生物质处理方法和生物质处理装置与流程

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没有相关申请。

本发明涉及生物质处理方法和生物质处理装置，包括但不限于生物质致密成型和烘焙系统。

背景技术：

为了减少温室气体(ghg)排放，尤其是减少在燃煤发电厂和重工业(例如冶金工业)中的温室气体排放，可以通过在燃煤炉中共同燃烧生物质以生成可持续的能量来减少温室气体。然而，因为大多数燃煤发电厂是基于粉煤炉，生物质不能在未经预处理的情况下在燃煤发电厂中以较高的混合百分比进行共同燃烧(原因是生物质在其性质方面仍然具有纤维结构)，所以生物质不容易研磨和粉碎。在另一方面，生物质的能量值远低于煤，因此为了使用燃煤发电厂的相同的设备基础设施，生物质的预处理是用以增加能量密度以及可研磨性的强制性措施。另外，从木质基到草本基、到水生基的生物质的宽泛类型范围抑制了生物质的大规模标准化，因此生物质燃料的全球化市场的建立难以实现。为了实现不同的生物质输入、但仅有一个标准生物质输出的多输入单输出(miso)概念，生物质的致密成型和预处理是达到国家标准化和国际标准化所必须的。

烘焙是不完全的热解过程(图1)，其中，生物质在无氧或低氧的环境中进行热化学预处理。经过烘焙的生物质的最终产物是疏水性的，具有较高的能量密度并且易于研磨，更接近于匹配煤的性质，以使得经过烘焙的生物质在燃煤发电厂中的共同燃烧更容易，不需要对燃煤发电厂中现有的设备基础设施进行成本高昂的改造或添加。

在另一方面，经过烘焙的生物质不容易使用用作胶粘剂的驻留木质素而致密成型为颗粒或压块的形式，原因是所需的高烘焙温度会减小经过烘焙的生物质中的木质素浓度，并且进一步增加驻留木质素的玻璃态转化温度，从而使得常规的颗粒成型机(pelletpress)必须要在超过当前技术限制的较高温度下并且还要以较高的能耗进行操作。为了便于对经过烘焙的生物质进行致密成型处理，通常要加入外部粘结剂。不幸的是，外部粘结剂通常不是疏水性的，从而使得当水分含量高时，具有附加粘结剂的经过烘焙的颗粒或压块自身吸水并且解体，结果造成运输问题和储存问题，尤其是在雨季或者雪季。

在现有技术中，已知在烘焙过程能够开始之前，需要原料是完全干燥的。

美国专利us9347011教导一种烘焙系统，其具有两个独立的、采用不同处理技术的烘焙处理装置，其中，第一处理装置主要用于干燥未经致密成型的湿的生物质，而第二处理装置执行烘焙。第一处理装置是流化床反应器的类型，其具有的原料灵活性有限并且被优化以主要处理木质生物质例如锯屑。在另一方面，用于所述烘焙系统的原料必须是未经致密成型的生物质，原因是经过致密成型的呈颗粒或压块形式的生物质不适合用于流化床反应器。在烘焙之后进行的颗粒或压块形式的后续致密成型是耗能的，并且可能需要用到通常不是疏水性的附加粘结剂。

美国专利us9206368教导一种单一处理阶段的质量流烘焙反应器。这种常规反应器类型的缺点是“隧道效应(tunnelingeffect)”，尤其是当扩展到大型反应器以用于实现较大规模的生产能力时，其中来自反应器腔室底部的高温气体可能会找到通过生物质到达最近的气体排放出口的一些捷径，并且因此在反应器腔室内形成不同的高温区和低温区，导致经过烘焙的生物质的非均匀品质。在另一方面，用于单一处理阶段的温度、氧含量和驻留时间的烘焙参数控制不足以灵活处理与不同的性质和水分含量相关联的不同种类的生物质，因此miso概念几乎不可能实现。此外，用于所述烘焙系统的原料是“具有25％或更少的水分含量并且在最长维度上具有从约13mm至约-75mm的尺寸”的非均匀和未经致密成型的生物质，从而使得在烘焙之后进行的均匀颗粒或压块形式的致密成型是耗能的，并且可能需要用到通常不是疏水性的附加粘结剂。

因此，用本发明来改进现有技术中的烘焙系统是尚未满足的需求。

技术实现要素：

通过本文中公开的各个方面和实施例来满足上述需求。

本发明的目的之一是在进入烘焙阶段之前首先将生物质致密成型为均匀颗粒或压块的形式，其目的是如果在烘焙阶段之后进行颗粒成型和压块成型的致密成型阶段，则能够避免使用附加的用于致密成型的粘结剂。在另一方面，来自不同原料的经过致密成型的生物质具有共同的均匀尺寸，可以针对在两阶段紧凑式移动床反应器类型中的烘焙利用致密成型阶段和烘焙阶段中的每一阶段所用的相应受控烘焙参数来优化该均匀尺寸，以便实现miso概念。

本发明的另一目的是提供具有成本效益的烘焙方法和烘焙装置，其用于生产经济的、具有疏水特性的、经过烘焙的颗粒或压块而无需使用粘结剂，容易扩展到基于成本合理的设备以及适用于miso概念的可行性而利用连续烘焙方法进行商业化批量生产，并且无需对燃煤发电厂中的现有设备进行重大改造。

