用于预处理生物质的系统和方法 【技术领域】
本公开总体涉及生物质处理， 并且更具体地涉及用于预处理生物质的系统和方法。 相关申请的交叉引用
根据 35U.S.C.§119(e)， 本申请要求 2007 年 11 月 2 日提交的名称为 “BIOMASS PRETREATMENT SYSTEM” 的美国临时专利申请 No.60/985,059 的优先权。
背景技术 存在处理生物质的多种技术。通常， 在生物质的这种 “处理” 之前， 生物质被 “预处 理” 以便在处理期间提高生物质的生物消化性。可以在存在液体的情况下在高的温度和压 力下在反应器中执行所述生物质预处理过程。诸如酸、 碱和氧化剂的特定剂经常用于增强 这个过程。示例预处理过程包括但不限于碱催化的 ( 氨、 碱性过乙酸、 碱性过氧化物、 碱性 溶剂、 石灰、 氧压力下的石灰、 氢氧化钠 )、 非催化的 ( 自动水解、 热水、 热水 PH 中和、 蒸汽 )、
酸催化的 ( 使用硫酸浓缩或稀释的酸、 盐酸、 过乙酸、 磷酸、 二氧化硫 )、 基于溶剂的 ( 有机溶 剂、 其它溶剂 ) 和基于化学物质的 ( 过氧化物、 湿法氧化 ) 的那些过程。 发明内容
根据一个实施例， 一种用于生物质的热处理的方法包括允许预处理反应器中的生 物质经受预处理反应过程。预处理反应过程获得经预处理的生物质并一起获得可溶解成 分。将具有第一温度的第一液体输送到预处理反应器中， 并且经预处理的生物质将第一温 度升高到第二温度。在第一液体中俘获可溶解成分的至少一部分， 并且从预处理反应器移 除第一液体和第一液体中的可溶解成分的至少一部分。 将具有第三温度的第二液体输送到 预处理反应器中， 并且经预处理的生物质将第三温度升高到第四温度， 所述第四温度小于 第二温度。
本发明的特定实施例可提供许多技术优点。例如， 一个实施例的技术优点可包 括在高效率地回收热的同时逐渐冷却和加热反应器中的生物质的能力。其它实施例的其 它技术优点可包括同时允许在反应器中在预处理期间产生的可溶解物质的提取和移除 的能力。其它实施例的又一些其它技术优点可包括采用称为 “置换提取 (displacement extraction)” 的技术来回收热和可溶解物质、 使存在于生物质中的液体被进入的液体置换 而没有任何混合、 因此允许更加高效率的提取和热回收的能力。其它实施例的又一些其它 技术优点可包括利用液体的静压头来保持生物质颗粒空隙空间总是充满液体、 因此排斥空 气、 允许渗透速率比当仅仅允许液体排出时快得多的能力。其它实施例的又一些其它技术 优点可包括使用高效率的质量传递技术来从经预处理的生物质高效率地回收热和可溶解 物质的能力。 其它实施例的又一些其它技术优点可包括避免使用诸如用于提取的螺旋压榨 机或滚压机的昂贵的脱水设备的能力。 其它实施例的又一些其它技术优点可包括避免使用 昂贵的热交换器的能力。 其它实施例的又一些其它技术优点可包括提供能使用泵和阀的打开和关闭进行操作的简单的热和可溶解物质回收系统的能力。 其它实施例的又一些其它技 术优点可包括提供能灵活地应用于许多不同预处理技术的系统的能力。
虽然上面已经列举了具体优点， 多种实施例可包括全部或一些所列举的优点或没 有所列举的优点。 另外， 在阅读以下附图和说明部分之后， 本领域技术人员容易理解其它技 术优点。 附图说明 从结合附图的详细说明将更加彻底地理解本公开的实施例， 其中 ：
图 1A 到 1H 示出生物质预处理系统的一个实施例， 其中生物质可经受加热循环 ；
图 2A 到 2H 示出图 1A 到 1H 的生物质预处理系统， 其中生物质可经受冷却循环 ；
图 3 示出用于图 1A 到 1H 的生物质预处理系统的箱 (tank) 的每一个的清除过程 的一个实施例 ；
