專利名稱：：大規(guī)模收集、預(yù)備、處理和精制木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于生物質(zhì)的收集和預(yù)先調(diào)節(jié)用于隨后精制成乙醇和其他產(chǎn)品的領(lǐng)域。具體地，本發(fā)明涉及大范圍收集生物質(zhì)從而利用規(guī)模經(jīng)濟效益。根據(jù)實施方案，所述生物質(zhì)可在下游加工之前在料堆中或位于中心的車間內(nèi)預(yù)先調(diào)節(jié)為選定的pH。相關(guān)技術(shù)的描述PatrickFoody的美國專利No.4，461，6487>開了這樣一種#支術(shù)，即通過蒸汽爆炸和化學(xué)分解打開生物質(zhì)中木質(zhì)素和纖維素之間的鍵從而使纖維素能夠為化學(xué)反應(yīng)可用，該專利以引用的方式整體納入本文中。20世紀70年代，在首次"石油危機"發(fā)生之后，該發(fā)明人對使低級纖維和木材可被反芻動物消化進行了研究。他認識到反芻動物微生物群對這些材料的可利用性和酶對這些材料的可利用性事實上是非常相似的問題。用蒸汽爆炸進行試驗以打開纖維。結(jié)果是，這是一個比單純使所述纖維"爆炸"打開內(nèi)部鍵難得多的問題，并且此過程的時間/溫度范圍的可優(yōu)化空間非常窄。然而，這些努力的結(jié)果是，如美國專利No.4,461,648中所公開和要求保護的，獲得了一種使纖維素可被酶完全利用的方法。這是該技術(shù)的首次突破，并且可以說奠定了目前被稱為生物質(zhì)精制學(xué)科的基礎(chǔ)。然而，要具有真正的經(jīng)濟竟?fàn)幜€存在一個關(guān)鍵的阻礙，即"規(guī)模"問題。本發(fā)明人相信，本發(fā)明最終解決了該問題，使生物質(zhì)乙醇可與石油竟?fàn)?。BrianFoody等人的美國專利No.5，916，780公開了用于預(yù)處理和運輸生物質(zhì)的技術(shù)，特別是涉及乙醇的生產(chǎn)，該專利以引用的方式整體納入本文中。日本專利JP2002330644提出了一個用于生物質(zhì)收集的系統(tǒng)。然而此專利公開了一個氣動系統(tǒng)，但并未充分地說明大規(guī)模生物質(zhì)的收集和精制的實施過程。用于運送木屑的管道系統(tǒng)很普遍，但這些一般是基于點對點的應(yīng)用。PeterC.Flynn，etal.，5/'oresowrce7"ecAflo/og7，96(2005)819-829假設(shè)了一種生物質(zhì)精制系統(tǒng)，其中水可被完全或部分地泵回系統(tǒng)的開始處。如作者所注，這需要兩條管線，在經(jīng)濟上不可行。為了在經(jīng)濟上可行，從生物質(zhì)得到的乙醇(在本文中也稱為纖維素乙醇)必須優(yōu)于其工業(yè)對手——糧食乙醇和石油。這些優(yōu)點之一是用于運輸傳統(tǒng)能源產(chǎn)品的公路、鐵路、管道和河運基礎(chǔ)設(shè)施都已經(jīng)鋪設(shè)好。與這些竟?fàn)幷呦啾?，生物質(zhì)本質(zhì)上在成本和加工方面具有明顯的劣勢。例如，自由流動的糧食，重40-50磅每立方英尺，而成包的生物質(zhì)重IO磅每立方英尺，松散的只重5磅每立方英尺?，F(xiàn)在建成的最大的沒有水路或鐵路運輸通路的糧食乙醇工廠，每天可處理的量級為2500噸。在5磅每立方英尺的"容重"下，生物質(zhì)精制系統(tǒng)的可行性受到道路系統(tǒng)通路的制約。待運送體積的差別對大多數(shù)公路系統(tǒng)的運輸能力是一種挑戰(zhàn)。為了利用生物質(zhì)的單位成本更便宜的優(yōu)勢，估計必須一個每天能夠處理顯著超過2500噸生物質(zhì)的系統(tǒng)才能使纖維素乙醇跟易于精制的基于淀粉的糧食乙醇竟?fàn)?。石油工業(yè)，生物質(zhì)精制的另一個傳統(tǒng)的竟?fàn)幷撸哂?規(guī)模"優(yōu)勢和成熟的管道系統(tǒng)從而能承受顯著高得多的原料成本。據(jù)估計為能與石油竟?fàn)帲w維素乙醇系統(tǒng)每天需要處理超過10000噸的生物質(zhì)。