降低生物质预处理期间的能耗的方法与流程

本发明涉及一种降低生物质预处理期间的能耗的方法。

背景技术：

许多有机生物质必须经历复杂的预处理方法以能够充分利用其组分。常规的生物质预处理方法包括使用蒸汽来分解有机材料的结构。极常用于例如木质纤维素生物质的一种有效的预处理方法是蒸汽爆破。在这种类型的预处理中，在启动自发膨胀以分解纤维前，需要大量的蒸汽来将生物质加压到某一超压。因此，高能量成本使得许多预处理方法对于工业规模应用而言无利可图。

例如，这种方法已知于chiaramontid.等的木质纤维素乙醇生产的预处理方法的综述和创新方法的开发。biomassandbioenergy，2012，46：25-35。

技术实现要素：

目前，本发明的发明人惊奇地发现，通过优化过程中的原料加工，在这种预处理方法期间的蒸汽消耗可以被最小化。

因此，本发明的发明人提供了一种降低生物质预处理期间的能耗的方法，其特征在于，原料加工参数fpp选自

由此按如下测定原料加工参数：

由此通过使包含加压生物质的反应器的出口区域适应于生物质的特定预处理抗性参数来进行原料加工的优化。预处理抗性取决于木质素和木糖含量以及水分含量和相应生物质的传质速率。

“原料加工参数”fpp也可以称为“生物质加工参数”或“生物质转变参数”。所有三个术语被认为可同义使用。由此按以下测定预处理抗性参数prp：

因此，本发明的发明人惊奇地发现，某种原料的预处理抗性取决于木质素含量与木糖含量、水分含量和传质速率的特定比例。通常由相应的预处理系统以及反应器和管道尺寸预先测定传质速率。

在测定prp之后，最佳和最节能的蒸汽消耗将通过使例如蒸汽爆破预处理反应器的出口区域适配于本发明方法的相应prp来确定。在本发明中，蒸汽爆破预处理是优选的。

在优选的实施方式中，fpp选自优选特别优选其中和的范围也是优选的。

因此，在范围内选择fpp是特别优选的，因为达到了最大的蒸汽节省，同时一般工艺条件最有效，具有低堵塞风险和经济上有利的质量流量。

在进一步优选的实施方案中，生物质是木质纤维素生物质。木质纤维素生物质包括但不限于植物材料，如小麦秸秆、大麦秸秆、稻草、木材、木片、锯木厂和造纸厂废弃物、玉米秸秆、甘蔗渣和其他农业残渣、专用能源作物、城市废纸和包含纤维素、半纤维素、木糖和木质素的任何其他生物质材料。生物质材料的干物质(dm)含量优选为30-95wt.-％，进一步优选为40-90wt.-％，还优选为50-85wt.-％。

在优选的实施方式中，prp选自优选进一步优选然而和以及和的范围也是优选的。和的范围优选用于小型生产场所和所谓的中试规模工厂，其中传质速率选自50kg/h-5t/h。

和的范围优选用于大型生产场所，其传质速率选自大于5t/h至100t/h的范围。

在进一步优选的实施方案中，生物质的水分含量优选为5-60wt.-％，优选8-55wt.-％，最优选10-50wt.-％，然而10-25wt.-％和30-60wt.-％的范围也是优选的。

在进一步优选的实施方案中，生物质的木糖含量在10.0-30.0wt.-％，优选17.0-27.0wt.-％，特别优选20.0-25.0wt.-％的范围内选择，然而17.0-24.0wt.-％和18.0-23.0wt.-％的范围也是优选的。

在进一步优选的实施方案中，蒸汽压力选自8.0-15.0巴，优选8.5-12.5巴，最优选9.0-12.0巴。

在进一步优选的实施方案中，优选地，预处理期间的温度选自150-200℃，优选160-190℃，最优选165-185℃。

在进一步优选的实施方案中，质量流量选自50-100,000kg/h，优选100-50,000kg/h，进一步优选250-35,000kg/h，最优选400-25,000kg/h。对于小型生产场所和所谓的中试规模工厂，优选50kg/h-5,000kg/h和250kg/h-1,000kg/h的范围。对于大型的所谓的工业规模的生产场所，优选5,000kg/h-50,000kg/h和10,000-25,000kg/h的范围。