本发明的又一目的是对于导致非均质烘焙产物的紧凑式移动床烘焙反应器中的每个生物质颗粒或压块避免“隧道效应”和不同的驻留时间。本发明提供一种星形或蛛网形或环形的形式的高温空气分配系统，其使“隧道效应”最小化，由此高温空气在烘焙处理室内以相同的设定温度与所有的生物质均匀接触。在烘焙处理室的顶部处的刮器臂均匀地分配输入的生物质，并且在处理室的端部处的生物质排出装置均匀地调节经过烘焙的生物质的产量，以便对于自顶向下通过整个所述处理室的每个颗粒或压块保持驻留时间恒定。本发明的紧凑式移动床反应器的烘焙室进一步分为第一处理阶段(预烘焙阶段)和第二处理阶段(烘焙阶段)，以便与生物质的性质和水分含量相关联地应对各种不同的生物质，由此能够用本发明更容易地实现miso概念。

因此，本发明的第一方面涉及一种用于处理生物质的方法，所述方法包括致密成型阶段、第一处理阶段、第二处理阶段、以及冷却处理阶段。所述致密成型阶段包括将基本干燥和尺寸减小的生物质进给到连续或分批生物质处理系统，其中所述生物质包含一定的水分含量。在一个实施例中，包含在所述生物质中的所述水分含量在重量百分比为8％至12％的范围内。所述致密成型阶段还包括将所述生物质致密成型为颗粒或压块的形式。所述致密成型阶段另外还包括将经过致密成型的呈颗粒或压块形式的生物质排出到所述第一处理阶段。所述第一处理阶段包括将包含所述水分含量的所述经过致密成型的生物质加热到预烘焙温度并持续第一驻留时间。在一个实施例中，在所述第一处理阶段中使用的所述预烘焙温度在260℃至300℃的范围内。所述生物质还可以通过在所述第一处理阶段中的所述加热使所述水分从所述生物质蒸发而进一步干燥或完全干燥，以使得所述生物质在所述加热之后变成至少部分经过烘焙的生物质或经过预烘焙的生物质。然后将所述经过预烘焙的生物质从所述第一处理阶段排出到所述第二处理阶段。所述第二处理阶段包括将所述经过预烘焙的生物质加热到烘焙温度并持续第二驻留时间。在一个实施例中，在所述第二处理阶段中使用的所述烘焙温度在240℃至280℃的范围内。所述第二驻留时间可以等于或长于所述第一驻留时间。在一个实施例中，本发明的方法中的第一驻留时间和第二驻留时间所用的实际驻留时长取决于执行第一处理阶段和第二处理阶段的隔室的相应高度、以及在第二处理阶段中在烘焙之后的经过烘焙的生物质的输出速率。所述经过预烘焙的生物质在所述第二处理阶段中的所述加热之后变成经过烘焙的生物质，并且随后所述经过烘焙的生物质从所述第二处理阶段排出到所述冷却处理阶段。所述冷却处理阶段包括将所述经过烘焙的生物质冷却至低于100℃的温度。在一个实施例中，通过在所述冷却处理阶段中的所述冷却将所述经过烘焙的生物质冷却到约室温。在另一实施例中，通过使所述经过烘焙的生物质与冷却剂气体直接接触而执行在所述冷却处理阶段中的所述冷却。在其它实施例中，通过使所述经过烘焙的生物质与水直接接触而执行在所述冷却处理阶段中的所述冷却。在示例性实施例中，本方法的所述第一处理阶段和第二处理阶段在相同的烘焙装置中执行，这不同于在两个独立装置中执行的常规方法。分别向所述第一处理阶段和第二处理阶段提供第一高温气体和第二高温气体以用于达到所述第一处理温度和第二处理温度。在一个实施例中，所述第一高温气体通过至少一个第一高温气体入口至少提供给所述第一处理阶段，并且剩余的所述第一高温气体通过至少一个第一高温气体出口至少从所述第一处理阶段排出。在另一实施例中，所述第二高温气体通过至少一个第二高温气体入口至少提供给所述第二处理阶段，并且剩余的所述第二高温气体通过至少一个第二高温气体出口至少从所述第二处理阶段排出。所述第二高温气体在所述第二高温气体入口处具有的温度等于或低于所述第一高温气体在所述第一高温气体入口处具有的温度。所述第一高温气体和/或第二高温气体可以包括氧。在一个实施例中，所述第一高温气体与进给到所述第一处理阶段中的所述经过致密成型的生物质直接接触，其中所述第一高温气体包括体积百分比等于或小于10％的氧。在另一实施例中，所述第二高温气体与进给到所述第二处理阶段中的所述经过预烘焙的生物质直接接触，其中所述第二高温气体包括体积百分比等于或小于3％的氧。在所述第一处理阶段和/或第二处理阶段之后包含挥发性可燃气体的所述第一高温气体的剩余部分和/或所述第二高温气体的剩余部分可以再循环。在一个实施例中，在所述第一处理阶段之后通过所述第一高温气体出口排出的所述第一高温气体的所述剩余部分再循环到燃烧器以用于生成烟道气，所述烟道气用于经由一个或多个热交换装置加热随后要通过所述第一高温气体入口提供给所述第一处理阶段的第一高温气体。在另一实施例中，在所述第二处理阶段之后通过所述第二高温气体出口排出的所述第二高温气体的所述剩余部分再循环到燃烧器以用于生成烟道气，所述烟道气用于经由一个或多个热交换装置加热随后要通过所述第二高温气体入口提供给所述第二处理阶段的第二高温气体。用于经由一个或多个热交换装置分别加热第一高温气体和第二高温气体的所述烟道气所用的所述燃烧器可以是相同的或不同的。可选地，例如在所述致密成型阶段之前，离开热交换装置的烟道气也可以将热提供给其它阶段，来自热交换步骤的烟道气热可以用于在引入到颗粒成型和压块成型的致密成型步骤之前将生物质的水分含量减小到重量百分比为8％至12％的范围内。通过经由所述一个或多个热交换装置将所述第一高温气体和/或第二高温气体的剩余部分再循环到所述燃烧器，本发明的方法在将初始的第一高温气体和第二高温气体提供给第一处理阶段和第二处理阶段之后可以是自持续(self-sustained)的。

