用于將預(yù)處理的生物質(zhì)從較高壓力區(qū)域排放至較低壓力區(qū)域的改進(jìn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于排放已經(jīng)受加壓處理的生物質(zhì)到較低壓力或大氣壓區(qū)域中的排放裝置和方法。此外，本發(fā)明涉及包含與預(yù)處理反應(yīng)器相結(jié)合的這種排放裝置的設(shè)備。此外，本發(fā)明涉及這樣的排放裝置用于將預(yù)處理的生物質(zhì)從較高壓力轉(zhuǎn)移至較低壓力的用途。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于富含碳水化合物的生物質(zhì)的發(fā)酵和氣化以提供用于燃料、牲畜飼料和有機(jī)化學(xué)產(chǎn)品前體的石化資源的替代物出現(xiàn)了強(qiáng)烈的興趣。
[0003]包含工業(yè)和農(nóng)業(yè)廢棄物的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)已經(jīng)證明作為碳水化合物來源具有特別的意義。
[0004]對(duì)于經(jīng)受酶促水解處理的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，通常需要預(yù)處理以便從纖維素纖維中分離木質(zhì)素和半纖維素和由此提高水解酶的催化有效的接觸。多種預(yù)處理工藝已被報(bào)道，其中許多依罪在尚壓下的尚溫處理。綜述參見參考文獻(xiàn)1和2。
[0005]預(yù)處理的生物質(zhì)從高壓區(qū)域排放到在較低壓力或大氣壓下的后續(xù)處理提出之前通過三種通用的方法解決的一個(gè)技術(shù)問題。已開發(fā)出適用于半連續(xù)加工的水閘系統(tǒng)，其提供生物質(zhì)從不同壓力的區(qū)域的壓力密封轉(zhuǎn)移。見例如，W0 2011/024145，其在此通過引用整體引入本文。
[0006]另外，已經(jīng)使用“蒸汽爆破”實(shí)現(xiàn)預(yù)處理的生物質(zhì)從高壓區(qū)域的排放，其中生物質(zhì)確實(shí)被吹出壓力處理裝置至排放槽(blow tank)中。參見例如US 6506282。或者，還可以借助于“水力旋流器”系統(tǒng)將生物質(zhì)從加壓的預(yù)處理反應(yīng)器排出，如在W0 2009/147512 A2中所描述的，其全文在此通過引用引入本文。
[0007]W0 2009/147512 A2公開了一種用于將預(yù)處理的生物質(zhì)從較高壓力區(qū)域排放至較低的壓力區(qū)域的裝置。在高壓下在其中部分地填充有水或水性溶液的排放容器的頂部加入預(yù)處理的熱生物質(zhì)。該容器包含多個(gè)位于其側(cè)面的水噴嘴，通過其注入水或水性溶液以在容器的下部產(chǎn)生強(qiáng)湍流。
[0008]這種湍流，優(yōu)選渦旋湍流或“水力旋流”，在生物質(zhì)和水作為漿料通過容器底部的孔或閥高速噴射之前混合生物質(zhì)和水。在排放容器內(nèi)建立穩(wěn)定的溫度分層，由此熱水保持在容器的頂部，從而減少預(yù)處理反應(yīng)器的熱和蒸汽損失。
[0009]在紙漿和造紙工業(yè)中，使用碎漿機(jī)粉碎廢紙纖維是公知的。這樣的碎漿機(jī)包括在下部包含圓錐形螺桿形式的旋轉(zhuǎn)器或攪拌器(其對(duì)廢紙施加物理沖擊)的容器，由此導(dǎo)致廢紙纖維的粉碎。在使用這種碎紙機(jī)的過程中，工藝水被添加到廢紙中。用于廢紙工業(yè)中的這樣的碎漿機(jī)的實(shí)例在US 4，460，132中公開。在US 4，460，132中公開的設(shè)備沒有包含用于與加壓的生物質(zhì)預(yù)處理裝置連接的手段且因此不適合用于將預(yù)處理的生物質(zhì)從較高壓力排放至較低壓力。
