用於高效烘焙生物質的方法和裝置製造方法
2023-06-05 00:52:46
用於高效烘焙生物質的方法和裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及用於高效烘焙生物質的方法和系統。所述系統包括用於加熱可選地被預乾燥的生物質的第一區域和用於烘焙被加熱生物質的絕熱第二區域。第二區域具有被連接到第一區域的出口的入口和用於取出設置在第二區域底部的烘焙生物質的器件，從而生物質可通過重力向下運動通過第二區域。用於加熱的器件設置在第一區域，而不是設置在第二區域。
【專利說明】用於高效烘焙生物質的方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及生物質烘焙(torrefaction of biomass)領域。具體說,涉及用於高效烘焙生物質的方法和裝置。
【背景技術】
[0002]為了能與化石燃料能量載體(例如煤、油和天然氣)競爭和將其替換，木質纖維生物質從一些形式的預處理方法獲益以克服固有的缺陷。預處理方法烘焙已經顯示為可以改善生物質燃料性質，例如能量密度、水含量和研磨性、供給和疏水性能[1-4]。這些改善使得能建立作為關鍵工序的烘焙過程，以有助於生物質原始材料擴大市場。烘焙是一種熱預處理方法，其通常在基本上惰性(無氧氣)的環境下在約220-600°C的溫度處發生。在處理過程期間，除了被烘焙生物質外，包括不同有機物的易燃氣體從生物質原料產生。
[0003]從木質纖維生物質製造烘焙材料的過程可包括四個階段:
[0004]I)乾燥步驟，其中生物質中含有的自由水被去除；
[0005]2)加熱步驟，其中物理結合的水被釋放且材料的溫度被提高到期望的烘焙溫度；
[0006]3)烘焙階段，其中材料實際被烘焙，且其在材料溫度達到約220°C -230°C時開始。在該階段期間，生物質被部分地分解且釋放不同類型的揮發物，例如羥基丙酮、甲醇、丙醛、短鏈羧酸等。具體說，烘焙階段特徵在於在220°C -230°C的溫度下半纖維素分解，且在更高的烘焙溫度下纖維素和木質素也開始分解且釋放揮發物；纖維素在305-375°C的溫度下分解且木質素逐漸在250-500°C溫度範圍內分解；
[0007]4)冷卻步驟，終止工序，且有助於操作。烘焙處理在材料冷卻到220°C -230°C以下時終止
【發明內容】
[0008]在工業規模的烘焙過程中，簡單、魯棒且能量高效的烘焙裝置提供主要競爭優勢。
[0009]由此，本發明提供用於烘焙生物質的新的方法和新的系統。
[0010]在一個方面，本發明涉及對可選地經預乾燥的生物質的烘焙，包括步驟:
[0011]a)將可選地被預乾燥的生物質在至少一個加熱區域加熱，從而生物質的溫度達到烘焙溫度範圍；和
[0012]b)在烘焙區域中通過將溫度保持在烘焙溫度範圍內而將從步驟a)而來的被加熱生物質烘焙，其中從步驟a)而來的被加熱生物質在烘焙區域的頂部被供應到烘焙區域，且烘焙材料在烘焙區域的底部從烘焙區域取出，從而生物質通過重力向下運動通過烘焙區域。
[0013]在另一方面，本發明涉及用於烘焙生物質的系統，包括:
[0014]第一區域，用於對可選地被預乾燥的生物質加熱；和
[0015]絕熱的第二區域，用於烘焙被加熱的生物質，所述第二區域具有連接到第一區域出口的入口，[0016]一器件，用於取出設置在第二區域底部的烘焙生物質，從而生物質可通過重力向下運動通過第二區域。
[0017]其中，用於加熱的器件設置在第一區域，而不是設置在第二區域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1顯示了用於烘焙生物質的系統。