本发明的第一方面中的所述方法还包括经由控制系统进行监测和控制步骤以确保所有关键参数满足预定烘焙条件，所述控制系统用于监测和/或控制以下参数中的一个或多个：在所述方法的不同阶段的生物质中的实际水分含量、用于第一处理阶段和第二处理阶段的隔室中的高温气体的实际氧含量、腔室的实际温度、和/或第一驻留时间和第二驻留时间所用的实际时长。本发明的第一方面中的所述方法的所述监测和控制步骤可以由具有传感器和控制装置的系统执行。

根据本发明的第一方面的实施例，用于执行所述方法的连续或分批生物质处理系统是紧凑式移动床反应器。

在本发明的第二方面中，提供一种包括处理室的连续或分批生物质处理装置。在示例性实施例中，所述处理室是紧凑式移动床反应器的类型。所述处理室优选地包括双壁壳体，并且优选地是限定了基本竖直轴线的环形的形式。所述处理室包括第一处理隔室和第二处理隔室。所述处理室还包括：布置在所述处理室的顶部处的至少一个气体密封阀入口，其用于将基本干燥和经过致密成型的生物质供应到所述处理室中；生物质分配装置；布置在所述处理室的底部处的生物质排出装置，其用于均匀地排出呈颗粒形式的经过烘焙的生物质；作为经过烘焙的生物质的最终出口的至少一个气体密封阀出口；至少一个第一高温气体入口和至少一个第一高温气体出口，它们分别用于将第一高温气体提供给处理室的第一处理隔室以及从处理室的第一处理隔室排出第一高温气体的剩余部分以便再循环；至少一个第二高温气体入口和至少一个第二高温气体出口，它们分别用于将第二高温气体提供给处理室的第二处理隔室以及从处理室的第二处理隔室排出第二高温气体的剩余部分以便再循环；双壁壳体的外壁和内穿孔壁，其中在所述外壁和内穿孔壁之间限定内周边间隙；高温气体分配系统，其包括布置为星形或蛛网形或环形的形式的、多个穿孔双分离板；布置在处理室的中部的至少一个穿孔管道。在一个实施例中，所述内穿孔壁、由穿孔双分离板构成的所述高温气体分配系统和所述至少一个穿孔管道沿着竖直轴线从处理室的底部向顶部升高。在优选实施例中，第一高温气体入口安装在处理室的第一处理隔室的顶部处。第一高温气体通过第一高温气体入口提供，然后沿着双壁壳体的内周边间隙和布置为星形或蛛网形或环形的形式的内穿孔双分离板的间隙推送，以便将进给到处理室的第一处理隔室中的所有生物质均匀地加热到预定温度并持续第一驻留时间。此后，在第一处理阶段之后的第一高温气体的剩余部分通过在处理室的中部的穿孔管道回收并且由至少一个第一高温气体出口排出。优选地，至少一个第一高温气体出口安装在第一处理隔室的底部处，以用于回收第一高温气体的剩余部分以便将来自第一高温气体的剩余部分的热经由热交换装置再循环送回到第一处理隔室。在优选实施例中，第二高温气体入口安装在处理室的第二处理隔室的底部处。第二高温气体通过第二高温气体入口提供，然后沿着双壁壳体的内周边间隙和布置为星形或蛛网形或环形的形式的内穿孔双分离板的间隙推送，以便将进给到处理室的第二处理隔室中的所有生物质均匀地加热到预定温度并持续第二驻留时间。此后，在第二处理阶段之后的第二高温气体的剩余部分通过在第二处理隔室的中部的穿孔管道回收并且由至少一个第二高温气体出口排出。优选地，至少一个第二高温气体出口安装在第二处理隔室的顶部处，以用于回收第二高温气体的剩余部分以便将来自第二高温气体的剩余部分的热经由热交换装置再循环送回到第二处理隔室。另外，处理室可以包括控制系统，所述控制系统用于根据处理室的每个部分/部段/隔室中的预定条件来监测和控制不同的参数。

根据本发明的第二方面的实施例，所述生物质分配装置包括安装在由马达驱动的旋转刮器轮中的至少一个旋转刮器臂，以用于在经由所述气体密封阀入口排出到第一处理隔室中之前均匀地分配经过致密成型的生物质。

根据本发明的第二方面的实施例，所述生物质排出装置包括由至少一个旋转马达驱动的两个同轴旋转盘，其中每一个所述同轴旋转盘都具有交替布置的星形的多个开口和多个型块；所述两个同轴旋转盘在相同或彼此相反的方向上、并且以相同或不同的速度旋转，以便根据受控的输出速率从第二处理隔室均匀地排出经过烘焙的生物质。