[0010]在造紙和紙漿工業(yè)中使用的另一設(shè)備公開于US 4,725 295中。US 4,725 295公開了一種用于在造紙制漿工業(yè)中使用的，在加壓處理系統(tǒng)中從氣態(tài)流體分離固體顆粒的設(shè)備。該設(shè)備包含蒸汽管，其在頂端具有木肩和蒸汽的入口。在蒸汽管的下部設(shè)置旋轉(zhuǎn)式攪拌器。在蒸汽管的下部還設(shè)置用于還沒有被制成紙漿的木片的排放。在蒸汽管的下游，制造的紙漿經(jīng)過熱機(jī)械精煉機(jī)，之后通過壓力驅(qū)動(dòng)的紙漿進(jìn)入旋流器。旋流器本身包括包含蒸汽排氣口的上部和包含葉輪的下部。葉輪被設(shè)計(jì)用于使用掃孔原理(sweep orificeprinciple)將紙漿通過紙漿出口孔掃出。由于工藝中的木肩主要是用蒸汽處理而基本上沒有液態(tài)水存在，在超大氣壓的壓力下存在的含有相當(dāng)量的液態(tài)水的生物質(zhì)含水漿料的減壓問題沒有在US 4,725 295的發(fā)明中遇到。在US 4,725 295中公開的設(shè)備沒有提供任何使得存在于超大氣壓的壓力下的含有相當(dāng)量的液態(tài)水的生物質(zhì)含水漿料從該超大氣壓的區(qū)域安全轉(zhuǎn)移至低壓區(qū)域的手段。
[0011]在漿料或液體的處理中涉及攪拌器的組合的其他系統(tǒng)被分別公開在W02009/137867 AUW0 03/045525 A1 和US 6,428,591 B1 中。
[0012]ffO 2009/137867 A1公開了使包含液體懸浮液或紙漿的進(jìn)料液脫氣的設(shè)備。該設(shè)備包含進(jìn)料管道以將進(jìn)料液體輸送到分離器中。分離器包含用于在分離室中引起進(jìn)料液體的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的機(jī)械攪拌器，使得所述旋轉(zhuǎn)流動(dòng)產(chǎn)生離心渦流以將進(jìn)料液體分離成基本上由泡沫或氣體組成的第一組分和基本上由脫氣的液體或淤渣組成的第二組分。較低的輸出通道允許將第二組分引導(dǎo)出分離器。用于泡沫的出口形式的溢流通道被安排在分離器的上部，從而提供從分離器的內(nèi)部到分離器外部的點(diǎn)的直接通路。由于存在這個(gè)溢流通道，在W02009/137867 A1中公開的分離器將不適合于處理在超大氣壓力下存在的淤漿。
[0013]ffO 03/045525 A1公開了一種渦流分離器，其用于將物料分離成具有不同比重的三個(gè)部分。所述分離器包含具有上端和下端的渦流管。上端包含用于將物料引入分離器中的進(jìn)料入口。分離器的下端包含安排在分離器的內(nèi)部位置的最低出口開口，并適于收集具有最高比重的物料;最高出口開口安排在所述分離器的外部位置并適于收集具有最低比重的物料;和中間出口開口安排在所述分離器的中間位置，并適于收集具有中等比重的物料。在分離器的頂部安排了用于產(chǎn)生被進(jìn)料到分離器的物料的渦流的葉輪。由于在頂部安排了攪拌器，該設(shè)備將不適合用于提供進(jìn)入裝置的固體物料的漿料的攪拌，且特別地這一設(shè)備將不適合用于將預(yù)處理的生物質(zhì)從較高壓力區(qū)域轉(zhuǎn)移到較低壓力區(qū)域。
[0014]US 6,428,591 B1公開了用于加壓的物料處理系統(tǒng)，諸如中密度纖維板(MDF)加工系統(tǒng)中的旋流器，用于分離在維持升高的壓力下的氣態(tài)流體中夾帶的固體物料和用于降低V0C的排放。旋流器包含具有上端、下端和限定縱向軸的基本上圓筒形側(cè)壁的殼體。入口在殼體內(nèi)靠近所述上端形成，并相對(duì)于側(cè)壁切向定向用于誘導(dǎo)流體圍繞縱向軸旋轉(zhuǎn)，從而對(duì)固體物料施加離心力。氣態(tài)流體出口從殼體的上端向上延伸用于提供氣態(tài)流體的第一或分離的部分的出口。用于固體的出口在外殼內(nèi)形成，并在靠近下端定位。攪拌器組件被定位在殼體內(nèi)靠近下端。攪拌器組件包括與縱向軸同軸設(shè)置垂直延伸的，可旋轉(zhuǎn)地支撐的驅(qū)動(dòng)軸。攪拌器組件還包含多個(gè)從殼體的內(nèi)側(cè)延伸到殼體的中央部分的固定的抗旋轉(zhuǎn)元件。由于這些固定的抗旋轉(zhuǎn)元件的存在和木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的含水漿料的粘性性質(zhì)，在US 6，428，591B1中所公開的設(shè)備因?yàn)槎氯娘L(fēng)險(xiǎn)將不適合于加工木質(zhì)纖維素生物質(zhì)。