[0019]圖2顯示了圖1公開的烘焙裝置隨時間的典型溫度變化。 [0020]圖3顯示了圖1公開的烘焙裝置隨時間的典型溫度變化。
【具體實施方式】
[0021]定義
[0022]烘焙:
[0023]一種預處理，其中生物質在基本惰性的(氧氣減少或無氧氣)的環境下被加熱到高於220°C但是低於600°C的溫度，以生產烘焙生物質和包括易燃氣體的烘焙氣體。供應到根據本發明實施例的烘焙反應的氧氣以這樣的方式和/或這樣的量供應，其使得在很大程度上其不與生物質反應。代替地，這樣的氧氣與烘焙氣體反應。在烘焙階段，生物質的一部分，具體說是半纖維素，分解且給出不同類型的有機揮發物。在以原始、溼的生物質開始的烘焙處理中，實際的烘焙階段以乾燥階段和加熱階段開始，在乾燥階段中生物質中含有的自由水被去除，且在加熱階段中將生物質加熱到期望的烘焙溫度。
[0024]加熱區域:
[0025]烘焙反應器中容納室(compartment)的具體區域，相對於烘焙反應器的生物質入口位於烘焙區域上遊，包括用於具體調節所述具體區域中溫度的器件，且其中生物質的溫度在烘焙之前被增加到接近期望的烘焙溫度的溫度。
[0026]烘焙區域:
[0027]烘焙反應器中容納室的具體區域，相對於烘焙反應器的生物質入口位於加熱區域下遊，包括用於具體調節所述具體區域中溫度的器件，且其中預先被加熱的生物質的溫度基本被保持恆定在期望的烘焙溫度達到期望的烘焙時間，其中期望的烘焙溫度為220°C到600°C的範圍。
[0028]乾燥區域:
[0029]烘焙反應器中容納室的具體區域，相對於烘焙反應器的生物質入口位於烘焙區域上遊，包括用於具體調節所述具體區域中溫度的器件，且其中生物質在加熱前被乾燥到水含量低於10%。
[0030]烘焙時間:
[0031]材料溫度基本保持恆定在烘焙溫度的時間。烘焙區域中材料的駐留時間可以稱為烘焙時間。
[0032]水平:
[0033]本發明中術語「水平」的含義與本領域技術人員所理解的相同，即是垂直於垂直平面的平面且平行於地平線的平面。然而在本發明中，與水平平面相差小角度(例如10° )的平面也稱為水平面。由此，例如「水平加熱腔室」還包括加熱腔室，其與水平平面相差一小的角度(例如10° )。
[0034]垂直:
[0035]本發明中術語「垂直」的含義與本領域技術人員所理解的相同，即垂直於水平平面的平面。然而在本發明中，與垂直平面相差小角度(例如10° )的平面也稱為垂直面。由此，例如「垂直反應器」還包括與垂直平面相差小角度(例如10° )的反應器。
[0036]詳細描沭
[0037]在第一方面，本發明涉及用於對可選地被預乾燥生物質進行烘焙的方法，包括步驟:
[0038]a)將可選地被預乾燥的生物質在至少一個加熱區域加熱，從而生物質的溫度達到烘焙溫度範圍；和
[0039]b)在烘焙區域中通過將溫度保持在烘焙溫度範圍內而將從步驟a)而來的被加熱生物質烘焙，其中從步驟a)而來的被加熱生物質在烘焙區域的頂部被供應到烘焙區域，且烘焙材料在烘焙區域的底部從烘焙區域取出，從而生物質通過重力而向下運動通過烘焙區域。
[0040]該方法與現有技術所述的方法相比具有幾個優點。因為被乾燥且加熱的生物質在烘焙區域的頂部被供應到烘焙區域、且在烘焙區域的底部從烘焙區域取出烘焙材料，所以在烘焙區域不需要可動部件。代替地，材料通過重力運動通過烘焙區域，這提供了簡單且便宜的構造。進一步地，這樣的構造提供了能量高效的烘焙處理過程:在烘焙區域不需要加熱器件。烘焙區域絕熱從而在加熱步驟期間達到的溫度範圍能被保持就足夠了。