要使由生物質(zhì)制得的乙醇能夠在商業(yè)上與石油竟?fàn)帲€需要材料加工和物理布局方面的其他技術(shù)和科學(xué)優(yōu)勢，尤其是對經(jīng)濟規(guī)模而5。本發(fā)明的一個重要目的是克服與處理大量比較輕的不可自由流動的生物質(zhì)相關(guān)的困難和費用缺陷。本發(fā)明人在此建立了一個用于運送生物質(zhì)漿料的連續(xù)"回路"系統(tǒng)，與傳輸水共享管道，并沿著所述管道在不止一個選定點處加入新的生物質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，除了本地采集之外，可完全避免使用傳統(tǒng)的遞送系統(tǒng)，來支持本文所述的集中且集成的回路網(wǎng)絡(luò)。發(fā)明概要本發(fā)明的生物質(zhì)收集和精制系統(tǒng)包括生物質(zhì)精制車間、多個收集點和至少一個通過連續(xù)循環(huán)排布連接所述收集點和精制車間的管道回路，從而使水和生物質(zhì)的漿料從收集點傳輸?shù)骄栖囬g，回收傳輸水并與回收的工藝用水一起再輸入同一管道。本文所用的"管道，，包括但不限于導(dǎo)管、溝渠或類似結(jié)構(gòu)。可選地，所述系統(tǒng)包括連接所述收集點和所述精制車間的多個回路。本發(fā)明的方法包括在多個采集點(本文也稱為"收集點")收集生物質(zhì)。所述生物質(zhì)可被切碎，或在按需在導(dǎo)入蒸煮相收集點處(或在傳輸通路的其它地方)進行一定的pH調(diào)節(jié)。所述生物質(zhì)被引入管道回路中，在一個或多個收集點形成生物質(zhì)和液體的漿料(例如，非限制地為5wt。/。的固體混料于水中)并通過至少一個將每個特定"回路，，上的收集點與用于蒸煮生物質(zhì)的中心精制車間相連的管道回路來傳輸。在精制車間中，使用分離設(shè)備、甘蔗壓榨機、螺旋壓榨機、篩或類似裝置將水從漿料中去除，并通過一個或多個管道回路重新用于生物質(zhì)的連續(xù)傳輸。圖1示出了單個回路布局，表示位于中央的精制車間、離開所述車間的管道系統(tǒng)、注入管道系統(tǒng)的水、在沿著管線的一個或幾個點上生物質(zhì)的引入，以及除去水以重新利用的一般關(guān)系。然后所述生物質(zhì)進入所述精制車間。圖1A是圖1的一個細節(jié)圖，示出了一個使用離心機的典型除水系統(tǒng)。作為替換，也可以使用甘蔗壓榨機、螺旋壓榨機或類似除水裝置。圖1B是圖1的一個細節(jié)圖，示出了將固體引入管道形成漿料的分流系統(tǒng)(droplegsystem)的細節(jié)。也可4吏用其他固體引入裝置。6圖2示出了一個包括3個進入精制車間的回路的典型網(wǎng)絡(luò)布局。圖3示出了另一個布局，其中6個獨立回路將材料運至精制車間。圖4顯示擴大至9個連接回路的系統(tǒng)。圖5顯示進一步擴大至15個回路的系統(tǒng)，其中管道被整合到進出所述車間的干線。優(yōu)選實施方案的描述生物質(zhì)是成熟的作物纖維，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成，其包括但不限于草、柳枝稷、麥稈、玉米秸稈、甘蔗殘渣、一般谷類廢料、木屑等，這些可根據(jù)上述美國專利No.4，461，648和No.5，916，780或其他已知4支術(shù)轉(zhuǎn)化為乙醇(或其他產(chǎn)品)。因此，本文所用的生物質(zhì)包括在天然狀態(tài)下不能自由流動的材料，如木質(zhì)素-纖維素材料。本發(fā)明意圖優(yōu)選地與不可自由流動材料(木質(zhì)素-纖維素生物質(zhì))的收集和運輸結(jié)合應(yīng)用，因為這些材料從材料處理角度而言是傳統(tǒng)上最難處理的材料。一英畝可耕土地每年可產(chǎn)出多達18噸生物質(zhì)(甘蔗)，在溫帶氣候下一般每英畝產(chǎn)出5噸玉米秸稈或柳枝稷。為了保證足夠的供應(yīng)，本發(fā)明的系統(tǒng)一般基于每英畝每年0.67噸生物質(zhì)(谷物糧食麥稈)或1.34噸玉米秸稈而設(shè)計。這是計入了家庭損耗(包括用于其他目的的生物質(zhì))、可替代作物等因素后得出的可獲得的生物質(zhì)的平均數(shù)量，而非土地可產(chǎn)出的最大量。下表還包括了基于遺傳修飾的草的計算值。