大规模收集、预备、处理和精制木质纤维素生物质的方法和系统.pdf

一种用于大范围收集木质素-纤维素生物质以使商业精制生物质的规模达到每天2500到超过50000吨生物质的系统，用于生产乙醇或其他产品。所述生物质在一系列收集点被收集然后通过与每个收集点和中央精制车间相互连接的管道网络“回路”运输。用于运输所述浆料形式生物质的水被回收，随后在相同管道系统中再循环以推动“回路”中的生物质浆料环绕系统。

1.  一种生物质收集和精制系统，包括：
生物质精制车间、
多个收集点、和
至少一个在连续循环排布中连接所述收集点和精制车间的管道回路，用于将水和生物质的浆料从收集点传输到精制车间。

2.  权利要求1的系统，包括多个连接收集点的管道回路。

3.  权利要求1的系统，所具有的多个收集点用于每天收集约1000吨至约50000吨生物质。

4.  权利要求2的系统，其中所述系统适合每天每个回路收集至少约1000吨生物质。

5.  权利要求2的系统，其中所述系统适合每天收集超过约50000吨生物质。

6.  权利要求1的系统，具有约7到100个收集点。

7.  权利要求1的系统，其中来自两个收集点的水或浆料流被合并传输至所述精制车间，且从精制车间的浆料中除去的水被分流用于再循环。

8.  权利要求1的系统，其中系统中的水量相对恒定。

9.  权利要求1的系统，其中所述系统维持浆料中固体/液体的重量比等于或小于15％。

10.  权利要求1的系统，还包括用于从浆料中除水的装置。

11.  权利要求10的系统，其中用于从浆料中除水的装置是甘蔗压榨机、离心机、筛、过滤器、螺旋压榨机或它们的组合。

12.  一种收集和精制生物质的方法，包括：
在通过至少一个管道回路连接的生物质精制车间的多个收集点收集生物质；
将所述生物质引入至少一个管道回路中形成生物质和液体的浆料；
通过至少一个与用于蒸煮生物质的精制车间相连的管道回路传输所述生物质和液体的浆料；和
从浆料中除去水并连续地将这些水再用于传输另外的生物质。

13.  权利要求12的方法，还包括在网络中预处理生物质和水的浆料，使其达到一个有利于随后在精制车间中分解木质素和生物质的键的pH。

14.  权利要求12的方法，还包括将从多个收集点中的两个或更多个处运出的浆料流合并为流向精制车间的单个浆料流，以及使自精制车间的浆料中除去的水发生分流用于再循环的步骤。

