氣化之前的蒸汽爆破方法
【專利說(shuō)明】氣化么前的蒸汽爆破方法
[0001] 巧關(guān)申請(qǐng)案
[0002] 本國(guó)際申請(qǐng)主張2014年5月13日提交的標(biāo)題為"使用氣化之前的蒸汽爆破 方法的生物質(zhì)的預(yù)處理（PretreatmentofBiomassUsingSteamExplosionMethods Be化reGasification)"的美國(guó)申請(qǐng)第14/276, 719號(hào)的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，所述美國(guó)申請(qǐng)主 張作為2012年6月22日提交的標(biāo)題為"使用氣化之前的蒸汽爆破方法的生物質(zhì)的預(yù)處理 (PretreatmentofBiomassUsingSteamExplosionMethodsBeforeGasification)" 的美國(guó)非臨時(shí)申請(qǐng)第13/531,318號(hào)的部分延續(xù)的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益。本申請(qǐng)還根據(jù)35 U.S.C. §119主張2013年5月14日提交的標(biāo)題為"使用氣化之前的蒸汽爆破方法的生 物質(zhì)的預(yù)處理（PretreatmentofBiomassUsin邑SteamExplosionMethodsBefore Gasification)"的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第61/823, 360號(hào)的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益。本申請(qǐng)還主張作 為2013年6月4日提交的標(biāo)題為"使用氣化之前的蒸汽爆破方法的生物質(zhì)的預(yù)處理 (PretreatmentofBiomassUsingSteamExplosionMethodsBeforeGasification)"的 PCT申請(qǐng)第PCT/US2013/044143號(hào)的部分延續(xù)的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，所述PCT申請(qǐng)是主張上述美 國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第61/823, 360號(hào)和美國(guó)非臨時(shí)申請(qǐng)第13/531，318號(hào)的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益的國(guó)際申 請(qǐng)；所有上述申請(qǐng)?jiān)诖薟引用的方式并入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本設(shè)計(jì)大體上設(shè)及使用蒸汽爆破方法作為氣化或燃燒之前的預(yù)處理的生物質(zhì)的 處理。在實(shí)施例中，本設(shè)計(jì)具體來(lái)說(shuō)設(shè)及一種集成設(shè)備，其使用此生物質(zhì)W從所述生物質(zhì)產(chǎn) 生液體燃料，或?qū)⑺錾镔|(zhì)轉(zhuǎn)換成致密化形式W促進(jìn)經(jīng)濟(jì)地傳輸?shù)皆O(shè)施W用于進(jìn)一步處 理為液體燃料、熱量/電力、動(dòng)物飼料、床上用品或化學(xué)制品。
【背景技術(shù)】