如圖2至圖5所示，收集點20優(yōu)選地位于產(chǎn)出生物質(zhì)的農(nóng)業(yè)區(qū)的中心或接近中心。這些農(nóng)業(yè)區(qū)在圖中以六邊形表示，然而示意圖只是隨意的，可預(yù)期采集地區(qū)的大小、形狀和地形有改變。本發(fā)明設(shè)施的最大采集能力的優(yōu)選范圍是最多至每天50，000噸，這可能需要一個直徑為約230英里或更大的網(wǎng)絡(luò)。術(shù)語"網(wǎng)絡(luò)"——如圖2-5中的網(wǎng)絡(luò)直徑B所釋例——是指例如由最外面的管道限定的區(qū)域的直徑。采集點的數(shù)目并不關(guān)鍵，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的大小而變動，其范圍可在7到IOO個采集點之間(只是舉例)。外線22是由所有采集點20服務(wù)的農(nóng)業(yè)區(qū)的界限。如圖2所示，總采集區(qū)域的大小基于車間處理能力。下面的方案基于車間能力分別為約5000噸/天、12500噸/天、25000噸/天和40000噸/天制定，導(dǎo)致穿過整個采集區(qū)域的距離為約50英里到約200英里不等。表1(圖2)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2(圖3)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表3(圖4)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表4(圖5)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>生物質(zhì)原料在一噸原料可產(chǎn)生多少燃料，以及使用何種酶和其他技術(shù)精制原料方面存在區(qū)別。一般一噸生物質(zhì)可產(chǎn)生40到100加侖燃料。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選從不同采集點收集大小均勻的生物質(zhì)，從而使精制容易。本發(fā)明的一個重要優(yōu)點是用卡車或農(nóng)場掛車通過一段比較短的距離D到達收集點20而將所述生物質(zhì)運輸?shù)礁魇占c。例如，在一個經(jīng)計算累計約12500噸生物質(zhì)的系統(tǒng)中，包含19個收集點，鄰近的收集點之間距離稍超過25英里(距離A)，如圖3所示，并且基于每年每英畝采集0.67噸生物質(zhì)，轉(zhuǎn)移到收集點的平均距離D是大約8.5英里。自采集點的此距離適于本地拖運，這可由農(nóng)場工人通過多種方法完成。這些數(shù)據(jù)僅用于例證，而不應(yīng)認為對本發(fā)明構(gòu)成限制。運輸之后，所述生物質(zhì)在收集點20例如通過分流管24被引入漿料中，從而與循環(huán)水形成漿料，如圖1B所示。在圖1B中，生物質(zhì)通過運輸機26被引入分流管24中，水通過供應(yīng)線28供應(yīng)，且使用攪拌器32攪拌所述漿料。所述漿料通過34處的增壓泵被泵入管道網(wǎng)絡(luò)。所述實施方案僅用于例證。分流管的使用不是必需的。也可用其它替代手段，如星形閥、擠壓螺桿加料器或類似的常規(guī)固體處理工具。所述生物質(zhì)被提前切碎，或在收集點切碎，優(yōu)選切成0.5到1.5英寸?？捎酶收釅赫C或圓盤精研機將所述生物質(zhì)粉碎使其更易于與酸或堿接觸以調(diào)整pH值。甘蔗壓榨機可能更適于草或麥稈，而圓盤精研機更適于木屑。然后按需要用位于每個收集點或抽水站的泵將所述漿料運輸?shù)较聜€收集點。漿料中的水量可由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員確定，其取決于泵流量、管尺寸等，然而，一般認為含有5wt。/。的固體的漿料可通過管道網(wǎng)絡(luò)充分運輸。相對管道網(wǎng)絡(luò)中的管道而言具有很大直徑的立管可用于適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的壓力變化，或者立管可與分流管、星形閥或擠壓螺桿加料器一起使用以將固體輸入到網(wǎng)絡(luò)。