專利名稱：通過使用連續(xù)預(yù)水解和汽爆預(yù)處理工藝預(yù)提取半纖維素的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及纖維素生物質(zhì)原料，例如農(nóng)業(yè)廢棄物(包括莖、秣草和殼)、秸稈和草、 森林和鋸木廠廢棄物(包括木屑和間伐材碎片)的預(yù)處理。具體地，本發(fā)明涉及用于從生物質(zhì)原料提取碳糖的預(yù)水解和汽爆預(yù)處理。
背景技術(shù)：
通常在預(yù)處理中使用高壓和/或高溫來從纖維素原料產(chǎn)生醇類，例如乙醇。在這些傳統(tǒng)的預(yù)處理中，一些C5糖轉(zhuǎn)化為在預(yù)處理之后的發(fā)酵步驟中抑制C6糖的酒精發(fā)酵的組分。去除這些抑制組分，例如醛(如HMF，糠醛和甲醛)、單酚(例如香草醛和松柏醛)、酸 (例如甲酸)和其他抑制劑應(yīng)在預(yù)處理后的C6發(fā)酵中提高酒精收率。

發(fā)明內(nèi)容
已經(jīng)開發(fā)了用于預(yù)處理纖維素生物質(zhì)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括第一加壓反應(yīng)器，其接收原料，其中，所述原料在所述第一加壓反應(yīng)器中經(jīng)受水解；密封裝置，其具有到所述第一加壓反應(yīng)器的原料排出端口的第一加壓接頭，和到第二加壓反應(yīng)器的第二加壓接頭；排放裝置，其用于包含從所述第一加壓反應(yīng)器和所述密封裝置中的至少一個中的原料提取的溶解的半纖維素材料的液體；第二加壓反應(yīng)器組件，其在基本上大于所述第一反應(yīng)器中的壓力的壓力下接收來自密封裝置的加壓原料，和膨脹裝置，其在所述第二加壓反應(yīng)器組件下游，其中，所述膨脹裝置快速釋放從所述第二加壓反應(yīng)器排出的原料的壓力，以使所述原料經(jīng)受汽爆反應(yīng)，其中，所述第一反應(yīng)器和所述第二反應(yīng)器每一個包括接受直接蒸汽加熱的蒸汽相，和用于與原料反應(yīng)或加熱原料的液體相。在另一個實施例中，用于預(yù)處理纖維素生物質(zhì)原料的系統(tǒng)可包括第一加壓反應(yīng)器，其接收原料，其中所述原料在所述第一反應(yīng)器中，在1.5巴表壓到6巴表壓范圍內(nèi)的表壓下，并且在至少110攝氏度的溫度下經(jīng)受水解；密封提取裝置，其具有到所述第一加壓反應(yīng)器的原料排出端口的第一加壓接頭和到第二加壓反應(yīng)器的第二加壓接頭；清洗步驟，其將清洗液引入所述第一加壓反應(yīng)器和所述密封提取裝置的至少一個中的所述原料內(nèi)；排放裝置，其用于去除包含從所述第一加壓反應(yīng)器和所述密封提取裝置的至少一個中的所述原料提取的溶解的半纖維素材料的液體；第二加壓反應(yīng)器組件，其接收來自所述密封其他裝置的加壓原料，并且將蒸汽或水汽注入到所述第二加壓反應(yīng)器中的原料內(nèi)，其中，所述反應(yīng)器組件將在8巴表壓到25. 5巴表壓范圍內(nèi)的壓力施加到原料，并且所述第二加壓反應(yīng)器組件具有連接到排出管道的加壓排出端，和膨脹裝置，其在所述第二加壓反應(yīng)器組件下游，其中，所述膨脹裝置快速釋放從所述第二加壓反應(yīng)器排出的原料的壓力，以使所述原料經(jīng)受
汽爆反應(yīng)。
已經(jīng)開發(fā)了預(yù)處理纖維素生物質(zhì)原料的方法，包括以下步驟在第一加壓反應(yīng)器中預(yù)處理原料，其中，所述原料在所述第一加壓反應(yīng)器中經(jīng)受水解；將所述原料從所述第一加壓反應(yīng)器排出到加壓密封裝置，所述加壓密封裝置具有到所述第一加壓反應(yīng)器的原料排出端口的第一加壓接頭；在所述第一加壓反應(yīng)器中通過將蒸汽噴射到所述第一加壓反應(yīng)器中維持所述第一加壓反應(yīng)器中的蒸汽相，其中，所述噴射的蒸汽向所述第一加壓反應(yīng)器中的原料提供熱能；在所述第一加壓反應(yīng)器或所述加壓密封裝置的下游區(qū)域中清洗所述原料；將包含從來自所述第一加壓反應(yīng)器和所述加壓密封裝置的至少一個的所述原料提取的溶解的半纖維素材料的液體排放；通過第二加壓接頭將所述原料從加壓密封裝置排出到第二加壓反應(yīng)器，其中，所述原料在所述第二加壓反應(yīng)器中保持在比在所述第一加壓反應(yīng)器中更高的壓力下；在所述第二加壓反應(yīng)器中，通過將蒸汽或水汽噴射到所述第二加壓反應(yīng)器中，注入原料細胞蒸汽或水汽，和快速釋放施加到所述注入水的原料的壓力，以使蒸汽在所述原料的細胞中膨脹，并且可研磨所述原料。