[0015]在木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的生產(chǎn)規(guī)模的加工中，我們?cè)谝欢l件下利用W02009/147512 A2中所描述的水力旋流器系統(tǒng)經(jīng)歷負(fù)面的復(fù)雜化情況。
[0016]這種水力旋流器系統(tǒng)在該系統(tǒng)包含的流體體積內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度。預(yù)處理的生物質(zhì)從大約170攝氏度或更高的溫度下從加壓反應(yīng)器釋放到水力旋流器內(nèi)的流體體積中。水噴嘴向系統(tǒng)中灌輸熱水，從而打破預(yù)處理生物質(zhì)物料的團(tuán)塊并提供了流化的預(yù)處理生物質(zhì)漿料的平穩(wěn)的連續(xù)輸出。但結(jié)果總是在水力旋流器內(nèi)出現(xiàn)溫度梯度，在容器上方最接近于加壓反應(yīng)器的出口的水比水力旋流器的出口處的水溫度顯著高。
[0017]已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用公開于W02009/147512 A2中的裝置將水熱預(yù)處理的生物質(zhì)從較高壓力區(qū)域轉(zhuǎn)移到較低壓力區(qū)域時(shí)，最初存在于木質(zhì)纖維素材料中的不希望的高百分比的C5糖，如木聚糖物質(zhì)，不可避免地流失到漿料的液相中。因此C5糖的這種損失意味著在其中水熱預(yù)處理的木質(zhì)纖維素的固體材料打算用于水解和后續(xù)發(fā)酵成乙醇的情況中較低的乙醇產(chǎn)率。
[0018]本文所用的術(shù)語“木聚糖”一般用來指木糖的所有寡聚和多聚物長度，其是來源于半纖維素的主要C5糖。然而所測(cè)量的“木聚糖”包含單體可溶性木糖的成分，以至可溶性“木聚糖”包含“木糖”。
[0019]此外，利用W02009/147512 A2中公開的裝置，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與這種C5糖流失到漿料的液相中同時(shí)，在液相中出現(xiàn)糠醛的累積。眾所周知，糠醛在C5和06糖的乙醇發(fā)酵中作為某些特定發(fā)酵微生物的發(fā)酵抑制物起作用。即使存在于纖維性木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的液體痕跡(liquid traces)中的少量糠醛可代表對(duì)糖發(fā)酵微生物的顯著的抑制。
[0020]此外，利用在W02009/147512 A2中公開的裝置，在某些條件下，在水力旋流器的頂部在較高溫度上累積靜止層，而預(yù)處理生物質(zhì)的“團(tuán)塊”沉淀到在較低的溫度下的反應(yīng)器底部。作為在水力旋流器內(nèi)建立的溫度梯度內(nèi)預(yù)處理生物質(zhì)的這種不均勻分布的結(jié)果，生物質(zhì)在最早的加壓預(yù)處理結(jié)束之后可能會(huì)發(fā)生不均勻的額外的“蒸煮”。這隨之導(dǎo)致在隨后的處理步驟中的困難。此外，作為在反應(yīng)器的底部和側(cè)面上積聚的預(yù)處理材料的沉降團(tuán)塊的結(jié)果，可能會(huì)出現(xiàn)“木質(zhì)素炭化”的顯著發(fā)生率，這引起了在后續(xù)處理步驟中使用的過濾器和栗“堵塞”的傾向。
[0021]因此，存在著對(duì)于其中消除上述問題的用于將預(yù)處理的生物質(zhì)從較高壓力排放至較低壓力的改進(jìn)的裝置和方法的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]根據(jù)本發(fā)明的排放裝置、設(shè)備、用途和方法滿足了該需要。