[0041]材料在烘焙區域中 的駐留時間通過烘焙區域中材料層高度(或體積，如果橫截面面積不恆定的話)和材料從底部被取出的速率確定。取出率例如可以通過控制布置在烘焙區域底部的運輸裝置的速度而被控制，所述運輸裝置例如運輸螺杆。層的高度取決於填充的初始程度、在底部的取出率和在頂部的供應率。如果在頂部的供應率比在底部的取出率更高，則高度將增加，且如果底部的取出率比在頂部的供應率更高，則高度將減少。烘焙區域中材料的駐留時間可以被控制，以便控制材料烘焙的程度。由此，烘焙區域的填充的初始程度、向烘焙區域頂部的供應率和/或從烘焙區域的底部的取出率可以被控制，以控制材料烘焙的程度。
[0042]由此，在一個實施例中，烘焙材料通過運輸裝置例如運輸螺杆而從底部取出，且運輸裝置的速度例如可被控制，以便控制材料在烘焙區域中的駐留時間。
[0043]在一個實施例中，烘焙區域中的至少一個傳感器讀取烘焙區域中層的高度。在一個實施例中，從所述傳感器而來的讀數用於控制生物質在烘焙區域中的駐留時間。在一個實施例中，將從傳感器而來的讀數與參考值相比，如果度數與參考值相差得超過預定誤差值，則烘焙區域底部的取出率和/或烘焙區域頂部的供應率被調整。
[0044]在一個實施例中，烘焙溫度範圍為220-600°C，例如220-500°C，例如220_450°C，例如 220-400 0C，例如 230-600 0C，例如 230-500 °C，例如 230-450 °C，例如 230-400 °C，優選240-5000C，優選 240-400°C，優選 240_350°C，最優選為 270-350°C。
[0045]溫度優選地在烘焙區域保持相對恆定，以有助於控制烘焙處理。由此，烘焙溫度範圍，其在步驟a)中被達到，且在步驟b)被保持，優選地為50°C或更小的範圍。由此，烘焙溫度範圍例如可以為300-350°C或350-400°C。更優選，溫度範圍為40°C或更少的範圍，例如30 °C或更少，例如20°C或更少，例如I (TC或更少。
[0046]加熱區域和烘焙區域可以分離，從而材料在不同區域中的駐留時間可以被分開控制。例如，材料可以通過運輸裝置而被運輸通過加熱區域，所述運輸裝置例如傳動帶或運輸螺杆。由此，這樣的運輸裝置的速度可以被控制，以控制材料在加熱區域中的駐留時間。在優選實施例中，生物質水平方向被運輸通過加熱區域沿。在烘焙區域中材料的駐留時間的控制如上所述。
[0047]優選地，烘焙區域被隔離，使得沒有外部能量被提供到烘焙區域。由於隔離和由於烘焙反應期間通過生物質產生的放熱熱量，由此在烘焙區域溫度可以保持基本上恆定。
[0048]發明人還發現，烘焙區域中的溫度可通過將受控量的空氣或氧氣噴射到烘焙區域中而得到調節。在烘焙階段期間，噴射的空氣/氧氣與從生物質釋放的氣體反應。在氣體部分地氧化時，熱量被釋放到周圍氣體和要被烘焙的材料，由此在沒有進一步供應外部加熱的情況下升高溫度。出人意料地，發明人已經可以證明，儘管氧氣被引入(數據未示出)，但仍可以保持烘焙裝置中的受控溫度。發明人甚至展示出，烘焙區域中的溫度可通過控制噴射的氧氣量(數據未示出)而被控制，這消除了將外部熱量供應到烘焙區域的需要。在存在氧氣的情況下烘焙裝置中溫度保持穩定和受控，而且沒有生物質的氧化，這一事實是令人驚訝的，尤其是相比於現有技術中所述的烘焙處理，其中已經努力確保以氧氣排盡的方式執行烘焙處理。因此 ，在一個實施例中，含有氧氣的氣體被供應到烘焙區域。
[0049]發明人已經可以證明，與在烘焙區域的底部供應含有氧氣的氣體相比，如果含有氧氣的氣體在烘焙區域的底部供應且如果烘焙氣體在烘焙區域的頂部從烘焙區域取出從而氣體通過烘焙區域向上遊運動的話，(與生物質運輸逆向)，則更易於在烘焙區域中控制溫度。
