流体材料处理系统的制作方法

本公开涉及流体材料处理系统。该系统通过施加热、蒸汽和添加剂来影响流体的物理性质(例如粘度)，以增强进一步的下游处理。特别考虑的是，由生产纤维素乙醇形成的流体废料流将在此进行处理。

背景技术：

在燃烧过程中，燃料中的化学能在锅炉的炉内转化为热量。热量通过锅炉中的吸热表面捕获以产生蒸汽。炉中使用的燃料包括各种固体、液体和气体物质。燃烧将燃料转化为大量化合物。在一些应用中，固体生物质废料副产物用作流化床锅炉的燃料。

流化床锅炉是燃烧固体燃料的一种方式。一般而言，流化床锅炉包括由一定堆叠高度的固体颗粒形成的床。例诸如敞底系统(底部敞开的系统)或平底系统的流化气体分配格栅位于床下方。敞底系统的特征在于宽间隔的分配管道，在该分配管道上安装有气泡盖，气泡盖用于在压力下分配流化气体(通常是空气)以使床流化。在平底系统中，分配管道形成锅炉的底板。在足够的气体速度下，固体颗粒表现出类似液体的性质。

参考图1，已知设计的示例性鼓泡流化床(bfb)锅炉8(可从美国俄亥俄州巴伯顿市的babcock&wilcox公司购得)包括鼓泡床10，燃料12经由进料器14输送到该鼓泡床10上。流化床10适当地包括诸如例如沙子的固体颗粒。气密炉烟道(图1中仅示出其下部)包括由管构成的气密管壁16、17，水流经管以冷却管壁。诸如空气的流化气体通过管道18引入到鼓泡床10中，并且间隔开的气泡盖20有助于去除大的混入物。在床下方的除灰系统22中，混入物向下移动并在通过底部料斗24移除到合适的传送系统等(未示出)之前冷却。来自流化床10上的燃烧的热量加热壁管16、17中的水，这可以驱动蒸汽发生器或其他有用功。在一些实施例中，管壁16、17中的水在闭环再循环路径(通常包括补给水管线)中流动。进料器14可以穿过非水冷耐火炉壁(例如，砖炉壁)而不是穿过如图1的说明性实施例中的管壁16，或穿过任何其他类型的锅炉壁。对于进料器14穿过的炉壁，可以设想，包括诸如热绝缘材料、外壳等等的额外特征。

纤维素乙醇是由木材、草或植物的不可食用部分制成的先进类型的生物燃料。这种类型的生物燃料由木质纤维素制成，木质纤维素是包括很多大多数植物的结构材料。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。玉米秸秆、柳枝稷、芒草、木屑、农业残留物，甚至草坪和树木维护的副产品都是一些含有木质纤维素的原料。

纤维素乙醇生物燃料的生产通常需要使用特种化学品、酶和微生物进行额外处理以分解木质纤维素。因此，纤维素乙醇生产的废产物与传统淀粉乙醇工艺的废产物明显不同，传统淀粉乙醇工艺主要使用谷粒(例如玉米粒)作为原料。通常有来自纤维素乙醇生物燃料工艺的两种废料流。一种是木质素滤饼(滤饼)，其典型水分范围为35％至60％，并且其余为固体。第二种是浆液(syrup)，其典型水分范围为30％至50％，并且其余为固体。

希望提供用于处理诸如来自纤维素生物燃料生产过程的废浆液流的流体的系统和方法，其允许这些流体以所需方式输送到进一步下游过程。

技术实现要素：

因此，本公开涉及用于处理诸如来自纤维素乙醇生物燃料废料的流体的系统和方法。在具体实施例中，流体是被馈送到流化床锅炉中的废浆液，该锅炉运行以燃烧这些废产物并产生能量。废浆液可具有约30％至约50％的水分含量。由此产生的能量可以呈热气体、蒸汽或电的形式。能量可用于为纤维素乙醇生产过程或其他过程提供动力。