15.  权利要求13的方法，其中所述生物质的尺寸减小，且调节浆料的pH以引入蒸煮相。

16.  权利要求12的方法，还包括除去水以维持系统中相对恒定的循环水量的步骤。

17.  权利要求12的方法，包括将收集点连至精制车间的多个管道回路。

18.  权利要求17的方法，其中每个回路都可独立运行。

19.  权利要求17的方法，其中回路数目与精制车间的生产能力相匹配。

大规模收集、预备、处理和精制木质纤维素生物质的方法和系统
发明背景
本申请要求2006年8月10日提交的美国临时申请60/836,737的优先权，该申请以引用的方式纳入本说明书中。
技术领域
本发明属于生物质的收集和预先调节用于随后精制成乙醇和其他产品的领域。具体地，本发明涉及大范围收集生物质从而利用规模经济效益。根据实施方案，所述生物质可在下游加工之前在料堆中或位于中心的车间内预先调节为选定的pH。
相关技术的描述
Patrick Foody的美国专利No.4,461,648公开了这样一种技术，即通过蒸汽爆炸和化学分解打开生物质中木质素和纤维素之间的键从而使纤维素能够为化学反应可用，该专利以引用的方式整体纳入本文中。20世纪70年代，在首次“石油危机”发生之后，该发明人对使低级纤维和木材可被反刍动物消化进行了研究。他认识到反刍动物微生物群对这些材料的可利用性和酶对这些材料的可利用性事实上是非常相似的问题。用蒸汽爆炸进行试验以打开纤维。结果是，这是一个比单纯使所述纤维“爆炸”打开内部键难得多的问题，并且此过程的时间/温度范围的可优化空间非常窄。然而，这些努力的结果是，如美国专利No.4,461,648中所公开和要求保护的，获得了一种使纤维素可被酶完全利用的方法。这是该技术的首次突破，并且可以说奠定了目前被称为生物质精制学科的基础。
然而，要具有真正的经济竞争力还存在一个关键的阻碍，即“规模”问题。本发明人相信，本发明最终解决了该问题，使生物质乙醇可与石油竞争。
Brian Foody等人的美国专利No.5,916,780公开了用于预处理和运输生物质的技术，特别是涉及乙醇的生产，该专利以引用的方式整体纳入本文中。
日本专利JP2002330644提出了一个用于生物质收集的系统。然而此专利公开了一个气动系统，但并未充分地说明大规模生物质的收集和精制的实施过程。
用于运送木屑的管道系统很普遍，但这些一般是基于点对点的应用。Peter C.Flynn，et al.，Bioresource Technology，96(2005)819-829假设了一种生物质精制系统，其中水可被完全或部分地泵回系统的开始处。如作者所注，这需要两条管线，在经济上不可行。
为了在经济上可行，从生物质得到的乙醇(在本文中也称为纤维素乙醇)必须优于其工业对手——粮食乙醇和石油。这些优点之一是用于运输传统能源产品的公路、铁路、管道和河运基础设施都已经铺设好。
与这些竞争者相比，生物质本质上在成本和加工方面具有明显的劣势。例如，自由流动的粮食，重40-50磅每立方英尺，而成包的生物质重10磅每立方英尺，松散的只重5磅每立方英尺。现在建成的最大的没有水路或铁路运输通路的粮食乙醇工厂，每天可处理的量级为2500吨。在5磅每立方英尺的“容重”下，生物质精制系统的可行性受到道路系统通路的制约。待运送体积的差别对大多数公路系统的运输能力是一种挑战。为了利用生物质的单位成本更便宜的优势，估计必须一个每天能够处理显著超过2500吨生物质的系统才能使纤维素乙醇跟易于精制的基于淀粉的粮食乙醇竞争。
石油工业，生物质精制的另一个传统的竞争者，具有“规模”优势和成熟的管道系统从而能承受显著高得多的原料成本。
据估计为能与石油竞争，纤维素乙醇系统每天需要处理超过10000吨的生物质。
要使由生物质制得的乙醇能够在商业上与石油竞争，还需要材料加工和物理布局方面的其他技术和科学优势，尤其是对经济规模而言。