圖1圖示了用于纖維素生物質(zhì)原料預(yù)處理的雙反應(yīng)器工藝流程圖。圖2圖示了具有傾斜的第一反應(yīng)器和水平的第二反應(yīng)器的反應(yīng)器系統(tǒng)，第一反應(yīng)器輸入端比排出端低。圖3圖示了具有傾斜的第一反應(yīng)器和水平的第二反應(yīng)器的反應(yīng)器系統(tǒng)，第一反應(yīng)器輸入端比排出端高。圖4圖示了具有圓錐形第二反應(yīng)器的反應(yīng)器系統(tǒng)。圖5圖示了具有多個旋風(fēng)分離器的反應(yīng)器系統(tǒng)。圖6圖示了具有料塞螺旋進料器的反應(yīng)器系統(tǒng)。圖7圖示了具有垂直第一反應(yīng)器的反應(yīng)器系統(tǒng)。圖8圖示了具有圓錐形反應(yīng)器的反應(yīng)器系統(tǒng)的可交替布置方式。
具體實施例方式圖1顯示了纖維素生物質(zhì)原料預(yù)處理工藝10的流程圖，該預(yù)處理工藝10具有用于從原料14水解和溶解半纖維素的第一加壓反應(yīng)器12。半纖維素溶解到液體中來在原料流到第二加壓反應(yīng)器16之前提取C5糖，第二加壓反應(yīng)器16用于蒸煮原料中剩余的纖維素。加壓密封裝置18允許加壓的原料直接從第一反應(yīng)器12連續(xù)流到第二反應(yīng)器16。原料14可以是纖維素生物質(zhì)材料，例如農(nóng)業(yè)廢棄物(例如莖、秣草和殼)、秸稈和草、森林和鋸木廠廢棄物(例如木屑和間伐材碎片)。原料14進料到儲料倉20，原料至少臨時在大氣壓力下保持在該儲料倉20中。儲料倉可提供預(yù)汽蒸來加熱原料。原料由輸送器22從儲料倉20運送到壓力密封裝置24，例如旋轉(zhuǎn)閥、料塞螺旋進料器或由Andritz Inc. (Glens Falls,New York,USA)出售的 MSD Impressaf iner 。壓力密封裝置 24 用作原料到第一加壓反應(yīng)器12的輸入端口。在第一加壓反應(yīng)器12中，纖維素生物質(zhì)原料使用水解，例如預(yù)水解或自動水解預(yù)處理來在第二加壓反應(yīng)器16之前從原料提取碳糖，優(yōu)選提取C5糖。第一加壓反應(yīng)器可以是水平的、傾斜的或垂直的。第一反應(yīng)器12中的水解蒸煮可以是連續(xù)過程，在該連續(xù)過程中，原料連續(xù)進入、流經(jīng)反應(yīng)器12，并且從反應(yīng)器12排放出到壓力密封裝置18、流經(jīng)第二反應(yīng)器16。在第一加壓反應(yīng)器12中，半纖維素溶解和水解，該半纖維素主要為5碳糖(本文稱為“C5糖”)。半纖維素通過管道沈在來自第一加壓反應(yīng)器12的液體中提取，管道沈從反應(yīng)器12延伸到泄料箱或桶觀。軟木中的半纖維素主要是葡甘露糖，其在第一反應(yīng)器12的預(yù)水解和自動水解過程中溶解和水解。例如硬木、谷類秸桿和草中的半纖維素可在第一容器12中的酸性溶液中 (可任選存在一種或多種催化劑)溶解和水解為低分子量C5糖，例如木糖和阿拉伯糖，并且在一定程度上溶解和水解為無定形C6糖。低分子量C5和無定形C6糖溶解在反應(yīng)器12 中，并且以液態(tài)(液體)從反應(yīng)器12排放到管沈。優(yōu)選以液態(tài)從第一反應(yīng)器12中的原料去除的C5糖副產(chǎn)物的示例包括醛(HMF，糠醛和甲醛)、單酚(香草醛和松柏醛)、酸(例如甲酸和蟻酸)。如果不在第一反應(yīng)器12中從原料分離，由于其或其反應(yīng)副產(chǎn)物可能抑制 C6糖的發(fā)酵，因此期望去除這些C5糖副產(chǎn)物。在第一加壓容器反應(yīng)器12中，原料可在酸性溶液中處理，該酸性溶液促進預(yù)水解或自動水解來將原料中的半纖維素溶解和水解為低分子量C5糖和無定形C6糖。反應(yīng)器12 可不充滿原料，以允許蒸汽相存在于反應(yīng)器中。蒸汽相給原料提供熱能，并且促進原料中的水解反應(yīng)，原料可存在于反應(yīng)器中的蒸汽相或液相中的一相或兩相中。到反應(yīng)器12的蒸汽可以由蒸汽源13提供，蒸汽源13將蒸汽在反應(yīng)器12的一個或多個位置處，并且優(yōu)選靠近反應(yīng)器的原料入口直接噴射到反應(yīng)器內(nèi)。蒸汽也可在緊鄰反應(yīng)器12的入口上游的原料輸送器22，24中噴射。