根据本发明的第二方面的实施例，双壁壳体的间隙和所述第一处理隔室的穿孔双分离板的间隙以及双壁壳体的间隙和所述第二处理隔室的穿孔双分离板的间隙由非穿孔隔板分离以避免在第一处理隔室和第二处理隔室之间或者在第一处理阶段和第二处理阶段之间的任何气体或温度冲突，同时经过预烘焙的生物质从第一处理隔室移动到第二处理隔室而没有任何阻塞。

根据本发明的第二方面的实施例，布置为星形或蛛网形的形式的所述穿孔双分离板包括至少一个第一端部，所述至少一个第一端部连接到布置在所述处理室的中部的所述穿孔管道。

根据本发明的第二方面的另一实施例，布置为星形或蛛网形的形式的所述穿孔双分离板包括至少一个第二端部，所述至少一个第二端部连接到所述处理室的所述内穿孔壁。

根据本发明的第二方面的实施例，每一个所述穿孔双分离板将所述处理室分成至少两个竖直部段。

根据本发明的第一方面或第二方面的实施例，在所述第一处理阶段或者在所述第一处理隔室中进行处理之后，经过预烘焙的生物质借助于重力排出到所述第二处理阶段或所述第二处理隔室中。

根据本发明的第二方面的实施例，来自所述第一高温气体入口的所述第一高温气体包括体积百分比等于或小于10％的氧。

根据本发明的第二方面的实施例，来自所述第二高温气体入口的所述第二高温气体包括体积百分比等于或小于3％的氧。

根据本发明的第二方面的实施例，所述第一处理隔室中的所述预定温度在260℃至300℃的范围内。

根据本发明的第二方面的实施例，所述第二处理隔室中的所述预定温度在240℃至280℃的范围内。

根据本发明的第二方面的实施例，所述第二高温气体的温度保持为等于或低于所述第一高温气体的温度。

根据本发明的第二方面的实施例，所述第二处理隔室的高度等于或高于所述第一处理隔室的高度。

根据本发明的第一方面或第二方面的实施例，第一处理阶段和第二处理阶段或者分别在第一处理隔室和第二处理隔室中对生物质进行处理所用的所述第一驻留时间和第二驻留时间的持续时长取决于第一处理隔室和第二处理隔室的高度和/或取决于所述生物质排出装置的受控输出速率。

根据本发明的第一方面或第二方面的实施例，所述控制系统包括传感器和控制装置，所述传感器和控制装置用于实时监测和控制水分含量、氧含量、温度和驻留时间以确保所有参数都符合每一个阶段或每一个隔室中的预定条件。

本发明包括在说明书中单独地或集中地提及或指明的所有的步骤和特征、以及任意和全部的组合或者这些步骤或特征中的任意的两个或更多个。本发明还包括如本文中所述的所有的这些修改和变型。

通过阅读随后的说明内容，本发明的其它方面和优点对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

将在下面的具体实施方式中部分地阐述本发明和方法的各种示例和特征。该发明内容部分旨在提供本发明的概述，并且不旨在提供排他性或穷举性的阐释。本文包括以下的具体实施方式以提供关于本公开和方法的更多信息。

附图说明

结合附图，根据本发明的以下描述，本发明的上述和其它的目的和特征将变得显而易见，在附图中：

图1是示出了在木质生物质的热解过程的不同阶段所需的能量密度与时间和温度之间的一般关系的曲线图；

图2a是示出了根据本发明的实施例给出的方法中的致密成型阶段和烘焙阶段的流程图；

图2b是示出了根据本发明的另一实施例给出的具有附加控制和监测步骤的方法中的致密成型阶段和烘焙阶段的另一流程图；

图3是示出了根据本发明的实施例给出的装置中的结构和不同材料的流动的示意图，其中不同材料的流动方向由箭头表示；

图4是根据本发明的实施例给出的装置中的生物质分配装置的从气体密封阀入口观察的俯视图；

图5a是根据本发明的实施例给出的装置中的生物质排出装置的透视图；

图5b是示出了根据本发明的实施例给出的装置中的生物质排出装置的两个同轴盘的结构的示意图，其中阴影部分表示型块，而非阴影部分表示每个盘的开口；

图6a是穿孔双分离板的横截面图(图3中的截面a-a'或截面b-b')，示出了在本发明的装置中或者在本发明的方法中使用的一种星形高温气体分配系统；

图6b是穿孔双分离板的透视图，示出了在本发明的装置中或者在本发明的方法中使用的一种星形高温气体分配系统；

图7a是穿孔双分离板的横截面图(图3中的截面a-a'或截面b-b')，示出了在本发明的装置中或者在本发明的方法中使用的一种蛛网形高温气体分配系统；

图7b是穿孔双分离板的横截面图(图3中的截面a-a'或截面b-b')，示出了在本发明的装置中或者在本发明的方法中使用的另一种蛛网形高温气体分配系统；

图8是穿孔双分离板的横截面图(图3中的截面a-a'或截面b-b')，示出了在本发明的装置中或者在本发明的方法中使用的一种环形高温气体分配系统；

图9是示出了根据本发明的实施例的内穿孔双分离板的穿孔的结构的示意图。

具体实施方式

定义

如本文中所述，术语“一”或“一个”用于包括一个或一个以上，术语“或”用于表示非排他性的“或”，除非另有说明。另外，应当理解本文中所使用的并且未另外定义的短语或术语仅仅用于描述而并不是限制性的。此外，本文中引用的所有公开文献、专利和专利文献通过全文引用而并入本文，就像通过引用而单独地并入一样。在本文与通过引用并入的那些文献之间的用法不一致的情况下，在所并入的文献中的用法应当被认为是对本文的补充；对于不相容的矛盾之处，应以本文中的用法为准。