图 4 是示出生物质预处理系统的另一实施例的简图， 其中设置多个预处理反应 器；
图 5 是示出生物质预处理系统的另一实施例的简图， 其中多个预处理反应器设置 成圆形布置 ； 并且
图 6 是示出使用图 4 或 5 的实施例实施预处理过程的一个实施例的时间图。具体实施方式
在开始应当理解， 虽然下面示出本发明的实施例的示例实施， 但可以使用当前已 知的或未知的许多技术来实施本发明。 本发明决不限于下面示出的示例实施、 附图和技术。 另外， 附图不必按比例绘制。
实际上， 最佳热回收发生在热交换器中的两种液体之间。因为在液体中能容易地 产生湍流， 因此热传递是相对高效率的。当处理气体时， 使用热交换器的热回收也是可行 的， 虽然可能需要诸如翼片的热传递辅助设备。相比之下， 从固体交换热是困难的， 除非在 诸如粉末的特殊情况下， 所述粉末具有特定程度的流动性， 并且在特定情况下， 允许足够混 合以便湍流形成。 然而， 一些固体能容易地以泥浆的形式带有足够小量的液体， 所述液体将 增加它们的流动性并且因此允许热交换发生在热交换器中。然而， 诸如纤维生物质的其它 固体需要非常大量 ( ＞固体的量的 25 倍 ) 的用来浆化的液体， 因为体积的原因， 所述液体 在成本上高得惊人且不方便。借助这种固体， 实现热传递的最佳方法是允许所述固体和热 传递流体的直接紧密接触。例如， 在气化技术中， 流化床和曳出气化器允许流体 ( 例如， 空 气 ) 与纤维生物质的直接接触， 允许高效率的热传递。
在可能使用热液体 ( 例如水 ) 的生物质预处理技术中， 这种液体是优选的热传递 流体。 通过在预处理已经发生后移除反应器中的液体并且在下一个预处理循环中重新使用 所述液体， 可以尝试一些热传递。然而， 不能高效率地回收存在于生物质和曳出水中的热。 此外， 不能高效率地移除在预处理期间释放的可溶解物质。 因此， 特定实施例的教导认识到 发生很小——如果有的话——轴向混合的置换提取的使用， 所述置换提取允许回收存在于 生物质床中的液体而不减小液体温度或可溶解物质浓度。 另外， 特定实施例的教导认识到， 通过使用数个级 (stage)， 热和可溶解物质的回收可以几乎是彻底的。置换提取是一种相异液体可彼此置换而不明显混合的过程。如在美国专利 No.5,772,775 中描述的， 置换提取过程可以使用例如 Meichage 效应来从甘蔗提取糖。 使用 Meichage 效应， 美国专利 No.5,772,775 描述了将一床碾碎的甘蔗从水平刮板式输送器系 统的入口输送到出口。 来自一个具体级的液体被向上泵送以淹没所述床并置换存在的任何 空气 ( 即 Meichage 效应 )。然后， 来自下一级的液体用于置换存在于所述床中的液体。已 经表明， 这种过程相对高效率， 与用于糖提取的常规扩散器中需要的 17 到 19 个级相比， 借 助仅仅三个级获得相对好的从甘蔗的糖提取。
通常在存在液体 ( 例如， 水 ) 的情况下在高的温度和压力下在反应器中执行用来 提高生物消化性的生物质预处理， 所述液体可能包含诸如酸、 碱、 氧化剂的特定剂。可能希 望高效率的热回收以及预处理期间产生的可溶解物质的许多次提取。因此， 特定实施例的 教导认识到使用由空气排除 ( 即 Meichage 效应 ) 辅助的置换提取， 来从生物质预处理回收 热和可溶解物质。