蒸汽在入口上游噴射到反應(yīng)器12在蒸汽和原料混合物進入反應(yīng)器之前增強蒸汽和原料的混合。水解以及部分預(yù)水解和自動水解統(tǒng)稱為纖維素生物質(zhì)原料在例如110攝氏度 (°C )和160°C之間或110°C到175°C的溫度下，在1. 5巴到6巴(150到600千帕)或1. 5 巴到10巴(150到600千帕)的表壓下蒸煮約十(10)分鐘到六十(60)分鐘，并且優(yōu)選蒸煮20到30分鐘。為了促進水解并且提供加壓，第一加壓反應(yīng)器12可接收弱酸、二氧化硫氣體(S02)、氧氣、壓縮空氣、氨氣、水、水汽、蒸汽(用于加熱和保溫)和來自這些化合物的每一個源30，13的催化劑中的一種或多種流。所接收的一種或多種流30，13可在靠近原料進入反應(yīng)器處并且遠離原料離開第一加壓容器處引入第一加壓反應(yīng)器12。作為添加酸的替代方式，第一反應(yīng)器12可利用自動水解條件，例如通過使用由原料在自動水解條件下釋放的木酸。原料可以濕態(tài)或干態(tài)從第一反應(yīng)器12排出。稀釋水或液32可任選地添加到第一反應(yīng)器12或密封提取裝置18。添加稀釋水對從密封提取裝置18去除任何溶解的物質(zhì)是有益的，并且提高流經(jīng)管道沈和48的流中回收的糖量。而且，清洗步驟15可包括在第一反應(yīng)器12中或緊跟在第一反應(yīng)器12下游，在第二反應(yīng)器16上游，優(yōu)選在密封提取裝置18上游，以使用稀釋清洗原料，例如確保水解反應(yīng)已經(jīng)停止。例如，清洗步驟在第一反應(yīng)器12流程結(jié)束處或在密封提取裝置18中。清洗步驟15將清水，例如來自稀釋水源32，引入到清洗區(qū)(見圖7)中的原料，該清洗區(qū)靠近第一反應(yīng)器出口或在密封提取裝置18中。來自源32的清洗水可具有不超過160攝氏度、不超過140攝氏度或不超過110攝氏度的溫度。清洗水的溫度低于第一反應(yīng)器12中的溫度，以抑制清洗區(qū)中的水解反應(yīng)。清洗區(qū)通過例如排水管48提取濾出液17。 清洗步驟應(yīng)在汽爆步驟上游，例如在閥34上游。在汽爆步驟上游清洗原料比在汽爆步驟之后清洗原料更經(jīng)濟有效。汽爆步驟降低原料粒度，因而提高原料的比表面積。小微粒和所得的大比表面積增加了脫水和清洗原料的難度。由于在汽爆之前原料相對較粗， 并且具有較小的比表面積，因此清洗在汽爆步驟上游避免了這些困難。由于與清洗較小微粒相比較，清洗具有較大微粒的原料更有效，因此清洗設(shè)備，例如清洗區(qū)、水噴射器、濾液篩和提取裝置可比清洗汽爆步驟下游所需的設(shè)備更靈巧，并且更廉價。同樣地，與清洗相關(guān)的成本，例如，如果清洗步驟在汽爆步驟上游，比清洗步驟在汽爆步驟下游提供清洗液和提取濾出液的成本更少。泄料箱28通過管(也稱為管道)26和48收集來自從第一反應(yīng)器12和密封提取裝置18中的原料提取的半纖維素的溶解的組分，例如C5糖。溶解的半纖維素液體溶液，例如從反應(yīng)器12提取的C5糖，可通過通到泄料箱28的管48中或泄料箱28的排出端處的減壓閥49減壓。從原料分離并且存儲在泄料箱28中后，半纖維素中的C5糖可通過傳統(tǒng)工藝轉(zhuǎn)化為木糖，以用作食品添加劑，通過有氧或無氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為沼氣，通過高辛烷氧化處理轉(zhuǎn)化為甲基呋喃，并且轉(zhuǎn)化為含水糖，以用于轉(zhuǎn)化為醇類，例如乙醇。C5糖的轉(zhuǎn)化可使用特定的微生物，例如酶，以促進轉(zhuǎn)化反應(yīng)。對于本發(fā)明中的任何反應(yīng)器系統(tǒng)，可在第一反應(yīng)器和第二反應(yīng)器之間包括任選的清洗設(shè)備，以清洗原料。清洗設(shè)備可包括用于溶劑(例如用于第一反應(yīng)器中的酸性溶液、 水、水蒸汽或其組合)的輸入端，以在去除溶解的半纖維素之前或之后與原料混合。該溶劑可進一步溶解在第一次去除溶解的組分之后沒有去除的與原料結(jié)合的半纖維素。溶劑可在低于第一反應(yīng)器的溫度和壓力的溫度和壓力下引入。由于溫度或壓力或兩者都低于第一反應(yīng)器的，因此溶劑具有阻止由第一反應(yīng)器誘發(fā)的原料中的一種或多種化學(xué)反應(yīng)的附加優(yōu)點。盛裝具有增加半纖維素的溶劑的清洗設(shè)備輸出可單獨處理，或與之前提取的溶解組分在泄料箱28中混合。