[0023]因此，本發(fā)明涉及一種排放裝置，其用于將預(yù)處理的生物質(zhì)從較高壓力排放至較低壓力，所述排放裝置按其預(yù)期使用的定向包含:
[0024]-在頂部具有到高壓區(qū)域的開口，并配置成與加壓的生物質(zhì)預(yù)處理裝置相連的容器；
[0025]-沿容器的側(cè)面定位的一個(gè)或多個(gè)入口開口，水或液體可以通過其加入；
[0026]-在所述容器的下部的孔或閥，所述的孔或閥被配置成噴射預(yù)處理的生物質(zhì)，任選至管道中；
[0027]其特征在于所述排放裝置包含機(jī)械攪拌工具，所述攪拌工具包含在所述容器的下部安排在所述容器內(nèi)部，和被配置成提供所述容器的內(nèi)容物的攪拌的攪拌元件，其中所述攪拌工具適于承受所述容器內(nèi)部10巴或更高的壓力。
[0028]本發(fā)明還涉及一種設(shè)備，其包含與水熱預(yù)處理反應(yīng)器相結(jié)合的根據(jù)本發(fā)明的排放裝置；
[0029]其中所述水熱預(yù)處理反應(yīng)器包含基本上水平地排列和具有在第一軸末端的用于生物質(zhì)的入口和在與所述第一末端相反的第二軸末端的用于生物質(zhì)的出口的圓筒；
[0030]其中，所述圓筒在其內(nèi)部包含可旋轉(zhuǎn)的螺旋螺桿，所述螺旋螺桿被配置為用于將生物質(zhì)從所述第一軸末端輸送到所述第二軸末端；
[0031]其中所述圓筒還包含一個(gè)或多個(gè)用于蒸汽和/或水的入口；
[0032]其中在所述圓筒的第二軸末端的用于水熱預(yù)處理的生物質(zhì)的所述出口被連接至安排在所述排放裝置的容器頂部的所述開口。
[0033]本發(fā)明還涉及根據(jù)本發(fā)明的排放裝置或根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備用于將生物質(zhì)從較高壓力排放至較低壓力的用途。
[0034]最后，本發(fā)明涉及用于將生物質(zhì)從較高壓力排放至較低壓力的方法，其包括:
[0035]i)將來自較高壓力環(huán)境的預(yù)處理生物質(zhì)加載到容器的上端，以在所述容器內(nèi)獲得包含生物質(zhì)的下部水性漿料和上部氣體部分；
[0036]ii)通過安排在所述容器內(nèi)部的機(jī)械攪拌元件進(jìn)行對(duì)所述容器下部的所述含水漿料的機(jī)械攪拌；
[0037]iii)向容器中供給含水液體流；
[0038]iv)從所述容器的下部卸載包含預(yù)處理的生物質(zhì)的含水漿料。
[0039]在根據(jù)本發(fā)明的排放裝置及其用途和方法中，已經(jīng)令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，C5-糖如木聚糖物質(zhì)從纖維性的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)到液體部分中的損失的減少相對(duì)于W02009/147512A2中公開的裝置和方法可以被相當(dāng)大的降低。這類C5糖代表在預(yù)處理的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的下游加工中用于發(fā)酵生物體的有價(jià)值的碳源，從而促進(jìn)目標(biāo)物質(zhì)的產(chǎn)量增加。
[0040]此外，已經(jīng)令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，在根據(jù)本發(fā)明的排放裝置、設(shè)備及其用途中和方法中，與用W02009/147512 A2中所述的裝置和方法所獲得的結(jié)果相比，可以降低在伴隨纖維性木質(zhì)纖維素部分的液體部分中糠醛的濃度。
[0041]因此，在纖維性木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的液體痕跡中糠醛濃度的顯著降低意味著在生物質(zhì)的下游進(jìn)一步處理中目標(biāo)發(fā)酵物質(zhì)產(chǎn)率提高方面非常有益的效果。
[0042]在木質(zhì)纖維素生物質(zhì)已經(jīng)在