在进一步优选的实施方案中，生物质预处理进行的时间选自1分钟-20分钟，优选5分钟-15分钟，最优选8分钟-10分钟。

在本申请中，“出口区域”(oa)被定义为如图1(附图标记(1))中所示的区域(以mm²测量)。因此，根据本发明的“出口区域”构成加压生物质离开反应器的位置，并在反应器的外壁处测量(也参见图1)。

在一个优选的实施方案中，出口区域选自10-17000mm²，优选30-10000mm²，进一步优选50-6700mm²，特别优选55-5500mm²，还特别优选60-4750mm²和63-4500mm²。然而55-90mm²和60-75mm²以及3000-17000mm²和4000-6300mm²的范围也是优选的。55-90mm²和60-75mm²的范围优选用于小型生产场所和所谓的中试规模工厂，其中传质速率选自50kg/h-5t/h。3000-17000mm²和4000-6300mm²的范围优选用于大型生产场所，其中传质速率选自从大于5t/h至100t/h的范围。

在进一步优选的实施方案中，出口区域是圆形，其直径选自2-150mm，优选4-100mm，最优选8-75mm，然而2-15mm和4-20mm以及35-150mm和40-100mm以及45-75mm的范围也是优选的。2-15mm和4-20mm的范围优选用于小型生产场所和所谓的中试规模工厂，其中传质速率选自50kg/h-5t/h。35-150mm和40-100mm以及45-75mm的范围优选用于大型生产场所，其中传质速率选自大于5t/h至100t/h的范围。

在特定的优选实施例中，出口区域配备有如图2中示例性描绘的喷嘴。

喷嘴包括具有第一开口端和第二开口端的管状体。喷嘴适配于插入并连接到蒸汽爆破反应器的出口开口，其中第二开口端连接到导管，用于将预处理的生物质输送到至少一个第二装置，优选包括分离器，并且第一开口端与反应器容器的内壁对齐或突出到反应器容器中。喷嘴的管状体的内表面包括雕刻的螺旋结构。

喷嘴的雕刻螺旋结构进一步显著降低了水热预处理系统的蒸汽消耗。

在优选的实施方案中，雕刻螺旋结构的间距(pitch)范围为1-300mm，优选10-150mm，更优选20-100mm，最优选30-60mm。特别优选的是30、40、50和60mm。

喷嘴的长度范围为1-3500mm，优选10-1000mm，更优选30-600mm，进一步优选60-500mm。最优选的长度为50、60、80、100、200、300、400和500mm。雕刻螺旋结构的长度和间距可以适当地选择，从而获得约1-5个完整的卷绕，优选2个完整的卷绕。

喷嘴内表面的横截面积范围为10-17,000mm²，优选10-9000mm²，进一步优选20-8000mm²，更优选50-700mm²，还优选60-5000mm²。进一步优选的范围是10-150mm²，30-100mm²和50-80mm²以及1000mm²-8000mm²、1500-7000mm²和2000-6000mm²的范围。喷嘴内表面的横截面积越小，总蒸汽消耗量越小。

喷嘴可具有任何合适的形状。然而，优选喷嘴的内表面的横截面形状是圆形或椭圆形，从而减小生物质材料流的湍流。

雕刻螺旋结构的深度范围为0.1-15mm，优选0.5-10mm，更优选1-5mm，然而1.5-3mm的深度也是优选的。

雕刻螺旋结构的宽度范围为0.1-3mm，优选0.5-2mm，更优选1.0-1.5mm。

喷嘴通常可以由本领域技术人员已知的适合于本发明目的的任何材料制成。喷嘴优选由高耐磨性材料制成，如陶瓷材料，如氧化铝，更优选由高纯度氧化铝材料制成，并且最优选由纯度高于92％且更优选纯度为99.7％，特别优选纯度为99.50％-99.99％的氧化铝制成。维氏硬度的耐磨性为至少1800mpa是优选的。特别优选的是至少2000mpa维氏硬度的耐磨性，其中最优选至少2500mpa。