在另外的实施例中，添加剂可以被引入废浆液中以减少结块。然而，通常希望不需要对废浆液进行进一步处理。

本文还公开了液体材料处理系统，包括：进液管线；进汽管线；平衡罐，其具有与进液管线流体连通的液体入口、与进汽管线流体连通的蒸汽入口、添加剂口、循环口和液体出口；加热器，其流体连接到平衡罐的液体出口；以及加热器下游的管道；其分成(a)具有脉冲阀并通向至少一个进料器出口管线的进料管线和(b)具有压力调节阀并且通向(i)平衡罐的再循环口和(ii)液体储罐两者的返回管线。

该系统还可包括进水管线和与进汽管线和进水管线两者均流体连通的清洗管线。清洗管线还可以流体连接到至少一个进料器出口管线。平衡罐还可包括混合器。进料管线可以具有在至少一个进料器出口管线上游的脉冲阀。在具体实施例中，至少一个进料器出口管线延伸至双相燃料进料器。

本文还公开了用于制备分配到过程的流体的方法，包括：通过如上所述的材料处理系统的流体入口管线输送流体；用来自进汽管线的蒸汽加热平衡罐中的流体；以及将被加热的流体通过流体出口送到进料管线和至少一个进料器出口管线。

流体可以在平衡罐中被加热至约200°f或以下的温度。如果需要，离开平衡罐的被加热的流体可以在加热器中进一步被加热至约200°f或以下的温度。

在一些实施例中，进料管线具有在至少一个进料器出口管线上游的脉冲阀，并且热流体可以是脉冲式的，以便将热流体分成离散体积，这可以减少进一步下游处理中的结块。

流体可以在平衡罐中与添加剂混合。流经返回管线的热流体可以被输送到平衡罐的再循环口，或者可以被输送到储罐。

材料处理系统还可包括(i)进水管线和(ii)与进汽管线和进水管线两者均流体连通的清洗管线。额外处理步骤可包括通过清洗管线并通过(i)进料管线或(ii)返回管线输送水/蒸汽混合物。至少一个进料器出口管线可以延伸到双相燃料进料器。

用于分配的流体可以是液体、溶液、浆料或乳液。具体实施例中，用于分配的流体是纤维素生物燃料废浆液。

本文进一步讨论了本公开的这些和其他非限制性方面。

附图说明

以下是附图的简要描述，附图是为了说明本文公开的实施例的目的而给出的，而不是为了限制本文公开的实施例的目的。

图1示意性地示出了已知设计的示例性鼓泡流化床(bfb)锅炉。

图2是用于以所需形式将流体提供给下游过程的流体材料处理系统的示意图。

图3是可以从图2的系统接收流体的双相燃料进料器的剖视立体图。

图4是柱状图，示出了对于纤维素生物燃料废浆液每100磅燃料输入元素的“反应”发生情况。

图5是流化床锅炉的示意图，图2的流体材料处理系统可以与该锅炉一起使用。

具体实施方式

通过参照附图可以获得对本文公开的部件、过程和装置的更完整的理解。这些图仅是基于便利性和易于展示本公开的示意性表示，并且因此并非旨在指示装置或其部件的相对大小和尺寸和/或限定或限制示例性实施例的范围。

尽管为了清楚起见在以下描述中使用了特定术语，但是这些术语仅旨在表示在附图中为了说明而选择的实施例的具体结构，而不旨在限定或限制本公开的范围。在下面的附图和以下描述中，应理解，相同的数字标记指的是具有相同功能的部件。

单数形式的“一”、“一”以及和“该”包括复数指代物，除非上下文明确地另作规定。

如说明书和权利要求书中所用，术语“包括”可包含“由......组成”和“基本上由......组成”的实施例。如本文所用，术语“包括”、“包含”、“具有”、“具有”、“可以”、“含有”及其变体用于指需要存在指定部件/步骤并允许存在其他部件/步骤的开放式的过渡短语、术语或单词。然而，这样的描述应该被解释为还将组合物或过程描述为“由......组成”和“基本上由......组成”的列举部件/步骤，其允许仅存在指定部件/步骤，并且排除其他部件/步骤。