[0004] 最初構(gòu)想的技術(shù)是用干燥的木屑制作中等密度的纖維板。其它過(guò)程要求磨削木 屑、使切屑干燥、再磨削切屑、使纖維保濕、使纖維致密化、然后使木屑致密化（例如呈顆粒 的形式）的多個(gè)步驟。運(yùn)些過(guò)程復(fù)雜、需要使用大量資金并需要大量能源。一些其它的典 型過(guò)程需要使生物質(zhì)切屑干燥，然后將切屑磨削至極小尺寸隨后將它們發(fā)送至后續(xù)的加熱 /處理單元。此干燥和磨削花費(fèi)大量的能源和資金成本。運(yùn)些過(guò)程產(chǎn)生小纖維但其大小卻 是由蒸汽爆破過(guò)程（SE巧產(chǎn)生的細(xì)顆粒的大小的許多倍。使用SEP過(guò)程的先前工業(yè)希望維 持構(gòu)成生物質(zhì)的纖維的完整性W及纖維強(qiáng)度；并且因此具有未經(jīng)受如在蒸汽爆破單元中的 苛刻條件的較長(zhǎng)碎片。同樣，未應(yīng)用生物質(zhì)的額外機(jī)械攬拌，因?yàn)檫\(yùn)將進(jìn)一步減小纖維長(zhǎng)度 和完整性兩者。

【發(fā)明內(nèi)容】
陽(yáng)0化]一種集成設(shè)備，其包含蒸汽爆破單元和生物質(zhì)氣化爐W從生物質(zhì)中產(chǎn)生合成氣。 蒸汽爆破單元將熱量、壓力和水分的組合應(yīng)用到生物質(zhì)W使生物質(zhì)成為潮濕的細(xì)顆粒形 式。蒸汽爆破單元應(yīng)用具有高壓的蒸汽W對(duì)生物質(zhì)內(nèi)部存在的任何氣體和流體進(jìn)行加熱和 加壓。其中在至兩段或更多段的出口孔處，經(jīng)加壓生物質(zhì)的整體結(jié)構(gòu)在內(nèi)部被分裂W經(jīng)由 具有提高的水分含量的生物質(zhì)的快速降壓而在內(nèi)部分裂。所產(chǎn)生的那些生物質(zhì)的潮濕的細(xì) 顆粒隨后被饋送到生物質(zhì)氣化爐的進(jìn)給區(qū)，其W快速生物質(zhì)氣化反應(yīng)與生物質(zhì)顆粒發(fā)生反 應(yīng)W產(chǎn)生合成氣組分。蒸汽爆破單元的蒸汽爆破段禪合到精煉段，精煉段具有一個(gè)或多個(gè) 刀片，其經(jīng)配置W在生物質(zhì)通過(guò)孔口離開(kāi)蒸汽爆破段到吹洗管線之前機(jī)械地?cái)埌枭镔|(zhì)。
【附圖說(shuō)明】
[0006] 多個(gè)圖式設(shè)及本設(shè)計(jì)的實(shí)例實(shí)施例。
[0007] 圖IA和IB示出了蒸汽爆破單元的實(shí)施例的流動(dòng)示意圖，所述蒸汽爆破單元具有 用W接收生物質(zhì)用作原料的輸入腔、兩個(gè)或更多個(gè)蒸汽供應(yīng)輸入端、W及用W預(yù)處理生物 質(zhì)W用于后續(xù)供應(yīng)到生物質(zhì)氣化爐的兩段或更多段。
[0008] 圖2示出了用W從生物質(zhì)中產(chǎn)生合成氣并且從合成氣中產(chǎn)生液體燃料制品的集 成設(shè)備的流程圖的實(shí)施例。
[0009] 圖3-1到3-4示出了用于示例性生物質(zhì)氣化爐的替代配置。
[0010] 圖4A到圖4C示出了具有通過(guò)木質(zhì)素圍繞并粘結(jié)在一起的纖維素纖維的纖維束的 實(shí)例生物質(zhì)切屑的不同放大水平。 陽(yáng)011] 圖4D示出了爆破成生物質(zhì)細(xì)顆粒的實(shí)例生物質(zhì)切屑。
[0012] 圖4E示出了具有被磨損的或部分地分離成個(gè)別纖維的一束纖維的生物質(zhì)切屑。
[0013] 圖5示出了經(jīng)配置W產(chǎn)生包含合成氣體產(chǎn)物的化學(xué)制品的福射熱化學(xué)反應(yīng)器的 實(shí)施例的流動(dòng)示意圖。
[0014] 雖然本設(shè)計(jì)能有各種修改和替代形式，但是已經(jīng)在圖式中借助于實(shí)例示出了其特 定實(shí)施例并將在本文中詳細(xì)地描述。本設(shè)計(jì)應(yīng)理解成不限于所掲示的具體形式，而是相反， 意圖涵蓋屬于本設(shè)計(jì)的精神和范圍的所有修改、等效物和替代方案。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 在W下描述中，闡述許多特定細(xì)節(jié)，例如特定化學(xué)制品、附名組分、連接、熱源類型 等的實(shí)例，W便提供對(duì)本發(fā)明設(shè)計(jì)的透徹理解。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將顯而易見(jiàn)可在 不具有運(yùn)些特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本發(fā)明設(shè)計(jì)。在其它情況下，并未詳細(xì)地但實(shí)際上在方 塊圖中描述了熟知的組件或方法W便避免不必要地混淆本發(fā)明設(shè)計(jì)。因此，所闡述的特定 細(xì)節(jié)僅是示例性的。特定細(xì)節(jié)可W不同于并且仍然預(yù)期在本發(fā)明設(shè)計(jì)的精神和范圍內(nèi)。