[0050]因此，在優選實施例中，含有氧氣的氣體被供應到烘焙區域中的第一位置，從而氧氣在熱量的存在下與烘焙氣體的成分反應，且其中烘焙氣體在烘焙反應器的第二位置處從烘焙反應器取出，且其中第一位置在烘焙區域中相對於生物質運輸方向位於第二位置的下遊，從而烘焙氣體與生物質的運輸逆向地運動通過烘焙區域。
[0051]在一個實施例中，含有氧氣的氣體在烘焙區域的底部被供應，從而氧氣在熱量的存在下與烘焙氣體的成分反應，且其中烘焙氣體在烘焙區域的頂部從烘焙區域取出，從而烘焙氣體運動通過烘焙反應器(與生物質的運輸逆向)。在一個實施例中，含有氧氣的氣體在位於烘焙區域的最低20%處、優選最低5%處、優選最低1%處的位置被供應，且烘焙氣體從對應於烘焙區域的最高20%處、優選最高5%處、優選最高1%處的位置被取出。
[0052]在最優選實施例中，含有氧氣的氣體被供應到烘焙區域且烘焙氣體從加熱區域取出，從而烘焙氣體與生物質的運輸逆向地運動通過烘焙區域且通過加熱區域。在一個實施例中，烘焙氣體從相對於加熱區域的第一個20%、優選地第一個5%、優選地第一個1%的位置取出。術語「第一個20%」意思是與加熱區域的生物質入口最近的20%處。在一個實施例中，含有氧氣的氣體在烘焙區域的最低20%、優選最低5%、優選最低1%的位置處被供應。由此，由烘焙區域中氧氣和烘焙氣體之間的反應產生的熱量可用於在加熱區域中乾燥和加熱生物質。因為烘焙氣體以與生物質的運輸逆向的關係取出，發明人已經實現，可在烘焙區域的頂部噴射額外氧氣，以提高加熱區域的溫度，而不讓烘焙區域中有太高溫度。由此，在一個實施例中，額外氧氣在烘焙區域的頂部處被添加或在相對於烘焙區域的最高10%、優選最高5%、優選最高1%處的區域被添加。
[0053]在替換實施例中，含有氧氣的氣體在烘焙區域頂部被供應到烘焙區域，從而氧氣在熱量存在下與在烘焙區域中形成的烘焙氣體成分反應，且其中負壓形成在烘焙區域的底部，從而氣體向下運動通過烘焙區域。但是該實施例不是很優選，因為發明人已經證明，在含有氧氣的氣體在反應器的頂部被供應時且在氣體與生物質同時在烘焙區域中運動時，難以在烘焙區域保持穩定溫度。
[0054]通過反應產生的熱量遍及烘焙區域中的生物質層。使用氧氣增加烘焙區域中的溫度是能量高效的且有助於高效地控制烘焙溫度，而不需要將外部能量供應到烘焙區域。
[0055]在一個實施例中，通過烘焙區域中烘焙氣體和氧氣之間的反應而產生的熱氣體的一部分從烘焙區域的頂部釋放且被引導到加熱區域和/或乾燥區域，以在加熱區域和/或乾燥區域中提高溫度。
[0056]在一個實施例中，生物質為木質纖維生物質，例如木材，例如木片。
[0057]本發明的另一方面涉及用於烘焙生物質的系統，包括:
[0058]第一區域，用於對可選地被預乾燥的生物質進行加熱；和絕熱的第二區域，用於烘焙被加熱的生物質，所述第二區域具有入口，所述入口連接到第一區域的出口，用於取出烘焙生物質的器件設置在第二區域的底部，從而生物質通過重力向下運動通過第二區域，其中用於加熱的器件設置在第一區域，而不是在第二區域。
[0059]在一個實施例中，第一區域設置在加熱腔室中，所述加熱腔室包括螺杆或傳動帶，用於將生物質運輸通過第一 區域。
[0060]在另一實施例中，加熱腔室是水平的，螺杆或傳動帶沿水平方向延伸，用於水平運輸生物質。在另一實施例中，加熱腔室平行於水平平面或偏離水平小於45的角度，例如小於40。,例如小於35° ,例如小於30° ,例如小於25° ,例如小於20° ,例如小於15°。