清洗設(shè)備可進一步包括附加的蒸汽端口和輸入端，以維持該過程的溫度和壓力。清洗設(shè)備可結(jié)合到第一反應(yīng)器12或密封提取裝置18中，從而其他硬件不需要實施清洗步驟。例如，第一反應(yīng)器或密封提取裝置可包括附加溶劑的輸入端口，該附加溶劑用于進一步清洗原料。該溶劑可使用反應(yīng)器系統(tǒng)的普通的溶劑去除端口，例如管道26或48 去除。在去除溶解的半纖維之后，將剩余的原料從第一反應(yīng)器12排出到密封提取裝置 18。原料保持加壓，并且從第一反應(yīng)器流到密封提取裝置18。密封提取裝置18將原料從第一反應(yīng)器12輸送到第二反應(yīng)器16。密封或提取裝置可將施加到原料的壓力提高到高于第一反應(yīng)器12中的壓力水平，并且提高到適用于將在第二反應(yīng)器16之后進行的汽爆的水平。 第二加壓反應(yīng)器16可包括水平或圓錐形反應(yīng)器容器。加壓密封提取裝置18可以是(MSD) Impressafiner ，類似螺桿裝置的擠出機或料塞螺旋進料器或?qū)㈩A(yù)處理的原料擠壓來提取溶解組分(主要是半纖維素)的類似裝置，該溶解組分通過管道48排出到泄料箱28或類似裝置。密封提取裝置可將原料的壓力從第一反應(yīng)器的排出端處的表壓，例如1. 5巴到10巴，提高到第二反應(yīng)器16中的8巴到高于25巴的表壓。加壓的原料可通過重力、通過原料在反應(yīng)器中的連續(xù)流動(如圖2到6中所示) 或通過圖7中所示的卸料刮刀或卸料螺桿51從第一反應(yīng)器12流到密封提取裝置18。密封提取裝置18在第一和第二加壓反應(yīng)器12和16之間提供密封。由于原料在壓力下從第一反應(yīng)器12排出，因此密封提取裝置18優(yōu)選具有構(gòu)造用于在壓力下接收原料的入口。例如， 到密封提取裝置18的入口密封到第一反應(yīng)器12的出口，并且在原料進入裝置18時不釋放壓力。第二反應(yīng)器16可以是例如垂直、水平或圓錐形的反應(yīng)器。垂直反應(yīng)器顯示在圖7和8中，并且可包括用于促進原料向下流動的底部截面，例如美國專利5，617975和 5，628，873中公開的菱形截面，所述專利以引用的方式并入本文中。用于第二反應(yīng)器16的合適的容器為傳統(tǒng)的，并且通常用于汽爆制漿工藝中。第二反應(yīng)器優(yōu)選在比第一反應(yīng)器更高的壓力下操作。原料在高表壓下，例如在8 巴到25. 5巴之間，從第二反應(yīng)器組件(其可包括第二反應(yīng)器16或第二反應(yīng)器16和反應(yīng)器排出裝置36)排出。第二反應(yīng)器組件可包括排出裝置52，例如排出螺旋進料器，其將原料移動到反應(yīng)器排出裝置36。工藝10將原料從第一反應(yīng)器12經(jīng)過密封提取裝置18、第二反應(yīng)器16、反應(yīng)器排出裝置36到排污閥34保持在基本上高表壓下，例如高于1. 5巴。第二反應(yīng)器16在例如170°C到230°C下，并且在八(8)巴到25. 5巴(800千帕到 2，550千帕)下處理纖維素生物質(zhì)約二到五分鐘(或更長)。第二反應(yīng)器16可包括蒸汽相， 其中蒸汽直接噴射在反應(yīng)器中，以給原料提供熱能。在第二反應(yīng)器16中，一種或多種來自源53，32的蒸汽、水汽和液態(tài)水?dāng)U散到原料的木質(zhì)纖維素內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。另外，蒸汽、水汽或液態(tài)水源53，32可將其他液體，例如催化劑液體源噴射到第二加壓反應(yīng)器16中。水32可直接噴射到第二反應(yīng)器16或密封提取裝置18中，以提供將注入到原料中的稀釋水。稀釋水32和蒸汽、水汽和催化劑源53可在靠近原料進入反應(yīng)器處噴射到第二反應(yīng)器16中。蒸汽或水汽在第二反應(yīng)器16中注入到原料內(nèi)。蒸汽和水汽在第二反應(yīng)器中正在處理的木質(zhì)纖維素材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的毛細管狀微孔結(jié)構(gòu)中部分凝結(jié)為液態(tài)水。通過穿過第二反應(yīng)器組件下游的排污閥34，原料的壓力顯著降低。橫跨排污閥34 的壓降優(yōu)選壓力減少至少十(10)巴。原料的壓力可通過排污閥34減小到一到兩巴表壓，其中零巴表壓基本上為大氣壓。橫跨閥34的大的壓降適用于汽爆制漿?？