如圖4和圖5所示，可能需要將進出車間的物流結(jié)合至用于運輸?shù)街虚g精制車間的大直徑管70中以減少管的總長。這種情況下，可能必須將來自精制車間或在較后收集點的水流分流以維持水平衡。其中，"分流"是指將單個較大物流分成多個較小物流。附圖示出了將從多個收集點中的兩個或多個處運出的漿料流合并為指向精制車間的單個漿料流，并使自精制車間的漿料中去除的水發(fā)生分流，用于再循環(huán)。所述系統(tǒng)的另一重要方面是水——包括回收的工業(yè)用水——一旦注入網(wǎng)絡(luò)中，即可重新用于運輸，并且系統(tǒng)中的水量保持相對恒定，一般不需補充水。因為生物質(zhì)含有約12-50°/的水分，將生物質(zhì)加入系統(tǒng)會導(dǎo)致系統(tǒng)中循環(huán)水量的增加。這些水的一部分例如作為蒸汽可能在精制過程中耗盡，或水可在必要時被處理并排出，以維持網(wǎng)絡(luò)中的水量不變。其中，相對恒定的水量具有本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的該術(shù)語所表示的含義。優(yōu)選地，相對恒定的水量是維持固體/液體比例小于15。/。所需的水量。通常，在運行過程中系統(tǒng)中水量的變化不超過±5%。管道網(wǎng)絡(luò)的排列使所有收集點都能通過連續(xù)的通道到達精制車間，所述通道將生物質(zhì)和水的漿料運載至位于中心的精制車間。在圖l中，回路概示了原料沿管道進入車間，水被回收并返回管道中以運輸另外的原料。在實施方案中，所述系統(tǒng)的設(shè)計使得當(dāng)精制能力增加時多個回路可被加到已存在的管道網(wǎng)絡(luò)中，從而使總產(chǎn)量達到處理90000到100000桶的小型煉油廠的規(guī)模。這些數(shù)據(jù)僅用于例證，而不應(yīng)認為對本發(fā)明構(gòu)成限制。優(yōu)選地，所述管道回路的大小設(shè)計為可從單個回路的收集點收集1000噸/天或更多。一個系統(tǒng)可具有多個可獨立運4亍的管道回路，從而可不時地從系統(tǒng)中隔除一個或多個回路。如果車間能力和/或農(nóng)業(yè)面積增加時，也可以同4羊的方式增加額外的回路。管道的尺寸可由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員確定。例如，在圖3所示的系統(tǒng)中，基于適合每天累計約12500噸的系統(tǒng)，可有效使用直徑約為24英寸的管道，以約5英尺/秒傳輸漿料。圖2示出了三個回路的回路系統(tǒng)，一個回路被定義為每個回路都經(jīng)過精制器和至少兩個收集點的連續(xù)管道系統(tǒng)。一個回路系統(tǒng)包含多個這種回路。使用甘蔗壓榨機或本領(lǐng)域已知的其他漿料除水裝置在精制車間中將水從漿料中除去，所述工具包括但不限于離心機、擠壓機、篩或過濾器。隨后這些水在網(wǎng)絡(luò)中再循環(huán)。在一個圖1A所示的實施方案中，在固液分離器如離心機42中進行固液分離。分離的固體輸送至精制車間10。從精制過程44回收的水和從漿料46中除去的水可儲存在水倉48中，其然后可用于向管道網(wǎng)絡(luò)提供水。如上所注明，所使用的具體的生物質(zhì)精制技術(shù)對收集系統(tǒng)的運行并不是關(guān)鍵的。可使用前述美國專利No.4，461，648和5，916，780所述的車間。如其中所述，通常需要進行預(yù)先調(diào)節(jié)然后預(yù)處理以在開始時打開木質(zhì)素和纖維素之間的鍵。因此，實施本發(fā)明時，可任選使用酸或堿性的循環(huán)水以在循環(huán)系統(tǒng)中實施預(yù)先調(diào)節(jié)。對于酸溶液，使用2%的硫酸溶液可適于此目的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)使用的原料和精制方法確定精確的用量。前述優(yōu)選實施方案的描述僅用于例證，而不視為對本發(fā)明構(gòu)成限制，本發(fā)明在權(quán)利要求中予以限定。權(quán)利要求1.一種生物質(zhì)收集和精制系統(tǒng)，包括生物質(zhì)精制車間、多個收集點、和至少一個在連續(xù)循環(huán)排布中連接所述收集點和精制車間的管道回路，用于將水和生物質(zhì)的漿料從收集點傳輸?shù)骄栖囬g。