术语“约”可以允许数值或者范围的一定程度的变化性，例如在所述数值或所述范围的极限的10％以内或者5％以内。

术语“独立地选自”是指引用相同的群组、不同的群组、或其组合，除非上下文另有清楚说明。因此，在该定义下，例如短语“x1、x2和x3独立地选自惰性气体”应当包括下列情形：x1、x2和x3全部相同，x1、x2和x3各不相同，x1和x2相同但是x3不同，以及其它类似的排列组合。

在说明书中提及“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等表示所述的实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但是不必每一个实施例都包括所述特定的特征、结构或特性。而且，这样的短语不一定指代相同的实施例。此外，当结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，无论是否明确地描述，都认为能够在本领域技术人员的知识范围内结合其它的实施例实现这样的特征、结构或特性。

以范围格式表达的数值应当以灵活的方式解释为不仅包括作为范围的极限而明确表述的数值，而且包括在该范围内所包含的所有单独的数值或子范围，就像每个数值和子范围都被明确地表述一样。例如，“约0.1％至约5％”的浓度范围应当解释为不仅包括明确表述的重量百分比为约0.1％至约5％的浓度，而且包括在该指明范围内的单独的浓度(例如，1％，2％，3％以及4％)和子范围(例如，0.1％至0.5％，1.1％至2.2％以及3.3％至4.4％)。

在整个说明书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”或其变型例如“包含”或“由…构成”应被理解为表达包括所述个体或者个体的群组在内，但不排除任何其它的个体或者个体的群组。还应当注意，在本公开中，特别是在权利要求和/或各段落中，诸如“包括”、“包含”或“由…构成”等这样的术语可以具有美国专利法所赋予的含义；例如，它们可以表示“包括”、“被包括在内”等；并且诸如“基本上由…构成”和“基本上由…组成”这样的术语具有美国专利法所赋予的含义，例如，它们允许未明确表述的要素，但是排除在现有技术中已发现的要素或者影响本发明的基本特性或新颖特性的要素。

此外，在整个本说明书和权利要求书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”或其变型例如“包含”或“由…构成”应被理解为表达包括所述个体或者个体的群组在内，但不排除任何其它的个体或者个体的群组。

在本文中所述的生物质处理方法中，各项步骤能够按照任意顺序执行且不脱离本发明的原理，在时间或操作顺序被明确表述时除外。权利要求中的关于首先执行第一步骤并且随后相继执行若干其它步骤的表述应当被视为表示第一步骤在任何其它步骤之前执行，但是其它步骤可以按照任意合适的顺序执行，除非在其它步骤中对于顺序有进一步的表述。例如，表述“步骤a，步骤b，步骤c，步骤d，和步骤e”的权利要求要素应当被解读为首先执行步骤a，最后执行步骤e，并且步骤b、c和d可以在步骤a和e之间按照任意顺序执行，并且这样的顺序仍然落在要求保护的方法的语义范围内。也可以重复给定的步骤或步骤的子集。

此外，可以同时执行指定的步骤，除非权利要求的用语明确表述要独立地执行这些步骤。例如，执行x的权利要求步骤和执行y的权利要求步骤可以在单个操作内同时进行，并且所得到的方法应当落在要求保护的方法的语义范围内。

术语“生物质”应理解为表示任何有机材料，优选地表示任何植物或者基于植物的有机材料，包括但不限于木质生物质(例如，锯屑、森林残余物等)；草本生物质(例如，玉米秸秆和残余物、甘蔗渣、甘蔗残余物等)；果实生物质；水生生物质；共混物和混合物。

本文使用的选定术语的其它定义可以在本发明的详细描述中找到并且全文适用。除非另外限定，否则本文使用的所有其它的技术术语具有与本发明所属领域的普通技术人员的通常理解相同的含义。

本发明的详细描述

在以下描述中，阐述优选实施例。对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离本发明的范围和精神的前提下，可以进行包括添加和/或替换在内的修改。可以省略具体细节以免掩盖本发明；然而，写出的公开内容是为了使本领域技术人员能够实践本文中的教导而无需过度的实验。

给出以下示例以作为本发明的示例性实施例，但是不应理解为将本发明限制到所阐述的具体实施例。除非相反地指明，否则所有的份额和百分比都是以重量计。所有数值都是近似值。当给出数值范围时，应当理解为在所述范围之外的实施例仍然可以落入本发明的范围内。在每个示例中描述的具体细节不应被解读为本发明的必要特征。