作为非限制性示例实施例， 各代表一个级的一系列箱可用于逐渐加热或逐渐冷却 预处理反应器内的生物质床。每当存在于每个箱 / 级中的液体被送到预处理反应器时， 可 以允许存在于预处理反应器中的液体离开并且被送到下一个箱 / 级。置换液体可流过所述 床， 作为类似于发生在理想地不发生轴向混合的层析柱中的现象的前进的前缘。 这样， 来自 箱的液体可在任何给定时间置换存在于生物质床内的液体并且可允许离开的液体维持其 温度和可溶解物质浓度。 如果新鲜的生物质包含自然可溶解物质 ( 例如， 糖， 蛋白质 )， 在具 体实施例中， 可能希望在加热循环之前提取这些自然可溶解物质。除了从农作物提取自然 可溶解物质的常规方法 ( 例如， 碾磨， 扩散 ) 外， 也可以使用一组分离的箱， 所述组分离的箱 与提出的实施例以相同的方式布置， 用来回收预处理期间产生的热和可溶解物质。 在具体实施例中， 箱 / 级的数量能是获得足够的且节省成本的热和可溶解物质回 收所必要的任何数量。 因为温度差， 在具体实施例中， 它可能有益于以较稠密的液体位于反 应器的底部以避免不希望的液体浮力的方式来传递液体， 所述液体浮力将引起轴向混合。 就是说， 如果箱中的液体比反应器中的液体稠密， 它可在反应器的底部被引入。相反地， 如 果箱中的液体不如反应器中的液体稠密， 它可在反应器的顶部被引入。
图 1A 到 1H 示出生物质预处理系统 10 的一个实施例。生物质预处理系统 10 大体 上包括 ： 构造成包含生物质的预处理反应器 12 ； 和许多箱 14， 每一个所述箱构造成在相异 的温度下容纳诸如水的液体。如将在下面详细描述的， 箱 14 通过泵连接到预处理反应器 12， 所述泵可被操作成从多个箱 14 的每一个将液体交替地泵送到预处理反应器 12， 使得生 物质的温度可以利用相对好的效率升高和降低。
图 1A 到 1H 的每一个示出生物质预处理过程， 所述生物质预处理过程可以施加在 预处理反应器 12 中包含的生物质上。在图 1A 中， 生物质可被加载到预处理反应器 12 并且 箱 14 的每一个中的液体被升高到相异温度。图 1A 到 1H 大体上描述加热循环， 在所述加热 循环中， 生物质的温度可逐渐升高到高温。 虽然示出了箱和反应器的具体温度和数量， 但应 当理解， 在其它实施例中可以使用不同温度和不同数量的箱和 / 或反应器。
在图 1B 中， 来自箱 14a 的液体被传递到反应器以淹没生物质床并移除空气， 一种 被称为 Meichage 效应的过程。箱 14a 中的液体维持在 40℃。因为反应器中的生物质较冷， 这可引起温度下降到近似 30℃。
在图 1C 中， 处于 30℃的曳出液体随后被可处于 60℃的温度的箱 14b 中的液体置 换。处于 30℃的离开的液体被引到箱 14a， 而反应器中的生物质床和液体获得近似 50℃的 中间平衡温度。
在图 1D 中， 反应器中的 50℃的液体随后被可处于 80℃的温度的箱 14c 中的液体 置换。50℃的液体维持其温度并且被送到箱 14b。随后， 生物质床获得近似 70℃的中间平 衡温度。
在图 1E 中， 反应器中的 70℃的液体随后被可处于 100℃的温度的箱 14d 中的液体 置换。 70℃的液体维持其温度并且被送到箱 14c。 生物质床获得近似 90℃的中间平衡温度。
在图 1F 中， 反应器中的 90℃的液体随后被可处于 120℃的温度的箱 14e 中的液体 置换。90℃的液体维持其温度并且被送到箱 14d。生物质床获得近似 110℃的中间平衡温 度。
在图 1G 中， 反应器中的 110℃的液体随后被可处于 140℃的温度的箱 14f 中的液 体置换。110℃的液体维持其温度并且被送到箱 14e。生物质床获得近似 130℃的中间平衡 温度。
在图 1H 中， 预处理剂可添加到预处理反应器 12 以使反应器达到希望的反应温度。 预处理剂可以在最后加热到希望温度之前或之后被添加， 虽然通常优选的是， 在之前添加 它以使用可能由剂在液体中的稀释而释放的任何热。