焖賶航?，例如“閃蒸”，轉(zhuǎn)變?yōu)槠粼系哪举|(zhì)纖維素材料細胞中的冷結(jié)液態(tài)水。水蒸氣在原料細胞中的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致原料木質(zhì)纖維素細胞中的混亂，例如“爆炸”。由于由蒸汽占據(jù)的細胞中的體積比水占據(jù)的多得多，因此發(fā)生混亂。混亂包括原料的各細胞的破裂和纖維沿?zé)o定形纖維素的斷裂， 例如在原料纖維素結(jié)構(gòu)的圓柱狀管和纖維之間。原料在第二反應(yīng)器16排出端處的壓力可足夠用于汽爆制漿，如圖8中所示。可替代地，排出裝置36可包括在第二反應(yīng)器組件中，以將原料壓力增加到高于第二反應(yīng)器中的壓力。反應(yīng)器排出裝置36可進一步將原料壓力提高到適用于汽爆制漿的壓力，例如提高到 8巴表壓到25巴表壓。第二加壓反應(yīng)器16可在高壓下將原料排出到第二反應(yīng)器和排污閥34之間的反應(yīng)器排出裝置36。第二加壓反應(yīng)器組件可包括具有或不具有反應(yīng)器排出裝置36的反應(yīng)器16。反應(yīng)器排出裝置可以是例如第二反應(yīng)器原料排出端口處的刮刀或清掃器、 盤式研磨機、 中密度纖維板(MDF)盤式研磨機、盤式高壓壓縮機或排出料塞進料器。例如，反應(yīng)器排出裝置36的實施例可以是由功率為150馬力(110千瓦)的電機驅(qū)動的在1200轉(zhuǎn)每分(RPM) 到3000RPM的旋轉(zhuǎn)速度下操作的單盤研磨機。反應(yīng)器排出裝置36的盤式研磨機的實施例也可在原料通過經(jīng)過排污閥34經(jīng)受汽爆之前部分精研加壓的原料。在汽爆過程中，處理的原料微粒從原料的纖維素網(wǎng)分離。旋風(fēng)分離器或泄料箱38 包括用于微粒的下部排出端39和用于蒸汽、不凝氣體(NCG)、可壓縮氣體和其他化學(xué)蒸汽 40的上部蒸汽排出端41。這些蒸汽40可回收，例如通過將蒸汽經(jīng)過換熱器來回收蒸汽中的熱能，這些蒸汽可包括易揮發(fā)有機化合物(VOCs)。從旋風(fēng)分離器或泄料箱38的下部排出端39排出的處理原料的分離的微粒可在冷卻裝置42中冷卻，冷卻裝置42可包括帶式或螺桿式輸送器。處理的原料可通過其他一個或多個反應(yīng)器44進一步處理，所述一個或多個反應(yīng)器44可向處理的原料施加酸或酶處理。 處理的原料最終以預(yù)處理原料46排出。圖1中所示的工藝10可以多種反應(yīng)器和其他裝置的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。這樣的反應(yīng)器和其他裝置的結(jié)構(gòu)的幾個實施例顯示在圖2到8中。圖2到8中的與圖1共用的附圖標(biāo)記指代進行圖1中共用的附圖標(biāo)記標(biāo)示的相同功能的裝置。如圖2到8中所示，第一反應(yīng)器12，例如預(yù)水解反應(yīng)器，可以是如圖2到8中所示的傾斜的；如圖9中所示垂直布置的，或如圖10中所示的基本上水平布置的。第一加壓反應(yīng)器12可以是傳統(tǒng)的反應(yīng)器，例如潘迪亞式反應(yīng)器，其具有內(nèi)部螺旋鉆或螺桿，以將原料移動通過反應(yīng)器。原料可經(jīng)過壓力密封裝置24(圖1中)進入第一反應(yīng)器12，壓力密封裝置24可以是旋轉(zhuǎn)閥60 (例如圖2、4、5、7和8中所示)、料塞螺旋送料機62，例如MSD Impressafiner (如圖3禾Π 6中所示)或?qū)⑽醇訅涸弦爰訅悍磻?yīng)器的其他進料系統(tǒng)。從反應(yīng)器12排出的溶解的半纖維素可排放到管道26(如圖2、4、6和7中所示) 中，或完全排放到加壓密封提取裝置18 (如圖3和5中所示)中。如圖2、3、4和5中所示， 具有與排出原料的上端54相對的下端50的傾斜的第一反應(yīng)器12將以液體在反應(yīng)器下端 50處排放大部分或全部溶解的半纖維素，例如C5糖。這些傾斜的第一反應(yīng)器上端54具有到加壓密封裝置18的壓力保持接頭，該加壓密封裝置18可以是料塞螺旋進料器。具有溶解的半纖維素的其他液體可從密封裝置18提取出，并且通過管道48和26引導(dǎo)到減壓閥49， 并且引導(dǎo)到泄料箱或桶28。如圖3中所示，第一反應(yīng)器12可傾斜，以使反應(yīng)器容器的下端 56具有到加壓密封裝置的壓力保持接頭。