本文公开的所有范围包括所述端点并且是可独立组合的(例如，“从2瓦特至10瓦特”的范围包括端点2瓦特和10瓦特以及所有中间值)。数值应理解为包括当减少到相同个数的有效数字时相同的数值以及与指定值相差小于本申请中描述的类型的传统测量技术的实验误差以确定值的数值。

如本文所使用的，近似语言可以应用于修改可以变化而不会导致与其相关的基本功能的变化的任何定量表示。因此，由一个或多个术语(例如“约”和“基本上”)修饰的值可以不限于指定的精确值。修饰语“约”也应被视为公开由两个端点的绝对值限定的范围。例如，表述“从约2至约4”也公开了“从2至4”的范围。

本文使用的一些术语是相对术语。术语“入口”和“出口”是与流体相对于给定结构流经它们有关的，例如，流体通过入口流入结构并通过出口从结构流出。术语“上游”和“下游”是与流体流经各种部件的方向有关的，即流体在流经下游部件之前流经上游部件。应当注意，在循环中，第一部件可以被描述为在第二部件的上游和下游。

术语“水平”和“垂直”用于表示相对于绝对参考系的方向，即地平面。然而，这些术语不应被解释为要求结构彼此绝对平行或绝对垂直。例如，第一垂直结构和第二垂直结构不一定彼此平行。术语“顶部”和“底部”或“基部”用于表示相对于绝对参考系，即地球表面，顶部总是高于底部/基部的表面。术语“向上”和“向下”也相对于绝对参考系；向上总是抵抗地球的引力。

如果锅炉和/或蒸汽发生器技术的某些术语或原理的解释可能是理解本公开所必须的，则读者可参考“steam/itsgenerationanduse，42ndedition,editedbyg.l.tomei,copyright2015,thebabcock&wilcoxcompany,isbn978-0-9634570-2-8”，其内容以参见的方式纳入本文，如同本文完全阐述一样。

本公开涉及一种流体材料处理系统。待由系统处理的流体可以是液体、溶液、浆料或乳液。这里术语“液体”用于指材料的相(即，不是气体、固体或等离子体)。术语“溶液”是指液体混合物，其中溶质基本均匀地分布在溶剂中。术语“浆料”是指细颗粒与液体溶剂的混合物。术语“乳液”是指两种或更多种彼此不混溶的液体的混合物，例如，油水混合物。一般认为术语“流体”是指液体与固体的混合物，液体占混合物的大部分(按体积或按重量计)。

图2是流体材料处理系统500的示意图，其可用于处理流体并改变其物理性质(例如，粘度、温度、反应性等)。该系统调节流量，将流体加热至所需的加工温度，使固体保持悬浮，允许系统清洗，允许在不同的注入点之间旋转，并允许混合添加剂。该系统可以由诸如不锈钢或氯化聚氯乙烯(cpvc)的耐腐蚀材料制成。在这方面，废浆液是一种具体被考虑的流体，它是强腐蚀性的并且已经在测试中发现仅在几周内腐蚀金属存储转筒。

始于图2的左上方，流体入口管线502进入系统并经过流量计504进入平衡罐(缓冲罐)510。流体可以通过储罐或通过其他方式提供。低压蒸汽通过进汽管线(蒸汽进入管线)540进入系统，并通过管线/管道542进入平衡罐，并将流体加热至所需温度。加热降低了废浆液的粘度，以用于后续处理。在一些具体实施例中，平衡罐中的流体温度(加热后)不应超过200°f左右，并且可以考虑加热流体的温度通常为约100°f。添加剂或多种添加剂506也可以根据需要添加并使用混合器512与流体混合。

