專利名稱：用于木質(zhì)纖維素材料烘焙的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及與木質(zhì)纖維素材料烘焙相關(guān)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
烘焙指通常在惰性氣氛中，在225到300°C的相對低的溫度下進(jìn)行的木材的熱處 理。由于木材的活性半纖維素內(nèi)容物的分解，烘焙通常形成能量密度相對于質(zhì)量提高的燃 料。木材通常含有半纖維素、纖維素和木質(zhì)素。在一方面，烘焙的目的是從木材去除水 分和低重量有機(jī)易揮發(fā)成分。烘焙還可解聚木材的半纖維素部分的長多聚糖鏈，并且產(chǎn)生 能量密度提高(以質(zhì)量計)的并且磨碎能力提高的憎水固體產(chǎn)品。由于烘焙后木材的化學(xué) 結(jié)構(gòu)方面的變化，因此可能適用于燃煤設(shè)備中(烘焙的木材或生物質(zhì)具有與低級煤相似的 特性)，或可壓緊為高品位木屑顆粒，代替標(biāo)準(zhǔn)木屑顆粒。烘焙在最近幾十年已經(jīng)發(fā)展為將基于木材的生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰慨a(chǎn)品系列的可行 的增加。雖然已經(jīng)對經(jīng)受烘焙時的生物質(zhì)(木材)中發(fā)生的成分變化進(jìn)行了大量的研究， 但是商業(yè)工藝沒有得到很好的發(fā)展。本文提出的烘焙方法和系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展為符合可行烘焙 工藝的商業(yè)需要。其他烘焙工藝描述于美國專利公開No. 2008/0223269中，其中傳導(dǎo)熱 用于實現(xiàn)烘焙；美國專利No. 4，787，917中，其中烘焙的木材成形為未剝皮的木材棒；及公 開號為W02005/056723的PCT申請，其中公開了從原材料(有機(jī)材料，來自森林或其他農(nóng)作 物，以及化石類材料或混合物——木質(zhì)纖維素)生產(chǎn)烘焙的生物質(zhì)的連續(xù)的方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
木材的烘焙通常產(chǎn)生三種產(chǎn)物黑色固體產(chǎn)物，其可進(jìn)一步處理成顆粒，或直接用 作生物質(zhì)燃料；酸性相，包含可凝聚有機(jī)物(包括但是不限于乙酸、蟻酸、丙酮、糠醛)；和氣 體，例如一氧化碳或二氧化碳。在一方面，該工藝可以是低溫、低氧高溫分解過程，其中不易 于去除具有最低熱和能量值的化合物。在該工藝的一方面，約30%的質(zhì)量燃燒掉，而僅損失10%的能量值，也就是說，剩 余的固體物質(zhì)(約70%的原始材料物質(zhì))包含原始存在的熱值的90%。烘焙可在加壓的反 應(yīng)器中以及220-300°C的溫度下進(jìn)行，其中，與原材料/生物質(zhì)(木質(zhì)纖維素材料)直接接 觸，所述原材料/生物質(zhì)已經(jīng)之前通過熱氣(相對無氧氣的氣體)干燥來去除高達(dá)約95% 的最初存在于生物質(zhì)中的水分。干燥的生物質(zhì)在烘焙反應(yīng)器中的加熱可從該生物質(zhì)去除剩 余的水分。在一個方面，存在用于木質(zhì)纖維素材料烘焙的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可包括用于干燥木質(zhì) 纖維素材料的干燥器，其適于去除包含在木質(zhì)纖維素材料中的水分的至少一部分；烘焙反應(yīng)器，其適于在1巴和50巴之間的壓力下，在100°C和1000°c之間的溫度下操作，其中，所 述烘焙反應(yīng)器從木質(zhì)纖維素材料產(chǎn)生烘焙的生物質(zhì)和烘焙氣體；第一再循環(huán)回路，其適于 將烘焙氣體再循環(huán)回到烘焙反應(yīng)器；冷卻器，其適于冷卻烘焙的生物質(zhì)，其中，所述冷卻器 適于在基本上無氧的環(huán)境中操作；旋風(fēng)分離器，其適于將冷卻的經(jīng)烘焙的生物質(zhì)從惰性氣 體分離；第二循環(huán)回路，其適于將惰性氣體從所述旋風(fēng)分離器再循環(huán)到所述冷卻器，并且適 于將惰性氣體提供給所述烘焙反應(yīng)器；和供給管道，其適于提供惰性氣體來添加到所述冷 卻器。