在优选的实施方案中，喷嘴如图2所示设计。喷嘴16包括具有第一开口端32和第二开口端34的大致圆柱形的管状体30。管状体30具有大致圆形的横截面。管状体30的内壁表面36提供有雕刻螺旋结构。图2所示结构不一定对应于喷嘴16的实际尺寸。仅描绘了喷嘴16的下半部分，从而内壁表面36处的雕刻螺旋结构可见。螺旋结构由多个深度为1mm和宽度为1.5mm的凹槽40组成。凹槽40的间距为30mm，从而每个凹槽40沿喷嘴16的整个60mm长度形成两个卷绕。

图2所示喷嘴16优选由可商购的高纯度氧化铝材料(al2o399.7％)制成。使用由这种材料制成的喷嘴16，在操作200h后没有检测到磨损。因此，喷嘴16不仅降低了生物质的水热预处理中所需的蒸汽量，而且陶瓷喷嘴16还允许更平稳的操作，因为预处理方法不必为了维护而中断。

在不限制本发明范围的情况下，表1-4的以下实施例是特别优选的：

表1

进一步优选的实施方案定义于表2

进一步优选的实施方案定义于表3

进一步优选的实施方案定义于表4

附图说明

以下实施例和附图阐明了本发明的优选实施方案，但不限制本发明或权利要求的范围。

图1显示了蒸汽爆破预处理反应器的出口区域oa的优选位置和实施方案。

图2示出了喷嘴设备的优选实施方案。

在图1中，附图标记(1)表示出口区域oa，附图标记(2)表示用于将预处理的生物质材料输送到第二装置的管道，附图标记(3)表示预处理反应器(4)的外壁，和附图标记(5)表示用于将管道(2)固定到反应器(4)的法兰。

具体实施方式

根据nrel(美国国家可再生能源实验室)和ase(可持续能源联盟，能源部llc)方法：“结构碳水化合物和生物质木质素的测定”，版本08-03-2012分析生物质材料的组成。

已测定以下组分：

干物质含量(dm)

葡萄糖(纤维素、葡聚糖)

木糖(木聚糖)

灰分

木质素(不溶于酸)

为了精确参考，结果通过减去灰分含量来调整。

示例性计算例如1-0：

干物质含量：85.0％

葡萄糖(纤维素、葡聚糖)：33.2％＝＞33.2％/((100-6.0％)/100)＝35.3％

木糖(木聚糖)：21.3％＝＞21.3％/((100-6.0％)/100)＝22.7％

灰分：6.0％

木质素(不溶于酸)：15.6％＝＞15.6％/((100-6.0％)/100)＝16.6％

通过扣除测量的dm计算水分含量：15wt.-％

实施例1-0(比较例)小麦秸秆(水分15wt.-％)

在配备有以3000rpm操作的旋转刮板的捆包式压碎机(tietjen)中将小麦秸秆捆包松散，产生粒径为10-40cm的颗粒。该粒径确保材料的平稳输送和随后的研磨步骤的操作。将生物质材料气动输送至具有30mm筛子的以3000rpm操作的锤式研磨机(tietjenvdk4.1)，其中将小麦秸秆切成平均粒径为1-5cm的碎片。

将切碎的小麦秸秆用针筒式进料器(metso；pdf2545)、然后用输送螺杆(metso；ffs211)和插头螺杆(metso；adi180)输送至热预处理反应器。针筒式进料器将质量流量调节为400kg(dm)/h。小麦秸秆的干物质含量为85wt.-％，木糖含量为22.7wt.-％且木质素含量为16.6wt.-％，导致prp为

在预处理反应器容器(metso；rha740)中，在160℃的温度下用蒸汽连续预处理小麦秸秆5分钟而不添加任何化学品。蒸汽消耗量由来自endress&hauser的vortexflowmeter以1.755kg/h测量。在该水热预处理之后，将预处理的小麦秸秆输送到旋风分离器(schrader；dn1200)以将有机材料与气体分离。

预处理反应器容器的出口的横截面积为约283mm²，fpp(原料加工参数)选择为每1kgdm使用的蒸汽量测量为4.4kg。结果如表5所示。

实施例1-a小麦秸秆(水分15wt.-％)