[0016] 一般來(lái)說(shuō)，描述用于生物質(zhì)的預(yù)處理的多個(gè)實(shí)例過(guò)程和與生物質(zhì)的預(yù)處理相關(guān)聯(lián) 的裝置。W下圖式和文本描述使用生物質(zhì)的預(yù)處理的集成設(shè)備的各種實(shí)例實(shí)施方案。在實(shí) 施例中，集成設(shè)備含有至少蒸汽爆破單元和生物質(zhì)氣化爐W從生物質(zhì)中產(chǎn)生合成氣。蒸汽 爆破單元可W具有用W接收生物質(zhì)用作原料的一個(gè)或多個(gè)輸入腔、一個(gè)或多個(gè)蒸汽供應(yīng)輸 入端、W及用W預(yù)處理生物質(zhì)W使得生物質(zhì)顆粒用于后續(xù)供應(yīng)到生物質(zhì)氣化爐的兩段或更 多段。所述段使用應(yīng)用到生物質(zhì)的熱量、壓力和水分的組合W使生物質(zhì)成為潮濕的細(xì)顆粒 形式。通過(guò)應(yīng)用來(lái)自第一蒸汽供應(yīng)輸入端的蒸汽W開(kāi)始降低在木質(zhì)素與來(lái)自生物質(zhì)的纖維 素纖維的半纖維素之間的粘結(jié)并提高接收到的生物質(zhì)的水分含量，蒸汽爆破過(guò)程至少部分 地分解接收到的生物質(zhì)的整體結(jié)構(gòu)。在最后一段中，應(yīng)用來(lái)自第二蒸汽供應(yīng)輸入端的至少 大氣壓力十四倍的蒸汽對(duì)生物質(zhì)內(nèi)部存在的任何氣體和流體進(jìn)行加熱和加壓。其中在來(lái)自 兩段或更多段的出口孔處，在內(nèi)部分裂經(jīng)加壓生物質(zhì)的整體結(jié)構(gòu)。經(jīng)由具有提高的水分含 量和降低的粘結(jié)性的生物質(zhì)的快速降壓分裂生物質(zhì)的整體結(jié)構(gòu)。從所述段中產(chǎn)生為潮濕的 細(xì)顆粒形式的生物質(zhì)可W具有例如小于70微米厚且小于500微米長(zhǎng)的平均尺寸。所產(chǎn)生的 那些潮濕的生物質(zhì)細(xì)顆粒隨后被饋送到生物質(zhì)氣化爐的進(jìn)給區(qū)。生物質(zhì)氣化爐具有反應(yīng)器 容器，其經(jīng)配置W使潮濕的細(xì)顆粒形式的生物質(zhì)起反應(yīng)，所述潮濕的細(xì)顆粒形式的生物質(zhì) 歸因于通過(guò)蒸汽爆破單元的分裂而相比于輸入腔中的接收到的生物質(zhì)切屑具有增大的表 面積和減小的顆粒大小。生物質(zhì)氣化爐具有第=蒸汽供應(yīng)輸入端和一個(gè)或多個(gè)加熱器，并 且在存在蒸汽的情況下，呈細(xì)顆粒形式的生物質(zhì)在反應(yīng)器容器中在0. 1秒到300. 0秒之間 的滯留時(shí)間內(nèi)W快速生物質(zhì)氣化反應(yīng)起反應(yīng)從而產(chǎn)生至少合成氣組分，包含氨氣化2)和 一氧化碳（CO)。
[0017] 可能的生物質(zhì)氣化爐實(shí)施方案具有高溫蒸汽供應(yīng)輸入端和一個(gè)或多個(gè)加熱器，例 如氣體燃燒器或蓄熱式加熱器。在存在蒸汽的情況下，通過(guò)蒸汽爆破單元分解的生物質(zhì)顆 粒在生物質(zhì)氣化爐中的反應(yīng)器容器中在少于一秒的滯留時(shí)間內(nèi)在高于700攝氏度的溫度 下W快速生物質(zhì)氣化反應(yīng)起反應(yīng)從而形成合成氣組分，包含氨氣化2)和一氧化碳（CO),所 述合成氣組分被饋送到甲醇（CH30H)合成反應(yīng)器。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解在此說(shuō)明性 文檔內(nèi)的下文論述的設(shè)計(jì)的許多部分和方面可W用作獨(dú)立概念或彼此結(jié)合使用。