在一个实施例中， 上述预处理过程可使用水作为介质并且可在近似 6 小时的时间 段上进行。在这个具体实施例中， 水维持在 160℃， 以使整个系统可以被加压以允许处于这 些相对高的温度下的预处理。在一个实施例中， 蒸汽可喷射到反应器中以将温度提高到希 望水平， 但也能使用任何其它适当的加热机构。
在另一实施例中， 在加热期间和在冷却期间， 用于所有级的置换提取循环可花费 近似 30 分钟来完成。 这包括加热之前的生物质的加载和冷却之后的生物质的卸载。 在加载 生物质之后， 可以在热回收之前或之后添加诸如酸、 碱、 氧化剂的预处理剂 ( 如果有的话 )。 在一些情况下， 诸如当使用具有稀释发热的剂 ( 例如生石灰、 硫酸 ) 时， 在热回收之后添加 它可能是方便的。这将减小蒸汽或其它加热介质需要的加热负荷。在预处理反应期间的反 应器中的混合可以在适当时实施 ( 例如翻转、 液体通过生物质床的再循环、 螺旋钻 )。箱 / 级的数量在图 1A-1H 中示出的实施例中是六， 虽然可以使用更多或更少的箱 / 级。
图 2A 到 2H 示出描述冷却循环的一个实施例的生物质预处理系统 10， 在所述冷却 循环中， 根据图 1A 到 1H 的加热循环被加热的预处理反应器 12 中的生物质的温度可以逐渐 降低。
在图 2A 中， 预处理反应器 12 中的生物质处于近似 160℃的高温。 在预处理反应器 12 处于希望温度并且已经添加适当的预处理剂之后， 反应进行希望的时间。 在预处理期间， 取决于预处理反应的热性质， 可以通过提供蒸汽或其它适当的加热材料或通过冷却水来控 制反应器中的温度。在已经过去希望的反应时间之后， 预处理停止并且冷却循环开始。
在图 2B 中， 反应器中的 160℃的液体随后被可处于 110℃的温度的箱 14e 中的液 体置换。160℃的液体维持其温度并且被送到箱 14f。随后， 生物质床获得近似 120℃的的 中间平衡温度。
在图 2C 中， 预处理反应器 12 中的 120℃的液体随后被处于 90℃的温度的箱 14d 中的液体置换。120℃的液体维持其温度并且被送到箱 14e。随后， 生物质床获得近似 100℃ 的中间平衡温度。 在一个实施例中， 箱 14f 中的近似 160℃的液体可具有相对高的从预处理 过程提取的可溶解物质的浓度。为避免积聚这些可溶解产物， 特定量的这种液体可以被清 除 (purge) 和送到合适的下游处理机构。可以用新鲜 (fresh) 的液体替换清除的液体， 所 述新鲜的液体可以处于周围温度或者可以是由与生物转化过程中的其它单元热联合产生 的热的新鲜液体。虽然在图 2C 处的这个实施例中箱 14f 被示出为被清除， 但在其它实施例 中， 可以从预处理反应器 12 直接进行清除而不是将液体输送到箱 14f， 参考图 2B。例如， 反 应器 12 可以在图 2A 处 ( 在处理之后 ) 排出流体并且图 2B-2H 的剩余步骤可以继续下去。
在图 2D 中， 预处理反应器 12 中的 100℃的液体随后被处于近似 70℃的温度的箱 14c 中的液体置换。100℃的液体维持其温度并且被送到箱 14d。随后， 生物质床可具有近 似 80℃的中间平衡温度。
在图 2E 中， 预处理反应器 12 中的 80℃的液体随后被处于近似 50℃的温度的箱 14b 中的液体置换。80℃的液体维持其温度并且被送到箱 14c。随后， 生物质床获得近似 60℃的的中间平衡温度。