如实施例1-0中所定义进行生物质的制备。组成与实施例1-0相同

通过将出口区域调整为65mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为403kg/h并且对应于每1kgdm1.0kg的具体蒸汽消耗量，这表示与实施例1-0相比蒸汽消耗量有效降低了77％。结果如表5所示。

实施例1-b小麦秸秆(水分15wt.-％)

如实施例1-0中所定义进行生物质的制备。小麦秸秆的干物质含量为85wt.-％，木糖含量为21.3wt.-％且木质素含量为15.6wt.-％，导致prp为通过将出口区域调整为90mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为558kg/h并且对应于每1kgdm1.4kg的具体蒸汽消耗量，这表示与实施例1-0相比蒸汽消耗量有效降低了68.2％。结果如表5所示。

实施例1-c小麦秸秆(水分15wt.-％)

如实施例1-0中所定义进行生物质的制备。组成与实施例1-b相同

通过将出口区域调整为30mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为186kg/h并且对应于每1kgdm0.5kg的具体蒸汽消耗量。结果如表5所示。

实施例1-d小麦秸秆(水分20wt.-％)

如实施例1-0中所定义进行生物质的制备。小麦秸秆的干物质含量为80wt.-％，木糖含量为21.3wt.-％且木质素含量为15.6wt.-％，导致prp为

通过将出口区域调整为65mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为403kg/h并且对应于每1kgdm1.0kg的具体蒸汽消耗量，这表示与实施例1-0相比蒸汽消耗量有效降低了77.0％。结果如表5所示。

实施例1-e小麦秸秆(水分10wt.-％)

如实施例1-0中所定义进行生物质的制备。小麦秸秆的干物质含量为90wt.-％，木糖含量为20.0wt.-％且木质素含量为17.0wt.-％，导致prp为

通过将出口区域调整为65mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为403kg/h并且对应于每1kgdm1.0kg的具体蒸汽消耗量，这表示与实施例1-0相比蒸汽消耗量有效降低了77.0％。结果如表5所示。

实施例2-0(比较例)小麦秸秆(水分15wt.-％)

在配备有以3000rpm操作的旋转刮板的捆包式压碎机(tietjen)中将小麦秸秆捆包松散，产生粒径为10-40cm的颗粒。该粒径确保材料的平稳输送和随后的研磨步骤的操作。将生物质材料气动输送至具有30mm筛子的以3000rpm操作的锤式研磨机(tietjen)，其中将小麦秸秆切成平均粒径为1-5cm的碎片。

将切碎的小麦秸秆用针筒式进料器(metso)、然后用输送螺杆(metso)和插头螺杆(metso)输送至热预处理反应器。针筒式进料器将质量流量调节为25,000kg(dm)/h。组成与实施例1-b相同

在预处理反应器容器(metso)中，在160℃的温度下用蒸汽连续预处理小麦秸秆5分钟而不添加任何化学品。蒸汽消耗量由来自endress&hauser的vortexflowmeter以1.755kg/h测量。在该水热预处理之后，将预处理的小麦秸秆输送到旋风分离器(schrader)以将有机材料与气体分离。

通过将出口区域调整为16,000mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为99,200kg/h并且对应于每1kgdm4.0kg的具体蒸汽消耗量。结果如表5所示。

实施例2-a小麦秸秆(水分15wt.-％)

如实施例2-0中所定义进行生物质的制备。组成与实施例2-0相同

通过将出口区域调整为4,200mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为26,040kg/h并且对应于每1kgdm1.0kg的具体蒸汽消耗量，这表示与实施例2-0相比蒸汽消耗量有效降低了73.8％。结果如表5所示。

实施例3-0(比较例)玉米秸秆(水分17wt.-％)

如实施例1-0中所定义进行生物质的制备。玉米秸秆的干物质含量为83wt.-％，木糖含量为19.7wt.-％且木质素含量为17.8wt.-％，导致prp为通过将出口区域调整为283mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为1811kg/h并且对应于每1kgdm4.5kg的具体蒸汽消耗量。结果如表5所示。