如圖3中所示的反應(yīng)器12的下端56將原料和全部液體半纖維素材料排出到壓力密封裝置18。管道48將液體半纖維素從壓力密封提取裝置18排放，并且將液體引導(dǎo)到減壓閥49和泄料箱或桶28。圖4到6顯示出原料在經(jīng)過排污閥34并且通過汽爆處理之后，可分離為不同的流，每一個流具有不同的旋風(fēng)分離器382、384和386，以及不同的排出裝置和進一步的反應(yīng)器422、424和426。例如，來自原料的纖維素的一部分可保留，以單獨分離和處理用于紙漿 (紙)或特定化學(xué)應(yīng)用。圖8中所示的傾斜的第一加壓反應(yīng)器12具有連接到加壓密封裝置18的下端56。 反應(yīng)器的上端58具有任選的排放管道26，其允許半纖維素液體從反應(yīng)器流到減壓閥49和泄料箱觀。圖7中所示的垂直的第一加壓反應(yīng)器12包括原料清掃器和運輸器51，運輸器51 將原料從反應(yīng)器容器排出，并且將半纖維素液體排放到管道26，管道沈?qū)⑺鲆后w引導(dǎo)經(jīng)過減壓閥49，并且引導(dǎo)到泄料箱或桶。纖維素生物質(zhì)原料預(yù)處理工藝10的實施例的優(yōu)點是，反應(yīng)器容器優(yōu)選具有恒定或增加的橫截面，以允許原料流體積或流速的增大，而與橫截面載荷的變化、反應(yīng)器容器的溝道效應(yīng)或堵塞無關(guān)。例如，反應(yīng)器12，16中的每一個可垂直、傾斜和水平取向。同樣地， 流經(jīng)每一個反應(yīng)器的反應(yīng)器原料可根據(jù)反應(yīng)器容器的方向為向下、向上或水平。雖然本發(fā)明已經(jīng)關(guān)于目前被認(rèn)為是最實用和優(yōu)選的實施例進行了描述，但是應(yīng)可理解，本發(fā)明不限于所公開的實施例，而是相反，旨在覆蓋包括在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種修改形式和等同布置。
權(quán)利要求
1.一種用于預(yù)處理纖維素生物質(zhì)原料的系統(tǒng)，包括第一加壓反應(yīng)器，其接收原料，其中，所述原料在所述第一加壓反應(yīng)器中經(jīng)受水解； 密封裝置，其具有到所述第一加壓反應(yīng)器的原料排出端口的第一加壓接頭，和到第二加壓反應(yīng)器的第二加壓接頭；排放裝置，其用于包含從所述第一加壓反應(yīng)器和所述密封裝置的至少一個中的原料提取的溶解的半纖維素材料的液體；第二加壓反應(yīng)器組件，其在基本上大于所述第一反應(yīng)器中的壓力的壓力下接收來自所述密封裝置的加壓原料，和膨脹裝置，其在所述第二加壓反應(yīng)器組件下游，其中，所述膨脹裝置快速釋放從所述第二加壓反應(yīng)器排出的原料的壓力，以使所述原料經(jīng)受汽爆反應(yīng)，其中，所述第一反應(yīng)器和所述第二反應(yīng)器每一個包括接受直接蒸汽加熱的蒸汽相，和用于與原料反應(yīng)或加熱原料的液體相。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一加壓反應(yīng)器具有接收原料的下部區(qū)域和包括原料排出端口的上部區(qū)域，所述排放裝置位于所述下部區(qū)域處，將所述溶解的半纖維素材料從所述第一加壓反應(yīng)器排出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中，所述第一加壓反應(yīng)器傾斜，以使所述原料排出端口處于所述反應(yīng)器下端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項所述的系統(tǒng)，其中，用于所述溶解的半纖維素材料的所述排放裝置經(jīng)過減壓閥，到達泄料箱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項所述的系統(tǒng)，還包括弱酸、二氧化硫氣體(SC^)、氧氣、 壓縮空氣、氨氣、水蒸汽、水或其他催化劑中的至少一種的源，并且所述源連接到所述第一加壓反應(yīng)器或所述第二加壓反應(yīng)器的至少一個的入口。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述密封裝置為加壓螺旋進料器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一項所述的系統(tǒng)，還包括從所述第二加壓反應(yīng)器組件接收原料并且將原料提供到所述膨脹裝置的反應(yīng)器排出裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述第二加壓反應(yīng)器組件包括第二加壓反應(yīng)器和連接到所述第二壓力反應(yīng)器的加壓原料排出端口的反應(yīng)器排出裝置。