本发明的一个重要目的是克服与处理大量比较轻的不可自由流动的生物质相关的困难和费用缺陷。本发明人在此建立了一个用于运送生物质浆料的连续“回路”系统，与传输水共享管道，并沿着所述管道在不止一个选定点处加入新的生物质。根据本发明的实施方案，除了本地采集之外，可完全避免使用传统的递送系统，来支持本文所述的集中且集成的回路网络。
发明概要
本发明的生物质收集和精制系统包括生物质精制车间、多个收集点和至少一个通过连续循环排布连接所述收集点和精制车间的管道回路，从而使水和生物质的浆料从收集点传输到精制车间，回收传输水并与回收的工艺用水一起再输入同一管道。本文所用的“管道”包括但不限于导管、沟渠或类似结构。可选地，所述系统包括连接所述收集点和所述精制车间的多个回路。
本发明的方法包括在多个采集点(本文也称为“收集点”)收集生物质。所述生物质可被切碎，或在按需在导入蒸煮相收集点处(或在传输通路的其它地方)进行一定的pH调节。所述生物质被引入管道回路中，在一个或多个收集点形成生物质和液体的浆料(例如，非限制地为5wt％的固体混料于水中)并通过至少一个将每个特定“回路”上的收集点与用于蒸煮生物质的中心精制车间相连的管道回路来传输。在精制车间中，使用分离设备、甘蔗压榨机、螺旋压榨机、筛或类似装置将水从浆料中去除，并通过一个或多个管道回路重新用于生物质的连续传输。
附图说明
图1示出了单个回路布局，表示位于中央的精制车间、离开所述车间的管道系统、注入管道系统的水、在沿着管线的一个或几个点上生物质的引入，以及除去水以重新利用的一般关系。然后所述生物质进入所述精制车间。
图1A是图1的一个细节图，示出了一个使用离心机的典型除水系统。作为替换，也可以使用甘蔗压榨机、螺旋压榨机或类似除水装置。
图1B是图1的一个细节图，示出了将固体引入管道形成浆料的分流系统(dropleg system)的细节。也可使用其他固体引入装置。
图2示出了一个包括3个进入精制车间的回路的典型网络布局。
图3示出了另一个布局，其中6个独立回路将材料运至精制车间。
图4显示扩大至9个连接回路的系统。
图5显示进一步扩大至15个回路的系统，其中管道被整合到进出所述车间的干线。
优选实施方案的描述
生物质是成熟的作物纤维，主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，其包括但不限于草、柳枝稷、麦秆、玉米秸秆、甘蔗残渣、一般谷类废料、木屑等，这些可根据上述美国专利No.4,461,648和No.5,916,780或其他已知技术转化为乙醇(或其他产品)。因此，本文所用的生物质包括在天然状态下不能自由流动的材料，如木质素-纤维素材料。本发明意图优选地与不可自由流动材料(木质素-纤维素生物质)的收集和运输结合应用，因为这些材料从材料处理角度而言是传统上最难处理的材料。
一英亩可耕土地每年可产出多达18吨生物质(甘蔗)，在温带气候下一般每英亩产出5吨玉米秸秆或柳枝稷。为了保证足够的供应，本发明的系统一般基于每英亩每年0.67吨生物质(谷物粮食麦秆)或1.34吨玉米秸秆而设计。这是计入了家庭损耗(包括用于其他目的的生物质)、可替代作物等因素后得出的可获得的生物质的平均数量，而非土地可产出的最大量。下表还包括了基于遗传修饰的草的计算值。
如图2至图5所示，收集点20优选地位于产出生物质的农业区的中心或接近中心。这些农业区在图中以六边形表示，然而示意图只是随意的，可预期采集地区的大小、形状和地形有改变。本发明设施的最大采集能力的优选范围是最多至每天50,000吨，这可能需要一个直径为约230英里或更大的网络。术语“网络”——如图2-5中的网络直径B所释例——是指例如由最外面的管道限定的区域的直径。采集点的数目并不关键，并根据网络的大小而变动，其范围可在7到100个采集点之间(只是举例)。外线22是由所有采集点20服务的农业区的界限。
如图2所示，总采集区域的大小基于车间处理能力。下面的方案基于车间能力分别为约5000吨/天、12500吨/天、25000吨/天和40000吨/天制定，导致穿过整个采集区域的距离为约50英里到约200英里不等。
表1(图2)