所述系統(tǒng)可適于將惰性氣體用作用于在所述烘焙反應(yīng)器和所述冷卻器之間進(jìn)行熱傳 遞的介質(zhì)。在另一個方面，存在用于木質(zhì)纖維素材料烘焙的方法，包括以下步驟干燥木質(zhì)纖 維素材料，以去除包含在所述木質(zhì)纖維素材料中的水分的至少一部分；使所述烘干的木質(zhì) 纖維素材料在烘焙反應(yīng)器中，在1巴和50巴之間的壓力下，在100°C和1000°C之間的溫度 下進(jìn)行反應(yīng)，以產(chǎn)生烘焙的生物質(zhì)和烘焙氣體；將所述烘焙氣體的至少一部分再循環(huán)回到 所述烘焙反應(yīng)器；在基本上無氧環(huán)境中操作的冷卻器中冷卻所述烘焙的生物質(zhì)；將所述烘 焙的生物質(zhì)和惰性氣體在旋風(fēng)分離器中分離；將在所述旋風(fēng)分離器中分離的惰性氣體的一 部分再循環(huán)到所述冷卻器，并且將在所述旋風(fēng)分離器中分離的惰性氣體的一部分再循環(huán)到 所述烘焙反應(yīng)器；將補充惰性氣體供到所述冷卻器。所述方法可使用所述惰性氣體作為用 于在所述烘焙反應(yīng)器和所述冷卻器之間進(jìn)行熱傳遞的介質(zhì)。


圖1是示出本發(fā)明實施例的示意流程圖。
具體實施例方式圖1示意性示出能夠進(jìn)行生物質(zhì)(木質(zhì)纖維素材料)烘焙的商業(yè)規(guī)模設(shè)施。圖1 的實施例利用來自該過程的熱，同時保持無氧(即基本上無氧)環(huán)境，這有利于安全有效操 作。在示出的過程中，生物質(zhì)材料通過管道1供到干燥裝置2，該干燥裝置2可以是能 夠去除存在于生物質(zhì)中的水分的85%到98%的任何常規(guī)或非常規(guī)干燥裝置。在示出的干 燥裝置2中，存在于生物質(zhì)中的水分通過由熱氣23供給的能量去除。干燥器可去除足夠量 的水分，以使經(jīng)干燥的木質(zhì)纖維素材料的絕對水分含量小于木質(zhì)纖維素材料總重的15%。 在圖示的實施例中，管道中的熱氣23由來自燃燒裝置8的管道中的煙氣形成，所述煙氣為 經(jīng)間接換熱器20略微冷卻之后的煙氣。換熱器20促使熱煙氣9中的能量通過管道19再 循環(huán)回到烘焙反應(yīng)器5，以用于加熱反應(yīng)器5中。通過管道23供到干燥器2的干燥氣體可以處于高達(dá)1000°C的溫度下，以使得干燥 到所需殘余水分的程度。然后將干燥的生物質(zhì)通過管道3和旋轉(zhuǎn)閥4供到加壓反應(yīng)器5 (也 稱為烘焙反應(yīng)器)的入口。烘焙反應(yīng)器5可在5巴和20巴之間，并且在約220-300°C的操 作溫度下操作。在其他實施例中，壓力可以在1巴到50巴(及其間所有子區(qū)間)范圍內(nèi)， 并且溫度可以在100°C和1000°C之間(及其間所有子區(qū)間)范圍內(nèi)。為了升高干燥的生物質(zhì)材料的溫度(例如從100°C到300°C )，由通過管道19供給 的熱反應(yīng)器氣體提供熱。熱反應(yīng)器氣體包含烘焙氣體(在烘焙反應(yīng)器5中產(chǎn)生的氣體)的一部分，所述烘焙氣體通過管道6排出烘焙反應(yīng)器5，并且再循環(huán)到烘焙反應(yīng)器5 (作為再循 環(huán)的烘焙氣體通過管道7)，和經(jīng)過管道18的旋風(fēng)分離器富氮氣體的一部分。再循環(huán)到烘焙反應(yīng)器5的再循環(huán)烘焙氣體部分和任何其他的富氮氣體可在間接 換熱器20中通過來自燃燒裝置8的管道9中的煙氣或其他加熱裝置在用于烘焙反應(yīng)器5 中之前加熱。在烘焙反應(yīng)器5中產(chǎn)生的烘焙氣體的一部分(例如管道21中的部分)可發(fā) 送到燃燒裝置8，其中烘焙氣體與通過來自變壓吸附(PSA)設(shè)備11的管道12供給的含氧氣 體和/或燃燒空氣混合，和/或與通過管道22 (如果需要)供給的公用設(shè)施燃料混合，以產(chǎn) 生通過管道9從燃燒裝置8排出的燃燒煙氣。燃燒煙氣可用作用于間接換熱器20的熱源，以加熱通過管道19提供到烘焙反應(yīng) 器5的反應(yīng)器氣體。較冷的燃燒煙氣流23可用于干燥裝置2中，以使將要到來的生物質(zhì)干 燥。從干燥過程產(chǎn)生的管道干燥煙氣24可發(fā)送來在排放到大氣或其他可接受處置之前進(jìn)