示例

图2a示出了用连续或分批生物质处理系统处理生物质的方法，所述方法包括致密成型阶段(500)、第一处理阶段(800)和第二处理阶段(900)、以及冷却处理阶段(600)。在图2b中，除了图2a所示的阶段之外，还向方法中加入了具有传感器和控制装置的附加控制系统(300)以用于实时监测和控制实际水分含量、实际氧含量、实际温度、气体的流速和驻留时间等，从而确保所有参数符合预定的致密成型和烘焙条件，并且所述方法包括：将基本干燥和尺寸减小的、包含一定的水分含量(优选地重量百分比在8％至12％之间)的生物质(10)进给到致密成型阶段(500)中以生成颗粒或压块形式的经过致密成型的生物质；将经过致密成型的生物质从致密成型阶段(500)排出到第一处理阶段(800)，所述第一处理阶段包括将包含水分的经过致密成型的生物质加热到预烘焙温度(优选地在260℃至300℃的范围内)并持续第一驻留时间，其中，通过在第一处理阶段(800)中蒸发水分而基本上完全干燥包含水分的经过致密成型的生物质，并且在所述第一处理阶段(800)之后至少部分地烘焙经过致密成型的生物质以形成经过预烘焙的生物质。此后，将经过预烘焙的生物质从第一处理阶段(800)排出到第二处理阶段(900)，所述第二处理阶段包括以优选地在240℃至280℃的范围内的温度加热供应到第二处理阶段(900)的经过预烘焙的生物质并持续第二驻留时间，以便形成经过烘焙的生物质(20)；经由生物质排出装置(70)和气体密封阀出口(25)将经过烘焙的生物质(20)从第二处理阶段(900)排出到冷却处理阶段(600)。还设有由热交换装置使用来自燃烧器的烟道气(12)而执行的热交换步骤(700)，以用于加热经历第一处理阶段和第二处理阶段之后回收的高温气体的一部分，以便将这些回收的高温气体重新引入到第一处理阶段和第二处理阶段中。离开热交换装置的烟道气(12)也能够例如在所述致密成型阶段(500)之前向其它阶段(701)供热，来自热交换步骤(700)的烟道气热可以用于在将生物质引至颗粒成型或压块成型的致密成型步骤之前将生物质的水分含量减小到重量百分比为8％至12％的范围内。

优选地，本方法的第一处理阶段(800)和第二处理阶段(900)在相同的处理室中执行。相对于任何常规方法而言，根据本方法在相同的处理室中执行第一处理阶段和第二处理阶段能够在使用相同的时间量和温度的同时减少生物质的烘焙所需的能量。根据本方法可以使用与常规方法相同用量的能量，同时能够降低用于生物质的烘焙的时时间量和温度。总之，与常规方法相比，本方法至少能够节省用于生物质的烘焙的能量、时间和温度，从而导致成本降低。

在本方法的第一处理阶段(800)和第二处理阶段(900)期间，相应的连续或分批生物质处理系统或生物质处理装置包括至少一个第一高温气体入口(110)和至少一个第一高温气体出口(111)；以及至少一个第二高温气体入口(220)和至少一个第二高温气体出口(222)，如图3所示，以用于相应的第一高温气体和第二高温气体流入和流出装置的相应处理隔室。

在图3中，来自执行第一处理阶段的第一处理隔室中的第一高温气体入口(110)的第一高温气体(11)与经由气体密封阀入口(15)来自致密成型阶段的基本干燥和经过致密成型的生物质直接接触，其中所述第一高温气体包括体积百分比等于或小于10％的氧。来自执行第二处理阶段的第二处理隔室中的第二高温气体入口(220)的第二高温气体(22)与来自第一处理阶段的经过预烘焙的生物质直接接触，其中所述第二高温气体包括体积百分比等于或小于3％的氧。

离开第一处理隔室的第一高温气体出口(111)的、包含挥发性可燃气体的第一高温气体(11)的至少一部分(11a)再循环到燃烧器(400)以用于生成烟道气(12)，这些烟道气经由热交换装置加热回收的第一高温气体(11)中的要重新引入到第一处理隔室中的一部分。类似地，离开第二处理隔室的第二高温气体出口(222)的包含挥发性可燃气体的第二高温气体(22)的至少一部分(22a)再循环到燃烧器(400)以用于生成烟道气(12)，这些烟道气用于经由热交换装置加热回收的第二高温气体(22)中的要重新引入到第二处理隔室中的一部分。

由于第一处理阶段用于完全干燥除去经过致密成型的生物质(10)中的所有剩余水分，因此生物质在第一处理阶段中的第一驻留时间等于或短于在第二处理阶段中执行实际烘焙所用的第二驻留时间。

为了在第一处理阶段中快速干燥除去相对较低温的经过致密成型的生物质(10)中的剩余水分，第一处理阶段中在第一高温气体入口(110)处的第一高温气体(11)的温度被设定为等于或高于第一处理阶段中在第二高温气体入口(220)处的第二高温气体(22)的温度。在第一高温气体入口处的第一高温气体的温度以及在第二高温气体入口处的第二高温气体的温度可以分别由控制和监测装置(图2b中的300)监测和控制。

然后，在冷却处理阶段(600)将离开第二处理阶段的经过烘焙的生物质冷却到低于100℃，优选地冷却到约为室温(例如25℃)的温度，原因在于经过烘焙的高温颗粒或压块是反应性的。通过使经过烘焙的生物质与冷却剂气体直接接触或者通过使经过烘焙的生物质与水直接接触而执行冷却处理阶段。