2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，包括多個連接收集點的管道回路。3.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，所具有的多個收集點用于每天收集約1000噸至約50000，，屯生物質(zhì)。4.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)適合每天每個回路收集至少約1000噸生物質(zhì)。5.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)適合每天收集超過約50000，，屯生物質(zhì)。6.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，具有約7到100個收集點。7.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中來自兩個收集點的水或漿料流被合并傳輸至所述精制車間，且從精制車間的漿料中除去的水被分流用于再循環(huán)。8.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中系統(tǒng)中的水量相對恒定。9.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)維持漿料中固體/液體的重量比等于或小于15%。10.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括用于從漿料中除水的裝置。11.權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其中用于從漿料中除水的裝置是甘蔗壓榨機、離心機、篩、過濾器、螺旋壓榨機或它們的組合。12.—種收集和精制生物質(zhì)的方法，包括在通過至少一個管道回路連接的生物質(zhì)精制車間的多個收集點收集生物質(zhì)；將所述生物質(zhì)引入至少一個管道回路中形成生物質(zhì)和液體的漿料；通過至少一個與用于蒸煮生物質(zhì)的精制車間相連的管道回路傳輸所述生物質(zhì)和液體的漿料；和從漿料中除去水并連續(xù)地將這些水再用于傳輸另外的生物質(zhì)。13.權(quán)利要求12的方法，還包括在網(wǎng)絡(luò)中預(yù)處理生物質(zhì)和水的漿料，使其達到一個有利于隨后在精制車間中分解木質(zhì)素和生物質(zhì)的鍵的pH。14.權(quán)利要求12的方法，還包括將從多個收集點中的兩個或更多個處運出的漿料流合并為流向精制車間的單個漿料流，以及使自精制車間的漿料中除去的水發(fā)生分流用于再循環(huán)的步驟。15.權(quán)利要求13的方法，其中所述生物質(zhì)的尺寸減小，且調(diào)節(jié)漿料的pH以引入蒸煮相。16.權(quán)利要求12的方法，還包括除去水以維持系統(tǒng)中相對恒定的循環(huán)水量的步驟。17.權(quán)利要求12的方法，包括將收集點連至精制車間的多個管道回路。18.權(quán)利要求17的方法，其中每個回路都可獨立運行。19.權(quán)利要求17的方法，其中回路數(shù)目與精制車間的生產(chǎn)能力相匹配。全文摘要一種用于大范圍收集木質(zhì)素-纖維素生物質(zhì)以使商業(yè)精制生物質(zhì)的規(guī)模達到每天2500到超過50000噸生物質(zhì)的系統(tǒng)，用于生產(chǎn)乙醇或其他產(chǎn)品。所述生物質(zhì)在一系列收集點被收集然后通過與每個收集點和中央精制車間相互連接的管道網(wǎng)絡(luò)“回路”運輸。用于運輸所述漿料形式生物質(zhì)的水被回收，隨后在相同管道系統(tǒng)中再循環(huán)以推動“回路”中的生物質(zhì)漿料環(huán)繞系統(tǒng)。文檔編號B65G53/30GK101522545SQ200780037209公開日2009年9月2日申請日期2007年8月21日優(yōu)先權(quán)日2007年6月28日發(fā)明者大帕特里克·富迪申請人:大帕特里克·富迪