一步處理。通過來自烘焙反應(yīng)器5的氣流25在約220°C到300°C下排出的烘焙的生物質(zhì)可在 通到流化床冷卻器29 (或其他直接接觸冷卻器)的入口處供到旋轉(zhuǎn)閥26。流化床冷卻器 29可以是使用水作為冷卻介質(zhì)的組合式間接冷卻器，和使用冷卻的富氮流17或來自換熱 器16的任何其他惰性氣體和來自PSA (或其他氣體分離型設(shè)備)設(shè)備11的補充氮氣或任 何其他惰性氣體作為冷卻介質(zhì)的直接冷卻器，以將通過氣流25進(jìn)入流化床冷卻器29的烘 焙的生物質(zhì)在無氧或接近無氧環(huán)境下冷卻到約90°C。冷卻的經(jīng)烘焙的生物質(zhì)可從流化床 冷卻器29通過旋轉(zhuǎn)閥30 (或類似裝置，用于確保流化床冷卻器29在無氧或基本上無氧環(huán) 境下操作)排出。從流化床冷卻器29排出的氣流40中的冷卻的經(jīng)烘焙的生物質(zhì)可與旋風(fēng) 分離器32中分離的烘焙的生物質(zhì)固體流35(通過旋轉(zhuǎn)閥33或其他這樣的設(shè)備排出，以確 保在旋風(fēng)分離器32中保持無氧或接近無氧環(huán)境)混合，以形成氣流37，用于在制粒裝置38 或其他產(chǎn)品處理過程進(jìn)一步處理，以將烘焙的生物質(zhì)固體壓緊或包裝。流化床冷卻器29可 在接近大氣壓(例如，冷卻器可在較小真空或略高于大氣壓力下操作)下操作，并且可使用 來自冷卻水(標(biāo)注為冷卻水供給(CWS) 27和冷卻水返回(CWR) 28))的間接冷卻和來自氣流 17中富氮氣體的直接冷卻。氣流17中的富氮氣體可包含與補充氮氣13混合的氣流36中 的旋風(fēng)分離器富氮氣體的一部分。換熱器16可供給冷卻水作為間接冷卻介質(zhì)或其他可用 冷卻材料。來自流化床冷卻器29的氣流31中的流化床冷卻器氣體可發(fā)送到旋風(fēng)分離器32， 在旋風(fēng)分離器32中冷卻的氣體與任何夾帶的固體分離。然后可將氣流34中冷卻的氣體分 裂為兩個或多個部分。例如，旋風(fēng)分離器氮氣流34可分裂為兩部分(i)氣流18，其可發(fā) 送到換熱器20的圍繞烘焙反應(yīng)器的加熱回路中，以與氣流7混合來供給烘焙反應(yīng)器5，和 ( )氣流36，其供到換熱器16來進(jìn)行冷卻。管道10中的空氣可提供給PSA設(shè)備11，其中產(chǎn)生兩種氣流補充氮氣流13(富氮 氣流，幾乎沒有或沒有氧氣)和富氧氣流12，其與燃燒裝置中的公用設(shè)施燃料一起使用。雖然所提供的具體實施方式
使用氮氣作為加熱和冷卻回路中的氣體，所述加熱和 冷卻回路中無氧或基本上無氧，但是可使用任何避免爆炸性混合物的環(huán)境，可使用任何惰 性氣體(例如氬氣或二氧化碳，但是優(yōu)選氮氣)來代替氮氣。惰性氣體(例如氮氣)在該 工藝中用作“攜帶”氣體，意思是攜帶烘焙反應(yīng)器中所需的來自流化床冷卻器的熱的惰性氣體。另外，雖然該工藝可使用PSA設(shè)備來將氮氣從空氣分離，但是也可使用任何將氮氣從空 氣分離的其他方法，并且不是本發(fā)明的重要特征。使用任何氮氣源或其他惰性氣體也落在 本發(fā)明的范圍內(nèi)。而且，在圖1的實施例中，冷卻水描述為間接冷卻使用中的冷卻介質(zhì)。在其他實施 例中，冷卻介質(zhì)可以是不同于水的一些介質(zhì)，而不影響本工藝的重要技術(shù)特征。即，可使用 能夠有效冷卻的任何流體。在一方面，本工藝的一個值得注意的特征是能夠使用來自旋風(fēng)分離器的富氮氣體 (其在其他工藝中將從系統(tǒng)清洗掉)作為用于烘焙步驟的反應(yīng)器氣體。