图3提供了用于根据本发明的方法处理生物质的连续或分批紧凑式移动床反应器类型的装置。所述装置包括具有双壁壳体的处理室，并且优选地为环形的形式，其限定基本竖直的轴线。在双壁壳体的外壁和内壁之间限定内周边间隙。所述处理室包括：经由至少一个气体密封阀入口(15)来自处理室的顶部的生物质(10)的供给；至少一个生物质分配装置(40)；用于在处理室的底部处均匀地排出经过烘焙的生物质颗粒的生物质排出装置(70)；经由至少一个气体密封阀出口(25)的至少一个经过烘焙的生物质的最终出口；用于第一处理阶段的至少一个第一高温气体入口(110)和至少一个第一高温气体出口(111)；用于第二处理阶段的至少一个第二高温气体入口(220)和至少一个第二高温气体出口(222)；处理室的双壁壳体的内穿孔壁(60)；高温气体分配系统，其包括在处理室中布置成星形或蛛网形或环形的形式的多个穿孔双分离板(62)，布置在处理室的中部的至少一个穿孔管道(91、92)，其中内穿孔壁(60)、穿孔双分离板(62)和穿孔管道(91、92)沿着竖直轴线从处理室的底部向顶部升高，并且其中第一高温气体(11)供给到优选安装在第一处理隔室的顶部的至少一个第一高温气体入口(110)，沿着双壁壳体的内周边间隙和布置成星形或蛛网形或环形的形式的穿孔双分离板(62)的间隙推送以均匀地加热第一处理隔室中所有的经过致密成型的生物质(10)，并且最终通过布置在处理室的中部的穿孔管道(91)回收，并且由优选安装在第一处理隔室的底部的至少一个第一高温气体出口(111)排出。类似地，第二高温气体(22)供给到优选安装在第二处理隔室的底部的至少一个第二高温气体入口(220)，沿着双壁壳体的内周边间隙和布置成星形或蛛网形或环形的形式的穿孔双分离板(62)的间隙推送以均匀地加热第二处理隔室中所有的经过预烘焙的生物质，并且最终通过布置在处理室的中部的穿孔管道(92)回收，并且由优选安装在第二处理隔室的顶部的至少一个第二高温气体出口(222)排出。

根据生产规模，可以进一步将优选呈环形的多个双壁结构引入处理室中。在较大生产规模的情况下，在处理室的双壁壳体内部，可以引入呈环形的附加双壁结构，其包括外壁和内壁(任意的一个壁或者两个壁可以穿孔)，限定用于其它高温气体入口的内间隙以沿着呈环形的所述附加双壁结构的内间隙引导高温气体，并且随后经过所述双壁结构的外内穿孔壁引导到第一处理隔室和第二处理隔室中的任何一个。换句话说，通过将双壁结构加入到处理室中即可容易地扩展本装置。引入所述双壁结构的优点之一是，当生产规模增加时，即使所处理的生物质的体积增加，也能够在处理室中有效地且均匀地分配高温气体。通过在本发明的处理室内部引入附加双壁结构而进行扩展的成本相对低于改造任何常规烘焙反应器以应对生产规模增加的成本，原因是常规烘焙反应器在改造期间通常会受限于其形状和设计。在扩展的情况下，本装置优于常规烘焙反应器的另一优点是，即使引入了用于将更多高温气体引导到处理室中的多个双壁结构，也仅需要将至少一个穿孔管道布置在处理室的沿其竖直轴线的中部以用于将高温气体的剩余部分引出处理室，这表明基于本装置的设计的改造成本能够显著降低。而且，在效率方面，在扩展的情况下借助于引入该类型的双壁结构即可在处理室内部更均匀地分配高温气体，这表明本装置更节能、耗时更少并且在处理生物质时能够保持均质的产品质量。

图4示出了生物质分配装置的一个实施例，其具有安装在由马达(30)驱动的旋转刮器轮(40)上的至少一个旋转刮器臂(42)，以均匀地分配来自气体密封阀入口(15)的生物质。

为了在第一处理隔室的双壁壳体和第二处理隔室的双壁壳体之间分离第一高温气体(11)和第二高温气体(22)，设置非穿孔气体隔板(65)。

为了构造的稳定性，穿孔双分离板(62)布置成星形或蛛网形的形式，穿孔双分离板的至少一个第一端部连接到处于处理室的中部的穿孔管道(91、92)。

为了构造的稳定性，穿孔双分离板(62)布置成星形或蛛网形的形式，穿孔双分离板的至少一个第二端部连接到处理室的内穿孔壁(60)。

图6a、图6b、图7a、图7b和图8分别示出了星形、蛛网形或环形的高温气体分配处理室，其中穿孔双分离板(62)布置成将处理室分为至少两个基本竖直部段。如图6a和图6b所示，呈星形的穿孔双分离板(62)将处理室(包括第一处理隔室和第二处理隔室)分成八个竖直部段，这些竖直部段围绕沿着竖直轴线布置在处理室的中部的穿孔管道(91、92)。如图7a所示，呈蛛网形的穿孔双分离板(62)将处理室分成十六个竖直部段；而在图7b中，另一呈蛛网形的穿孔分离板(62)将处理室分成八个竖直部段。在图8中，穿孔双分离板(62)将处理室分成两个竖直部段，其中一个竖直部段被另一个竖直部段围绕。