热流体借助由泵520施加的压力通过管线/管道522离开平衡罐510并且经过加热器530，其中如果需要，热流体的温度可以进一步提高，但再次保持低于200°f左右。

热流体离开加热器530并分成两条管线，即进料管线536和浆液返回管线532。在进料管线536中，脉冲阀501用于在热流体中产生脉冲，并且流体接着经过流量计505。脉冲化可用于形成离散体积，离散体积减少进一步下游过程中的结块。然后流体可以通过任何数量的注入管线流至任何所需过程，这些过程被示为进料器出口管线590、592、594(可以存在更多的注入点)。

流体返回管线532也分成两条不同的管线。流体可以通过管线/管道538送回储罐，或者可以经由管线/管道534返回到平衡罐510，管线/管道534连接到平衡罐的循环口。端点590、592、594、538可以被认为是流体材料处理系统的出口。

该系统包括清洗功能以及冷却维护喷嘴的装置。如前所述，蒸汽通过进汽管线540进入。水通过进水管线550进入系统。应该指出，水通常是凉的而不是热的/温的。蒸汽和水可以单独使用或组合进入清洗管线552，清洗管线552在平衡罐510和加热器530之间进入系统。然后，清洗流体可以被引导到任何所需位置，包括流体返回到储罐管线538或流体再循环管线534。排放管513、515和517沿着流体再循环管线534或沿着流体返回到存储管线538设置在平衡罐510中。蒸汽和水的清洁管线也可以通过阀569、597和599的适当的打开和关闭来引导到注入点590、592、594。

适当的控制系统、管道和电线用来控制流体材料处理系统500。在图2中示出了若干阀。阀561控制进入平衡罐510的流体流量。阀563控制进入平衡罐510的蒸汽流量。阀573控制从平衡罐进入系统的其余部分的流体流量。

阀565控制通过管线/管道544进入系统其余部分的蒸汽流量，阀567控制进入系统的水流量。阀571控制进入加热器上游的管道中的水和蒸汽流量。阀577和503控制进入下游过程的注入点的流体流量，而阀591、593、595控制每个单独的注入点。阀579控制返回至储罐的流体流量，阀575控制进入平衡罐510的流体流量。

在具体实施例中，可以考虑，流体材料处理系统将流体提供给双相燃料进料器，该双相燃料进料器与诸如流化床锅炉的锅炉一起使用。图3是可用于本发明的双相进料器310的说明性实施例的侧视剖视图。燃料进料器310穿过形成在锅炉的炉管壁302中的开口，仅用一个管作为代表示出该炉管壁302。或者，燃料进料器310可以穿过耐火(例如砖)炉壁或其他类型的锅炉壁。燃料进料器310包括斜槽320、一组气体分配喷嘴340和一组辅助喷嘴350。板360限定燃料进料器310的基部330。斜槽320具有顶端322和底端324，底端靠近燃料进料器的基部330(即板)。固体燃料遵循从顶端322到底端324的固体进料路径并进入锅炉。气体分配喷嘴340位于燃料进料器310的基部330处并且将气体引导到固体进料路径325中。气体通常是空气，但它也可以是富氧或贫氧气流。经由气体分配喷嘴340注入的气体用于将通过斜槽320进料的固体燃料分配在整个流化床304上。

辅助喷嘴350也存在，并将从流体材料处理系统(图2的)接收的流体引导到锅炉中。这里，辅助喷嘴350位于基部330下方，使得板360将辅助喷嘴350与气体分配喷嘴340分开。这降低了由气体分配喷嘴340喷射的气体对由辅助喷嘴350喷射的流体的分散的影响，并且例如可用于通过与来自气体分配喷嘴的气体相互作用来减少流体雾化的潜在影响。可以考虑，流体借助高压被迫使通过辅助喷嘴，使得流体作为连续流离开辅助喷嘴，该连续流被推进到流化床304。在美国专利第9,482,428号中描述了其它双相燃料进料器，该专利的全部内容以参见的方式纳入本文。作为另一替代方案，辅助喷嘴350可位于斜槽320上方，使得馈送到流化床中的任何固体(即木质素滤饼)不会接触流体。