通過使用該富氮氣 體，可在冷卻回路和加熱回路中建立平衡，添加很少的補充氮氣。這也意味著烘焙氣體成分 用于通過控制來自反應(yīng)器的將要到達(dá)燃燒裝置的氣體(通過管道21)與由該反應(yīng)器產(chǎn)生的 氣體(通過管道6)的比率來設(shè)置燃燒裝置的操作條件。該比率，其可以體積或摩爾形式表 述，則可影響進(jìn)行補充所需的氮氣以及所需的公用設(shè)施燃料的量。還優(yōu)選的是，在加熱和冷 卻回路中再循環(huán)的氣流保持無氧或基本上無氧。在一方面，圖1所描述的工藝可提供最有 利的設(shè)備尺寸，由此節(jié)約資本投資，并且改善來自該工藝的產(chǎn)品對環(huán)境的影響。雖然本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合目前被認(rèn)為最實用和優(yōu)選的實施例進(jìn)行了描述，但是應(yīng)可理 解的是，本發(fā)明不限于所公開的實施例，而是相反，旨在覆蓋包括在本發(fā)明所附權(quán)利要求的 精神和范圍內(nèi)的多種修改形式和等同布置。
權(quán)利要求
1.一種用于木質(zhì)纖維素材料烘焙的系統(tǒng)，包括干燥器，其用于干燥木質(zhì)纖維素材料，適于去除包含在所述木質(zhì)纖維素材料中的水分 的至少一部分；烘焙反應(yīng)器，其適于在1巴和50巴之間的壓力下，在100°C和1000°C之間的溫度下操 作，其中，所述烘焙反應(yīng)器從木質(zhì)纖維素材料產(chǎn)生經(jīng)烘焙的生物質(zhì)，并且產(chǎn)生烘焙氣體； 第一循環(huán)回路，其適于將烘焙氣體再循環(huán)到所述烘焙反應(yīng)器； 冷卻器，其適于經(jīng)冷卻烘焙的生物質(zhì)，其中，所述冷卻器適于在基本上無氧的環(huán)境中操作；第二循環(huán)回路，其適于將惰性氣體再循環(huán)到所述冷卻器，并且適于將惰性氣體提供給 烘焙反應(yīng)器；和供給管道，其適于提供惰性氣體來添加到所述冷卻器；其中，所述系統(tǒng)適于使用惰性氣體作為至少用于在所述烘焙反應(yīng)器和所述冷卻器之間 進(jìn)行熱傳遞的部分介質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述冷卻器為流化床冷卻器，并且其中，所述系 統(tǒng)還包括旋風(fēng)分離器，其適于將所述冷卻的經(jīng)烘焙的生物質(zhì)從惰性氣體分離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述惰性氣體包括氮氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述干燥器適于去除存在于木質(zhì)纖維素材料中 的水分，以使所述木質(zhì)纖維素材料的絕對水分含量小于所述木質(zhì)纖維素材料總重的15%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述干燥器使用從處于高達(dá)1000°C下的熱氣體 接收的能量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述烘焙反應(yīng)器在5巴和20巴之間操作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述烘焙反應(yīng)器在約220°C-300°C的溫度下操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括制粒器，用于將從所述冷卻器獲得的經(jīng)烘焙的 生物質(zhì)固體壓實。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括空氣分離器，用于將空氣分離為至少包含氧氣 的第一氣流和包含氮氣的第二氣流，其中，所述氮氣用作惰性氣體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括燃燒裝置，用于燃燒至少氧氣和在烘焙反應(yīng)器 中產(chǎn)生的烘焙氣體的一部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述燃燒裝置產(chǎn)生煙氣，所述煙氣供到所述干 燥器，用于干燥木質(zhì)纖維素材料。
