向端(36)具有气体入口开口(35)，并且其中气体出口导管(32)在可旋转的中心体(30a)的相同轴向端(36)具有气体出口(37)，
其中，所述轴向端(36)面向固定隔板(39)，该固定隔板设置有开口(40)，该开口与n个气体入口开口(38)对准并与n个出口开口(35)对准，该对准取决于可旋转的中心体(30a)的离散的可旋转位置，
其中，所述固定体(33)设置有n个气体出口(41)和n个气体入口(42)，并且其中每个气体出口(41)连接至单独的环形入口空间(34a)并且其中每个气体入口(42)流体连接至单独的环形出口空间(34b)，并且
其中可旋转的中心体(30a)能够相对于固定体(33)轴向移动。
22.根据权利要求21所述的旋转阀，其特征在于，由于轴向力，所述环形空间(34a，34b)在这样的离散位置处通过密封件(43)彼此流体地断开，该轴向力将所述中心体(30a)的径向延伸表面(44)按压至固定体(33)的向内径向延伸的表面(45)上。
23.根据权利要求21-22中任一项所述的旋转阀，其中n是从2至5的值。
24.根据权利要求22-23中任一项所述的用于操作旋转阀的方法，其中，在通过可旋转中心体(30a)相对于固定体(33)的轴向移动来将中心体(30a)的径向延伸表面(44)从固定体(33)的向内径向延伸的表面(45)轴向隔开之后，通过旋转所述中心体(30a)来将所述阀从一个离散位置旋转至另一个离散位置，并且当到达期望的离散旋转位置时，可旋转中心体(30a)轴向地往回移动，从而通过密封件(43)将环形空间(34a、34b)流体地断开。
25.根据权利要求6或7所述的配置，其中，所述旋转阀是根据权利要求23-24中任一项所述的阀。
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