如上所述，图2的流体材料处理系统可与任何可泵送的液体、溶液、浆料或乳液一起使用。然而，该系统特别考虑与源自纤维素生物燃料生产过程的废浆液一起使用。

在这方面，纤维素乙醇生物燃料生产过程通常比传统的淀粉(玉米)乙醇生产过程更能量密集。而且，来自纤维素乙醇生物燃料生产过程的废产物由于其化学性质而通常不能作为饲料或肥料再利用。这两个问题使得纤维素乙醇生物燃料废料流的使用作为产生能量的手段非常有吸引力并且可能是提高效率和降低纤维素乙醇生物燃料工厂的运行成本/生产成本的重要因素。

流化床锅炉可用于燃烧废产物，这些废产物为木质素滤饼和废浆液。当使用纤维素作为原料生产乙醇时，与淀粉基原料相比，产生了特有废料。纤维素废物含有纤维素工艺特有的用过的化学品、酶和微生物。通过设计，纤维素工艺将纤维素分解成可用的形式。纤维素的分解也增加了呈反应形式的元素的百分比。当燃料的元素呈反应形式时，它们在燃烧过程期间中可用于与其他元素相互作用。在这些元素中，反应钠(na)、钾(k)、磷(p)和硫(s)是最成问题的。这些反应元素不仅数量增加，而且还集中在废浆液中。图4示出了单独的滤饼和滤饼与废浆液混合物中存在的较大百分比的反应元素。条之间的大差异表明这些反应元素集中在浆液中。这些结果是使用化学分馏作为分析滤饼和废浆液废料的手段而显现出来的。意味着这两种废产物以其离开纤维素乙醇生产过程的形式使用。理想地，不需要额外的处理。再者，木质素滤饼的水分含量为约35％至约60％，并且通常由相对较大且更多固体块的纤维素、半纤维素和木质素组成(与浆液相比)。废浆液的水分含量为约30％至约50％。

锅炉可以是例如鼓泡流化床(bfb)、循环流化床(cfb)、机械加煤锅炉或其他流化床锅炉。该锅炉由薄膜壁式气密封壳组成。与耐火材料衬里的钢外壳相比，薄膜壁设计具有更低重量的优点，以获得相同的外壳温度。与耐火材料衬里的外壳设计相比，较轻的重量设计具有较低的资金成本。锅炉包括固体燃料进料器，相对固体的木质素滤饼可以通过该固体燃料进料器引入到锅炉中。固体燃料进料器可以是传统固相燃料进料器，或者可以是用于将固相木质素滤饼和液相废浆液两者均引入锅炉的双相燃料进料器。

具体地，废浆液应与木质素滤饼分开注入流化床中，而不应以悬浮物燃烧。废浆液理想地在流化床或自由空间(在膨胀流化床顶部与对流表面之间的容积)中燃烧。这是因为废浆液呈现相移，其中悬浮固体在经受高于250°f的温度并且水分被驱除时进入“塑性”相。浆液中的固体似乎通过大部分(如果不是全部)脱挥发分相保留在该塑性相中。该塑性相充分延迟燃烧过程，使得当塑料相颗粒以悬浮物燃烧时，有足够的时间附着在任何邻近的表面或床颗粒上，从而导致严重的结垢和结块。现场测试表明，将废浆液与大于10％的固体燃料(例如木质素滤饼)组合效果不佳。

图5是流化床锅炉400的示意图，其用于说明本公开的操作方法的一些方面。最初，锅炉包括流化床410。流化床被水冷壁417包围。示出了三个燃料进料器414，用于将燃料供给流化床。空气管道418提供用于使床材料流化的空气，并且底部料斗424用于移除床材料以用于各种目的。