表2(图3)

表3(图4)


表4(图5)

生物质原料在一吨原料可产生多少燃料，以及使用何种酶和其他技术精制原料方面存在区别。一般一吨生物质可产生40到100加仑燃料。根据本发明，优选从不同采集点收集大小均匀的生物质，从而使精制容易。
本发明的一个重要优点是用卡车或农场挂车通过一段比较短的距离D到达收集点20而将所述生物质运输到各收集点。例如，在一个经计算累计约12500吨生物质的系统中，包含19个收集点，邻近的收集点之间距离稍超过25英里(距离A)，如图3所示，并且基于每年每英亩采集0.67吨生物质，转移到收集点的平均距离D是大约8.5英里。自采集点的此距离适于本地拖运，这可由农场工人通过多种方法完成。这些数据仅用于例证，而不应认为对本发明构成限制。
运输之后，所述生物质在收集点20例如通过分流管24被引入浆料中，从而与循环水形成浆料，如图1B所示。在图1B中，生物质通过运输机26被引入分流管24中，水通过供应线28供应，且使用搅拌器32搅拌所述浆料。所述浆料通过34处的增压泵被泵入管道网络。所述实施方案仅用于例证。分流管的使用不是必需的。也可用其它替代手段，如星形阀、挤压螺杆加料器或类似的常规固体处理工具。
所述生物质被提前切碎，或在收集点切碎，优选切成0.5到1.5英寸。可用甘蔗压榨机或圆盘精研机将所述生物质粉碎使其更易于与酸或碱接触以调整pH值。甘蔗压榨机可能更适于草或麦秆，而圆盘精研机更适于木屑。
然后按需要用位于每个收集点或抽水站的泵将所述浆料运输到下个收集点。浆料中的水量可由本领域普通技术人员确定，其取决于泵流量、管尺寸等，然而，一般认为含有5wt％的固体的浆料可通过管道网络充分运输。相对管道网络中的管道而言具有很大直径的立管可用于适应网络中的压力变化，或者立管可与分流管、星形阀或挤压螺杆加料器一起使用以将固体输入到网络。
如图4和图5所示，可能需要将进出车间的物流结合至用于运输到中间精制车间的大直径管70中以减少管的总长。这种情况下，可能必须将来自精制车间或在较后收集点的水流分流以维持水平衡。其中，“分流”是指将单个较大物流分成多个较小物流。附图示出了将从多个收集点中的两个或多个处运出的浆料流合并为指向精制车间的单个浆料流，并使自精制车间的浆料中去除的水发生分流，用于再循环。
所述系统的另一重要方面是水——包括回收的工业用水——一旦注入网络中，即可重新用于运输，并且系统中的水量保持相对恒定，一般不需补充水。因为生物质含有约12-50％的水分，将生物质加入系统会导致系统中循环水量的增加。这些水的一部分例如作为蒸汽可能在精制过程中耗尽，或水可在必要时被处理并排出，以维持网络中的水量不变。其中，相对恒定的水量具有本领域普通技术人员所理解的该术语所表示的含义。优选地，相对恒定的水量是维持固体/液体比例小于15％所需的水量。通常，在运行过程中系统中水量的变化不超过±5％。
管道网络的排列使所有收集点都能通过连续的通道到达精制车间，所述通道将生物质和水的浆料运载至位于中心的精制车间。在图1中，回路概图图示了原料沿管道进入车间，水被回收并返回管道中以运输另外的原料。在实施方案中，所述系统的设计使得当精制能力增加时多个回路可被加到已存在的管道网络中，从而使总产量达到处理90000到100000桶的小型炼油厂的规模。这些数据仅用于例证，而不应认为对本发明构成限制。
优选地，所述管道回路的大小设计为可从单个回路的收集点收集1000吨/天或更多。一个系统可具有多个可独立运行的管道回路，从而可不时地从系统中隔除一个或多个回路。如果车间能力和/或农业面积增加时，也可以同样的方式增加额外的回路。
管道的尺寸可由本领域普通技术人员确定。例如，在图3所示的系统中，基于适合每天累计约12500吨的系统，可有效使用直径约为24英寸的管道，以约5英尺/秒传输浆料。
图2示出了三个回路的回路系统，一个回路被定义为每个回路都经过精制器和至少两个收集点的连续管道系统。一个回路系统包含多个这种回路。
使用甘蔗压榨机或本领域已知的其他浆料除水装置在精制车间中将水从浆料中除去，所述工具包括但不限于离心机、挤压机、筛或过滤器。随后这些水在网络中再循环。在一个图1A所示的实施方案中，在固液分离器如离心机42中进行固液分离。分离的固体输送至精制车间10。从精制过程44回收的水和从浆料46中除去的水可储存在水仓48中，其然后可用于向管道网络提供水。
如上所注明，所使用的具体的生物质精制技术对收集系统的运行并不是关键的。可使用前述美国专利No.4,461,648和5,916,780所述的车间。如其中所述，通常需要进行预先调节然后预处理以在开始时打开木质素和纤维素之间的键。因此，实施本发明时，可任选使用酸或碱性的循环水以在循环系统中实施预先调节。对于酸溶液，使用2％的硫酸溶液可适于此目的，本领域技术人员可根据使用的原料和精制方法确定精确的用量。
前述优选实施方案的描述仅用于例证，而不视为对本发明构成限制，本发明在权利要求中予以限定。