[0018] 圖IA和IB示出了蒸汽爆破單元的實(shí)施例的流動(dòng)示意圖，所述蒸汽爆破單元具有 用W接收生物質(zhì)用作原料的輸入腔、兩個(gè)或更多個(gè)蒸汽供應(yīng)輸入端、W及用W預(yù)處理生物 質(zhì)W用于后續(xù)供應(yīng)到生物質(zhì)氣化爐的兩段或更多段。
[0019] 在不進(jìn)行額外干燥的情況下，進(jìn)入的呈切屑形式的生物質(zhì)中的含水量可W為在留 在外部的生物質(zhì)的15%到60%的范圍內(nèi)變化?？蒞通過(guò)與一些過(guò)濾器配合的削片機(jī)單元 104產(chǎn)生生物質(zhì)切屑，所述過(guò)濾器具有用W形成小于約一英寸且平均來(lái)說(shuō)約0. 5英寸平均 長(zhǎng)度和0. 25英寸平均厚度的切屑的尺寸。（見(jiàn)例如圖4曰，其示出來(lái)自一塊生物質(zhì)453的生 物質(zhì)切屑451)生物質(zhì)削片機(jī)單元104可W含有用W切擊并切削生物質(zhì)的四個(gè)或更多個(gè)刀 片。生物質(zhì)塊的進(jìn)給速度、刀片的速度、刀的突起距離W及刀角可W全部用W控制切屑大 小。接著篩選切屑并且重新切削過(guò)大的那些切屑?？蓾B合來(lái)自不同源或木材種類的切屑W 增強(qiáng)某些屬性?？蒞使磁體或其它掃描儀經(jīng)過(guò)W檢測(cè)并移除雜質(zhì)。在蒸汽爆破單元108中 的熱分解段中在輸送機(jī)上或可能地置于壓力容器中來(lái)饋送生物質(zhì)切屑W開(kāi)始使用初始低 壓飽和蒸汽分解、水化處理/濕潤(rùn)W及軟化生物質(zhì)切屑。低壓飽和蒸汽可W在100攝氏度 下。系統(tǒng)還可W在此位置注入一些助流劑（例如，來(lái)自生物質(zhì)氣化爐114的再循環(huán)爐灰） W防止被生物質(zhì)切屑阻塞和堵塞。
[0020] 削片機(jī)單元104可W饋送并且蒸汽爆破單元108經(jīng)配置W接收兩個(gè)或更多個(gè)類型 的生物質(zhì)原料，其中不同類型的生物質(zhì)包含1)軟木、2)硬木、3)草、4)植物殼W及5)任何 組合，其在蒸汽爆破單元108內(nèi)經(jīng)滲合并蒸汽爆破處理為均質(zhì)化經(jīng)賠燒原料，隨后被收集 并接著饋送到生物質(zhì)氣化爐114。蒸汽爆破單元108、干燥器112和生物質(zhì)氣化爐114設(shè)計(jì) 為靈活地進(jìn)給，經(jīng)由至少控制產(chǎn)生自蒸汽爆破段和干燥器112的生物質(zhì)顆粒的顆粒大小而 不改變進(jìn)給供應(yīng)設(shè)備的物理設(shè)計(jì)或生物質(zhì)氣化爐114的物理設(shè)計(jì)。干燥器112可W是快速 干燥器、轉(zhuǎn)鼓干燥器、獎(jiǎng)式干燥器、空氣干燥器或類似此類裝置。
[0021] 如所論述，磁力過(guò)濾器和空氣清潔過(guò)濾器系統(tǒng)可W禪合到熱水化處理段W確保呈 切屑形式的生物質(zhì)在進(jìn)入熱水化處理段之前去除了金屬碎片和大石塊。磁力過(guò)濾器和空氣 清潔過(guò)濾器系統(tǒng)防止任何金屬碎片和/或大石塊堵塞包含排出出口的蒸汽爆破單元的部 分?？諝馇鍧嵾^(guò)濾器系統(tǒng)幫助丟棄實(shí)際上大石塊W及輕質(zhì)沙。應(yīng)注意，形成蒸汽爆破段的 排出出口的孔口可W是例如0. 25到0. 375英寸。
[0022] 蒸汽爆破單元108具有用W接收生物質(zhì)用作原料的輸入腔、一個(gè)或多個(gè)蒸汽供應(yīng) 輸入端、W及用W預(yù)處理生物質(zhì)W用于后續(xù)供應(yīng)到生物質(zhì)氣化爐114的兩段或更多段。所 述段使用應(yīng)用到生物質(zhì)的熱量、壓力和水分的組合W使生物質(zhì)成為潮濕的細(xì)顆粒形式。通 過(guò)應(yīng)用來(lái)自低壓蒸汽供應(yīng)輸入端的蒸汽W開(kāi)始降低在木質(zhì)素與來(lái)自生物質(zhì)的纖維素纖維 的半纖維素之間的粘結(jié)并提高接收