流化床在约1200°f至约1500°f的温度下运行。烟道气路径用黑色箭头430示出。来自烟道气的热能经由过热器440、再热器442和节热器444捕获。烟道气接着经过空气预热器450。离开锅炉的烟道气可以作为流化床的流化介质进行再循环。如这里所示，经过空气预热器450的一些烟道气可以经由管线/管道452重新引导到空气管道418。烟道气再循环可用于控制流化强度和主区化学计量，同时保持流化床的目标温度。与空气相比，烟道气具有低得多的氧浓度，并且改变流化气体中烟道气/空气的比率允许床温度和表面床速度在更宽的范围内进行控制。必须将床温控制在所需范围内，以避免在燃烧高钠和高钾燃料时结块。当烧制纤维素乙醇副产物燃料时，在1500°f至1600°f的典型流化床温度下会发生严重结块。通过引入烟道气再循环，可以保持所需的流化气体速度以促进良好的混合和燃烧，同时优化总可用氧气以适度燃烧并将流化床温度降低至低于结块温度。完全燃烧所需的平衡空气通过辅助空气口454引入。

如上所述，流化床温度可以控制。流化强度(例如起泡床与循环床)也可以控制。这些参数有助于将由废浆液的塑性相形成的结块的速率和大小控制到可以用床材料回收系统连续去除的可接受水平。

废浆液使用图2的流体材料处理系统处理以获得所需形式(例如，较低粘度，含有添加剂等)。返回参照图5，废浆液接着作为液体流被注入流化床中而不需要雾化。根据被注入的浆液量，废浆液液体流可作为单股流或多股流被引导到流化床的平面区域。

通常，将液体燃料集中在一个或多个位置(而不是将液体燃料均匀地分布在整个床上)是不理想的，因为与床的其余部分相比，燃烧化学性质可能非常不同，并且因为床材料的结块可能产生。然而，对于来自纤维素乙醇生产的废浆液，在一个或多个离散位置的集中允许浆液转化为塑性相的特性被利用。废浆液的大部分问题化学性质(由于用过的化学品、酶、微生物副产物和反应元素)可以被限制在由离散位置中的塑性相形成的结块中，而不是分布在整个流化床上。结块接着可以在正常运行期间连续地除去(例如，经由图5中所示的料斗424)。理想地，流化床内碱性物质(na+k)和磷的总浓度应小于5重量％的na+k+p。在试验设施中证实了可接受的床排料率为10％，以控制结块形成的速率。在替代实施例中，商用床排料率的范围可以为约2.5％至约10％。床排料率是指每小时排出的流化床材料的总质量的百分比，流化床材料在图5中示出为410。

一种用于确定流化床内的结块开始的技术使用高速主区压差测量来进行。主区包括在如图5中的附图标记454所示的过火空气口下方的流化床锅炉的区域。穿过固体流化床(图5中的410)的压降用高速压力传感器或多个高速压力传感器来测量。分析所产生的信号以识别与压力波动的高斯分布的偏差。然后，床排料率可以调节以控制结块形成，同时使新鲜床材料的添加降低最少。

如果炉壁和加热表面温度保持在1000°f以下，则可获得能接受的结渣和结垢率。额外的吸收表面(诸如翼壁)可以集成到锅炉中，或者燃料的停留时间可以调节，以确保燃料的充分燃尽同时抑制结渣和结垢。

如果需要，添加剂可以在将废浆液引入锅炉之前与废浆液混合在一起。该混合可以在图2的平衡罐510中进行。添加剂会提高灰分的共晶温度，并降低浆液的结块倾向。然而，这会增加运行成本，并且必须与由于结块去除导致的床材料补充成本相权衡。

本公开已参照示例性实施例进行了描述。显然，在阅读和理解前述详细描述后会有各种改型和改变。意味着本公开诠释为包含迄今为止的所有修改和变型，只要这些修改和变型在所附权利要求及其等同物的范围内。