[0061]在一個實施例中，絕熱的第二區域設置在垂直反應器中。在一個實施例中，絕熱的第二區域設置在反應器中，所述反應器平行於垂直平面或與垂直平面偏離小於45°的角度，例如小於40°例如小於35° ,例如小於30° ,例如小於25° ,例如小於20°，例如小於15。。
[0062]在一個實施例中，第二區域包括用於噴射含有氧氣的氣體到第二區域的至少一個氧氣入口。在一個實施例中，氧氣入口連接到用於將含有氧氣的氣體受控地供應到第二區域的氧氣供應器件。在一個實施例中，第二區域包括用於烘焙氣體的出口。在一個實施例中，用於烘焙氣體的出口相對於第二區域中生物質的運輸方向位於氧氣入口的上遊。在優選實施例中，用於烘焙氣體的出口位於第一區域中，優選地相對於生物質入口在對應於第一區域的第一個20%、優選第一個5%、優選第一個1%的位置。在一個實施例中，系統進一步包括含有氧氣的氣體來源，所述來源連接到氧氣供應器件。
[0063]在一個實施例中，氧氣入口設置在第二區域的最低20%、優選最低5%、優選最低1%的位置。在一個實施例中，用於烘焙氣體的出口布置在第二區域的最高20%、優選最高5%、優選最高1%的位置處。
[0064]在一個實施例中，用於烘焙氣體的出口布置在第一區域，從而烘焙氣體通過第一和第二區域與生物質運輸逆向地被取出。優選地，用於烘焙氣體的出口位於對應於第一區域的第一個20%位置處，優選是第一區域的第一個5%、優選第一個1%。[0065]在替換實施例中，氧氣入口布置在第二區域的頂部且風扇布置為連接到第二區域的底部，從而可以在第二區域的底部提供負壓。由此，氣體可以通過第二區域取出。在一個實施例中，系統包括含有氧氣的氣體來源，所述來源連接到氧氣供應器件
[0066]在一個實施例中，第二區域包括用於測量第二區域中生物質水平的至少一個傳感器。所述測量值可用於控制第二區域中生物質的駐留時間。
_7] 示例性實施例的詳細描述 [0068]圖1a顯示了用於烘焙生物質的系統，其具有生物質入口 1，其中生物質通過供應螺杆2而被引入到烘焙裝置中。生物質在乾燥區域3中被乾燥。熱量通過加熱介質(例如熱氣體)而被供應到乾燥區域，所述加熱介質經過乾燥區域加熱介質入口 4。加熱介質通過乾燥區域加熱介質出口 5離開乾燥區域。經乾燥的生物質從乾燥區域3被運輸到加熱區域6，在加熱區域中生物質的溫度被提高到烘焙溫度範圍。熱量通過經過加熱區域加熱介質入口 7的加熱介質而供應到加熱區域6。加熱介質通過加熱區域加熱介質出口 8離開加熱區域6。乾燥區域3和加熱區域6位於公用的水平反應器中，且材料在乾燥區域3和加熱區域6中的運輸通過公用的運輸螺杆調節，所述運輸螺杆還將材料供應到包括烘焙區域11的垂直反應器的頂部。烘焙材料在烘焙區域底部從烘焙區域取出，從而生物質通過重力向下運動通過烘焙區域11。沒有外部熱量供應到烘焙區域11，且在烘焙區域的頂部使用第一 IR測溫儀10和在烘焙區域11的底部使用第二 IR測溫儀12，通過測量生物質的表面溫度而監測烘焙溫度。通過在烘焙區域11的頂部噴射含有氧氣的氣體、從而氧氣在熱量存在下與在烘焙區域中形成的烘焙氣體成分反應，烘焙區域11中生物質的溫度可被調整。在烘焙區域的底部提供負壓，從而氣體向下運動通過烘焙區域11。通過與氧氣反應而產生的熱量由此遍及烘焙區域11的生物質層。冷卻區域運輸螺杆14讓烘焙材料從烘焙區域11的底部運動通過冷卻區域13，在冷卻區域中烘焙材料通過用於冷卻的器件15被冷卻到低於100°C的溫度。冷卻還可經由運輸螺杆14供應。生物質在烘焙區域中的駐留時間通過冷卻區域運輸螺杆14的旋轉速度和烘焙區域14中層的高度確定。烘焙區域11中層的高度通過進入烘焙區域的材料運輸速率確定，且通過材料運輸離開烘焙區域11的速率確定。材料運輸到烘焙區域11中的速率通過乾燥區域3和加熱區域6中運輸螺杆的旋轉速度而確定，且材料運輸到烘焙區域以外的速率通過冷卻區域運輸螺杆14的旋轉速度確定。