12.一種用于木質(zhì)纖維素材料烘焙的方法，包括以下步驟干燥木質(zhì)纖維素材料，以去除包含在所述木質(zhì)纖維素材料中的至少一部分水分； 使所述經(jīng)干燥的木質(zhì)纖維素材料在烘焙反應(yīng)器中，在1巴和50巴之間的壓力下，在 100°C和1000°C之間的溫度下進(jìn)行反應(yīng)，以產(chǎn)生經(jīng)烘焙的生物質(zhì)和烘焙氣體； 將所述烘焙氣體的至少一部分再循環(huán)回到所述烘焙反應(yīng)器； 在基本上無氧環(huán)境中操作的冷卻器中冷卻所述經(jīng)烘焙的生物質(zhì)； 將惰性氣體再循環(huán)到所述冷卻器，并且將惰性氣體再循環(huán)到所述烘焙反應(yīng)器； 將補充惰性氣體供到所述冷卻器；其中，所述方法使用所述惰性氣體作為在所述烘焙反應(yīng)器和所述冷卻器之間進(jìn)行熱傳 遞的至少部分介質(zhì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述冷卻器為流化床冷卻器，并且其中，所述 方法還包括將所述烘焙的生物質(zhì)和所述惰性氣體在旋風(fēng)分離器中分離的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述惰性氣體包括氮氣。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述干燥步驟去除存在于所述木質(zhì)纖維素材 料中的水分，以使所述木質(zhì)纖維素材料的絕對水分含量小于所述木質(zhì)纖維素材料總重的 15%。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括將至少氧氣和所述烘焙反應(yīng)器中產(chǎn)生的烘焙 氣體的至少一部分燃燒來產(chǎn)生熱煙氣的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括將所述熱煙氣在高達(dá)1000°C的溫度下提供到 所述干燥器的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括將從所述冷卻器獲得的所述經(jīng)烘焙的生物質(zhì) 固體在制粒器中壓實的步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括以下步驟將空氣分離為至少包含氧氣的第 一氣流和包含氮氣的第二氣流，和將所述氮氣用作惰性氣體。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，使所述干燥的木質(zhì)纖維素材料反應(yīng)在5巴和 20巴之間的壓力下進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于木質(zhì)纖維素材料烘焙的方法和系統(tǒng)，該系統(tǒng)可包括用于干燥木質(zhì)纖維素材料的干燥器；烘焙反應(yīng)器，其適于在1巴和50巴之間的壓力下，在100℃和1000℃之間的溫度下操作；第一再循環(huán)回路，其適于將烘焙氣體再循環(huán)回到烘焙反應(yīng)器；冷卻器，其適于冷卻烘焙的生物質(zhì)；旋風(fēng)分離器，其適于將冷卻的經(jīng)烘焙的生物質(zhì)從惰性氣體分離；第二循環(huán)回路，其適于將惰性氣體從所述旋風(fēng)分離器再循環(huán)到所述冷卻器，并且適于將惰性氣體提供給所述烘焙反應(yīng)器；和供給管道，其適于提供惰性氣體來添加到所述冷卻器。
文檔編號C10B57/14GK101993700SQ20101025785
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月19日
發(fā)明者B·斯特龍伯格, J·M·羅爾斯 申請人:安德里茲技術(shù)資產(chǎn)管理有限公司