9.一種用于預(yù)處理纖維素生物質(zhì)原料的系統(tǒng)，包括第一加壓反應(yīng)器，其接收原料，其中所述原料在所述第一反應(yīng)器中，在1.5巴表壓到6 巴表壓范圍內(nèi)的表壓下，并且在至少110攝氏度的溫度下經(jīng)受水解；密封提取裝置，其具有到所述第一加壓反應(yīng)器的原料排出端口的第一加壓接頭和到第二加壓反應(yīng)器的第二加壓接頭；清洗步驟，其將清洗液引入所述第一加壓反應(yīng)器和所述密封提取裝置的至少一個中的所述原料內(nèi)；排放裝置，其用于去除包含從所述第一加壓反應(yīng)器和所述密封提取裝置的至少一個中的所述原料提取的溶解的半纖維素材料的液體；第二加壓反應(yīng)器組件，其接收來自所述密封提取裝置的加壓原料，并且將蒸汽或水汽注入到所述第二加壓反應(yīng)器中的原料內(nèi)，其中，所述反應(yīng)器組件將在8巴表壓到25. 5巴表壓范圍內(nèi)的壓力施加到原料，并且所述第二加壓反應(yīng)器組件具有連接到排出管道的加壓排出端，和膨脹裝置，其在所述第二加壓反應(yīng)器組件下游，其中，所述膨脹裝置快速釋放從所述第二加壓反應(yīng)器排出的原料的壓力，以使所述原料經(jīng)受汽爆反應(yīng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述加壓密封裝置為加壓密封提取裝置，并且包括用于來自所述加壓密封提取裝置的溶解的半纖維素材料的液體的排放裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的系統(tǒng)，其中，所述第二加壓反應(yīng)器組件包括第二加壓反應(yīng)器和連接到所述第二壓力反應(yīng)器的加壓原料排出端口的反應(yīng)器排出裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述反應(yīng)器排出裝置包括盤式研磨機、中密度纖維板(MDF)盤式研磨機、盤式高壓壓縮機或排出料塞送料機中的至少一個。
13.根據(jù)權(quán)利要求9到12中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述膨脹裝置降低了所述原料的壓力至少10巴。
14.根據(jù)權(quán)利要求9到13中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述第一加壓反應(yīng)器傾斜，以使所述第一加壓反應(yīng)器的下端與所述第一加壓反應(yīng)器的具有原料排出端口的端部相對，并且在所述第一加壓反應(yīng)器下端的排放裝置將溶解的半纖維素材料從所述第一加壓反應(yīng)器排出。
15.根據(jù)權(quán)利要求9到14中任一項所述的系統(tǒng)，還包括弱酸、二氧化硫氣體(S02)、氧氣、壓縮空氣、氨氣和催化劑、水蒸汽、水中至少一種的源，并且所述源連接到所述第一加壓反應(yīng)器和所述第二加壓反應(yīng)器的至少一個的入口。
16.根據(jù)權(quán)利要求9到15中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述第二加壓反應(yīng)器組件包括第二加壓反應(yīng)器和連接到所述第二壓力反應(yīng)器的加壓原料排出端口的反應(yīng)器排出裝置。
17.一種用于預(yù)處理纖維素生物質(zhì)原料的方法，包括以下步驟在第一加壓反應(yīng)器中預(yù)處理原料，其中，所述原料在所述第一加壓反應(yīng)器中經(jīng)受水解；將所述原料從所述第一加壓反應(yīng)器排出到加壓密封裝置，所述加壓密封裝置具有到所述第一加壓反應(yīng)器的原料排出端口的第一加壓接頭；在所述第一加壓反應(yīng)器中通過將蒸汽噴射到所述第一加壓反應(yīng)器中維持所述第一加壓反應(yīng)器中的蒸汽相，其中，所述噴射的蒸汽向所述第一加壓反應(yīng)器中的原料提供熱能； 在所述第一加壓反應(yīng)器或所述加壓密封裝置的下游區(qū)域中清洗所述原料； 將包含從來自所述第一加壓反應(yīng)器和所述加壓密封裝置的至少一個的所述原料提取的溶解的半纖維素材料的液體排放；通過第二加壓接頭將所述原料從加壓密封裝置排出到第二加壓反應(yīng)器，其中，所述原料在所述第二加壓反應(yīng)器中保持在比在所述第一加壓反應(yīng)器中更高的壓力下；在所述第二加壓反應(yīng)器中，通過將蒸汽或水汽噴射到所述第二加壓反應(yīng)器中，注入原料細胞蒸汽或水汽，和快速釋放施加到所述注入水的原料的壓力，以使蒸汽在所述原料的細胞中膨脹，并且研磨所述原料。