在图 2F 中， 预处理反应器 12 中的 60℃的液体随后被处于近似 30℃的温度的箱 14a 中的液体置换。60℃的液体维持其温度并且被送到箱 14b。随后， 生物质床获得近似 40℃的中间平衡温度。 在图 2G 中， 预处理反应器 12 中的 40℃的液体随后被处于近似 30℃的通过新鲜水 入口 16 引入的新鲜水置换。40℃的液体维持其温度并且被送到箱 14a。随后， 生物质床获 得近似 30℃的中间平衡温度。这种液体被送到箱 14a， 在箱 14a 中， 它将用于下一个加热循 环。在一个实施例中， 预处理反应器 12 中的生物质可以使新鲜液体饱和， 因此允许经预处 理的生物质作为浆体离开系统到达下游生物转化。在另一实施例中， 经预处理的生物质可 以没有可溶解物质， 其中下游生物转化可以不是必要的。 在这种实施例中， 例如， 如图 2B-2F 中示出的每个置换可拾取紧邻先前置换所遗留的可溶解物质。 另外， 在这种实施例中， 在每 个相应的置换中离开室的流体将比先前置换中离开室的流体具有更少量的可溶解物质。
在图 2H 中， 可从预处理反应器 12 卸载生物质和任何曳出液体。
图 3 示出用来从箱 14f 置换液体的过程的另一实施例。这个具体清除过程可用于 代替如图 2C 中示出的清除过程。在清除浓缩的液体之后， 一些液体可以从箱 14a 到箱 14f 的每个顺序传递。最后， 新鲜的液体在箱 14a 处进入所述系统。在图 2 中描述的实施例中， 假定箱 14f 中的液体的清除和替换将温度从 160℃减小到 140℃。在这一点上， 箱 14 中的 所有温度被重置到图 1 中示出的初始温度并且准备开始新的加热循环。
图 4 示出生物质预处理系统 20 的另一实施例， 其中多个预处理反应器 12 可由箱 14 服务。在这个具体实施例中， 示出七个预处理反应器 12 ； 然而， 应当理解， 可以使用任何 数量的预处理反应器 12。在这个实施例中， 两个泵 22 用来执行热和可溶解物质的回收。液 体从两个泵 22 的移动可以由构造在箱 14 和预处理反应器 12 的每一个的入口和出口上的 阀 24 提供。
图 5 示出生物质预处理系统 30 的另一实施例， 除了箱 14 和预处理反应器 12 为了 方便和紧凑而构造成圆形布置之外， 所述另一实施例类似于图 4 的实施例。
图 6 是示出两个泵 22 如何可用于服务图 4 和 / 或 5 的七个预处理反应器 12 的每
一个的时间图。在预处理花费 6 小时且加热和冷却循环各花费半小时的一个实施例中， 可 实现用于生物质预处理系统 20 和 30 的 24 小时操作时间表。这个时间表是可实现为相对 良好的操作布局的例子。能够看到， 由于在任何给定时间总是有一个预处理反应器 12 被加 载、 加热、 冷却和卸载， 而其它预处理反应器 12 从事于预处理， 因此这些操作已经被布置成 使得设备以相对高负荷循环进行操作。
可潜在地使用这个系统的生物质预处理方法能够是 ( 但不限于 ) 碱催化的 ( 氨、 碱性过乙酸、 碱性过氧化物、 碱性溶剂、 石灰、 氧压力下的石灰、 氢氧化钠 )、 非催化的 ( 自动 水解、 热水、 热水 PH 中和、 蒸汽 )、 酸催化的 ( 使用硫酸浓缩或稀释的酸、 盐酸、 过乙酸、 磷酸、 二氧化硫 )、 基于溶剂的 ( 有机溶剂、 其它溶剂 )、 基于化学物质的 ( 过氧化物、 湿法氧化 ) 的那些方法。这个过程使用提取置换来置换发生预处理的一个或更多个预处理反应器 12 中的液体。可以实现两个功能 ： (1) 提取预处理期间产生的水溶性成分 ； 和 (2) 回收热。预 处理反应器 12 伴随有一系列箱 14， 每一个箱代表一个提取或回收级， 用传送过预处理反应 器 12 的液体顺序地填充和清空这些箱以在任何给定时间置换存在于那里的液体。这将允 许逐渐地且因此更加高效率地冷却和加热反应器中的生物质。
虽然已经通过数个实施例描述了本发明， 但本领域技术人员可以想到无数改变、 变型、 变化、 转变和修改， 并且本发明意图包括这种改变、 变型、 变化、 转变和修改， 由于它们 落在所附权利要求的范围内。