生物质(10)借助于重力从第一处理阶段移动到第二处理阶段以便取消其间的任何机械或气动部件，由此节省维护、能量、时间和成本。当经过预烘焙的生物质在本装置的处理室中从第一处理隔室移动到第二处理隔室时，其通过穿孔双分离板的竖直空间。为了避免在通过期间由生物质阻塞穿孔双分离板(62)的任何穿孔，穿孔设计成仅允许高温气体(11、22)流过而生物质(10)不能流过。在图9中示出了具有该类型穿孔的穿孔双分离板的一个实施例。实线箭头表示高温气体的流动，并且无阴影箭头表示生物质在处理室内部从第一处理隔室移动到第二处理隔室的方向。在图9所示的实施例中，穿孔(93)配置成仅允许气体流入或流出穿孔双分离板的间隙，而不允许生物质或其它固体通过所述穿孔。为了具有这样的配置，通过开通穿孔双分离板的壁的一部分以使得穿孔基本能透过气体但是不能透过生物质或其它固体，即可形成帽状结构，其类似于从穿孔双分离板的壁延伸的略微弯曲的突起(93a)。而且，在该实施例中通过开通穿孔双分离板的壁而形成的略微弯曲的突起可以在一个方向上突出，以使得只能透过气体的孔隙状开口(93b)面向从第一处理隔室到第二处理隔室的生物质运动不受突起(93a)阻挡的方向，进一步减小生物质通过穿孔双分离板的穿孔(93a)的几率。所述穿孔优选地通过对形成穿孔双分离板的所述壁的金属材料片材进行冲压和打孔而制成。该类型的穿孔也可以应用于本发明的需要穿孔以允许高温气体流入和/或流出处理室的其它部分，例如穿孔管道或者内穿孔壁。

对于用于快速干燥除去生物质(10)中的剩余水分的预烘焙的第一处理阶段，即使与温度为260-300℃的第一高温气体(11)直接接触，第一高温气体(11)也能够耐受氧体积百分比至多为10％的氧浓度而不会自启动生物质的内部燃烧。相反地，当完全干燥的生物质进入第二处理阶段时，为了避免因与温度为240-280℃的第二高温气体(22)直接接触而引起生物质的自燃，氧浓度需要保持在至多为3％的氧体积百分比。第二处理阶段的温度设定成等于或低于第一处理阶段的温度，以便更好地控制经过烘焙的生物质的质量和能量平衡以及避免碳化的发生。

为了实现以自热模式节省外部燃料的烘焙方法的节能，离开第一处理阶段的包含挥发性可燃气体的第一高温气体(11)的至少一部分再循环到燃烧器(400)以用于生成烟道气(12)，这些烟道气用于经由热交换装置加热要重新引入到执行第一处理阶段的第一处理隔室中的第一高温气体(11)，并且离开第二处理阶段的包含挥发性可燃气体的第二高温气体(22)的至少一部分再循环到燃烧器(400)以用于生成烟道气(12)，这些烟道气用于经由热交换装置加热要重新引入到执行第二处理阶段的第二处理隔室中的第二高温气体(22)。对于分别用于加热第一高温气体和第二高温气体的所述烟道气而言，所述一个或多个热交换装置可以是相同的或不同的。以该方式，不需要附加的外部燃料来连续地加热用于所述第一处理阶段和第二处理阶段或者所述第一处理隔室和第二处理隔室的第一高温气体和第二高温气体，从而提供用于处理生物质的自持续的方法或装置。

由于生物质(10)从气体密封阀入口(15)到气体密封阀出口(25)的自顶向下的转移是通过重力进行，因此生物质在处理室中的驻留时间与处理室的相应处理隔室的高度成比例。仅主要用于完全干燥除去经过致密成型的生物质中的水分的第一处理阶段可以在等于或短于第二处理阶段中的烘焙处理的驻留时间的驻留时间内执行，因此，执行第一处理阶段的第一处理隔室的高度等于或短于执行第二处理阶段的第二处理隔室的高度。

为了给通过第一处理阶段和第二处理阶段的每个颗粒或压块提供均匀的驻留时间，应当采用特别设计的生物质排出装置(70)。图5a和图5b示出了生物质排出装置的一个实施例，其包括由至少一个旋转马达(80)驱动的两个同轴旋转盘(71和72)，其中每个盘具有交替布置的星形的多个开口(711或722)和多个型块(710或720)，并且其中两个盘在相同或彼此相反的方向上旋转和/或以相同或不同的速度旋转，以便根据受控的输出速率从第二处理室均匀地排出所有的经过烘焙的生物质。

为了有效地控制和监测整个致密成型和烘焙系统，安装具有传感器和控制装置的控制系统(300)以用于监测和控制处理室中的实际水分含量、实际氧含量和实际温度，从而确保所有参数都符合预定的烘焙条件。

尽管已经参照有限数量的实施例描述了本发明，但是一个实施例的具体特征不应当必然归属于本发明的其它实施例。在一些实施例中的方法可以包括本文中未提及的许多步骤。在另一些实施例中的方法不包括或者基本上没有本文中未列举的任何步骤。存在源自所述实施例的多种修改和变型。所附的权利要求旨在涵盖落入本发明的范围内的所有这些修改和变型。

工业实用性

通过在烘焙阶段之前首先执行均质颗粒或压块形式的致密成型阶段以符合miso原理，本发明的方法在处理生物质和其它等同的固体废料(特别是木质/农业生物质/固体废料)方面是有效的和能量高效的，因此本发明的方法消除了与经过烘焙的生物质的后致密成型(包括但不限于使用粘结剂)相关联的大多数问题。另外，本发明的装置不仅用于实施本发明的方法，而且也适用于其它的处理方法例如需要输入物料的均匀分配、需要具有再循环高温气体的连续供给的处理室的实时控制和监测、和/或需要最终产品的均匀排出的方法。本发明的装置也适用于处理诸如咖啡豆或者其它农业/非农业材料这样的物料，这些物料需要对热和热化学处理方法所用的氧、温度、驻留时间和均质性进行实时控制。