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括將弱酸、二氧化硫氣體(S02)、氧氣、壓縮空氣、蒸汽、水和催化劑引入所述第一加壓反應(yīng)器和所述第二加壓反應(yīng)器的至少一個中的原料。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，其中，所述預(yù)處理原料的步驟在具有在110攝氏度到160攝氏度范圍內(nèi)的內(nèi)部溫度和在150千帕到600千帕范圍內(nèi)的壓力下的所述第一加壓反應(yīng)器中進行，并且其中，所述原料保持在所述第一加壓反應(yīng)器中十分鐘到六十分鐘的時間段。
20.根據(jù)權(quán)利要求17到19中任一項所述的方法，其中，預(yù)處理所述原料的步驟在具有在110攝氏度到175攝氏度范圍內(nèi)的內(nèi)部溫度和在150千帕到1000千帕范圍內(nèi)的壓力下的所述第一加壓反應(yīng)器中進行，并且其中，所述原料保持在所述第一加壓反應(yīng)器中十分鐘到六十分鐘的時間段。
21.根據(jù)權(quán)利要求17到20中任一項所述的方法，其中，所述原料以連續(xù)流流經(jīng)所述第一加壓反應(yīng)器、所述加壓密封裝置、所述第二加壓反應(yīng)器，并且流到所述第二加壓反應(yīng)器下游的快速壓力釋放裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求17到21中任一項所述的方法，其中，壓力快速釋放裝置降低所述原料的壓力至少10巴。
23.根據(jù)權(quán)利要求17到22中任一項所述的方法，其中，所述清洗步驟在所述排出步驟和所述排放步驟之間，并且從在所述第一加壓反應(yīng)器和所述第二加壓反應(yīng)器之間清洗來自所述原料的溶解的半纖維素材料。
24.權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述清洗步驟在低于160°C的溫度下進行。
25.權(quán)利要求23或24所述的方法，其中，所述清洗步驟在低于140°C的溫度下進行。
26.根據(jù)權(quán)利要求17到25中任一項所述的方法，其中，所述方法為連續(xù)過程。
27.根據(jù)權(quán)利要求17到26中任一項所述的方法，其中，所述原料以連續(xù)流流經(jīng)所述第一加壓反應(yīng)器和所述第二加壓反應(yīng)器。
28.根據(jù)權(quán)利要求17到27中任一項所述的方法，其中，噴射到所述第二反應(yīng)器中的所述蒸汽或所述水汽在所述第二反應(yīng)器中形成蒸汽相。
全文摘要
已經(jīng)開發(fā)了用于預(yù)處理纖維素生物質(zhì)原料的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括第一加壓反應(yīng)器，其接收原料，其中，所述原料在所述第一加壓反應(yīng)器中經(jīng)受水解；密封裝置，其具有到所述第一加壓反應(yīng)器的原料排出端口的第一加壓接頭，和到第二加壓反應(yīng)器的第二加壓接頭；排放裝置，其用于包含從所述第一加壓反應(yīng)器和所述密封裝置中的至少一個中的原料提取的溶解的半纖維素材料的液體；第二加壓反應(yīng)器組件，其在基本上大于所述第一反應(yīng)器中的壓力的壓力下接收來自密封裝置的加壓原料，其中，在所述第二加壓反應(yīng)器中，所述原料的細胞注入水；和膨脹裝置，其在所述第二加壓反應(yīng)器組件下游，其中，所述膨脹裝置快速釋放從所述第二加壓反應(yīng)器排出的原料的壓力，以使所述原料經(jīng)受汽爆反應(yīng)。
文檔編號D21C3/22GK102177293SQ200980107148
公開日2011年9月7日 申請日期2009年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月28日
發(fā)明者B·斯特龍伯格, T·普素恩, 納姆西·星 申請人:安德里茲有限公司