[0069]圖1b顯示了圖1的同一系統，所述系統用於在生物質存在於該系統時對其烘焙。
[0070]圖2和3顯示了圖1公開的烘焙裝置的典型溫度變化。儘管在烘焙區域中沒有外部能量供應，但烘焙區域的溫度保持恆定。如果溫度將減少，可在烘焙區域的頂部噴射氧氣以提高溫度。
【權利要求】
1.用於烘焙可選地被預乾燥的生物質的方法，包括步驟: a)將可選地被預乾燥的生物質在至少一個加熱區域加熱，從而生物質的溫度達到烘焙溫度範圍；和 b)通過將溫度保持在烘焙溫度範圍而在烘焙區域中將從步驟a)而來的加熱生物質烘小立m， 其中從步驟a)而來的被加熱生物質在烘焙區域頂部被供應到烘焙區域，且烘焙材料在烘焙區域底部從烘焙區域取出，從而生物質通過重力向下運動通過烘焙區域，且其中含有氧氣的氣體被供應到烘焙區域。
2.如權利要求1所述的方法，其中含有氧氣的氣體被供應到烘焙區域，使得氧氣在熱量的存在下與烘焙氣體的成分反應且其中烘焙氣體從加熱區域抽出，從而烘焙氣體與生物質運輸逆向地運動通過烘焙區域且通過加熱區域。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中烘焙材料通過運輸裝置從底部取出，例如運輸螺杆。
4.如權利要求3所述的方法，其中運輸裝置的速度被控制，以控制材料在烘焙區域中的駐留時間。
5.如權利要求1-4中任一項所述的方法，其中烘焙溫度範圍為220°C到600°C，例如 220-500 0C，例如 220-450 °C，例如 220-400 °C，例如 230-600 °C，例如 230-500 °C，例如230-450°C，例如 230-4 00°C，優選 240-500°C，優選 240-400°C，優選 240_350°C，最優選為270-350 O。
6.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中生物質沿水平方向運輸通過加熱區域。
7.一種用於烘焙生物質的系統，包括: 第一區域，用於加熱可選地被預乾燥的生物質；和 絕熱的第二區域，用於烘焙被加熱生物質，所述第二區域具有入口，所述入口連接到第一區域的出口； 用於取出烘焙生物質的器件，其設置在第二區域的底部，從而生物質能藉助重力向下運動通過第二區域； 其中用於加熱的器件設置在第一區域，而不是設置在第二區域。
8.如權利要求7所述的系統，其中第一區域設置在加熱腔室中，所述加熱腔室包括螺杆或傳動帶，用於將生物質運輸通過第一區域。
9.如權利要求8所述的系統，其中加熱腔室是水平的且螺杆或傳動帶沿水平方向延伸，用於水平運輸生物質。
10.如權利要求7-9中任一項所述的系統，其中絕熱的第二區域設置在垂直反應器中。
11.如權利要求7-10中任一項所述的系統，其包括用於將含有氧氣的氣體噴射到第二區域的至少一個氧氣入口、和用於烘焙氣體的至少一個出口，且其中用於烘焙氣體的出口相對於第二區域中生物質運輸的方向位於氧氣入口的上遊。
【文檔編號】C10L5/44GK103608436SQ201280029802
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年5月16日 優先權日:2011年5月18日
【發明者】I.奧洛夫森, M.諾德維格, A.諾丁, K.哈坎桑 申請人:拜奧恩德夫有限責任公司