实施例3-a玉米秸秆(水分17wt.-％)

如实施例1-0中所定义进行生物质的制备。玉米秸秆与实施例3-0相同通过将出口区域调整为63mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为403kg/h并且对应于每1kgdm1.0kg的具体蒸汽消耗量，这表示与实施例3-0相比蒸汽消耗量有效降低了77.7％。结果如表5所示。

实施例3-b玉米秸秆(水分30wt.-％)

如实施例1-0中所定义进行生物质的制备。玉米秸秆的干物质含量为70wt.-％，木糖含量为19.7wt.-％且木质素含量为17.8wt.-％，导致prp为通过将出口区域调整为67mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为429kg/h并且对应于每1kgdm1.1kg的具体蒸汽消耗量，这表示与实施例3-0相比蒸汽消耗量有效降低了76.3％。结果如表5所示。

实施例4-0(比较例)玉米秸秆(水分17wt.-％)

如实施例2-0中所定义进行生物质的制备。玉米秸秆与实施例3-0相同，导致prp为通过将出口区域调整为16,000mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为102,400kg/h并且对应于每1kgdm4.1kg的具体蒸汽消耗量。结果如表5所示。

实施例4-a玉米秸秆(水分17wt.-％)

如实施例4-0中所定义进行生物质的制备。玉米秸秆与实施例3-0相同，导致prp为通过将出口区域调整为3,800mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为24,320kg/h并且对应于每1kgdm1.0kg的具体蒸汽消耗量，这表示与实施例4-0相比蒸汽消耗量有效降低了76.3％。结果如表5所示。

实施例5-0(比较例)大麦秸秆(水分13wt.-％)

如实施例1-0中所定义进行生物质的制备。大麦秸秆的干物质含量为87wt.-％，木糖含量为18.8wt.-％且木质素含量为14.2wt.-％，导致prp为通过将出口区域调整为283mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为1，641kg/h并且对应于每1kgdm4.1kg的具体蒸汽消耗量。结果如表5所示。

实施例5-a大麦秸秆(水分13wt.-％)

如实施例5-0中所定义进行生物质的制备。大麦秸秆与实施例5-0相同，导致prp为通过将出口区域调整为66mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为383kg/h并且对应于每1kgdm1.0kg的具体蒸汽消耗量，这表示与实施例5-0相比蒸汽消耗量有效降低了76.7％。结果如表5所示。

实施例6-0(比较例)大麦秸秆(水分13wt.-％)

如实施例2-0中所定义进行生物质的制备。大麦秸秆与实施例5-0相同，导致prp为通过将出口区域调整为16,000mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为92,800kg/h并且对应于每1kgdm3.7kg的具体蒸汽消耗量。结果如表5所示。

实施例6-a大麦秸秆(水分13wt.-％)

如实施例6-0中所定义进行生物质的制备。大麦秸秆与实施例6-0相同，导致prp为通过将出口区域调整为4,500mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为26,100kg/h并且对应于每1kgdm1.0kg的具体蒸汽消耗量，这表示与实施例6-0相比蒸汽消耗量有效降低了71.9％。结果如表5所示。

实施例7-0(比较例)甘蔗渣(水分40wt.-％)

如实施例1-0中所定义进行生物质的制备。甘蔗渣的干物质含量为60wt.-％，木糖含量为22.0wt.-％且木质素含量为19.2wt.-％，导致prp为通过将出口区域调整为283mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为1，557kg/h并且对应于每1kgdm3.9kg的具体蒸汽消耗量。结果如表5所示。

实施例7-a甘蔗渣(水分40wt.-％)

如实施例7-0中所定义进行生物质的制备。甘蔗渣与实施例7-0相同，导致prp为通过将出口区域调整为74mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为407kg/h并且对应于每1kgdm1.0kg的具体蒸汽消耗量，这表示与实施例7-0相比蒸汽消耗量有效降低了73.9％。结果如表5所示。

实施例8-0(比较例)甘蔗渣(水分40wt.-％)

如实施例2-0中所定义进行生物质的制备。甘蔗渣与实施例7-0相同，导致prp为通过将出口区域调整为16,000mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为88,000kg/h并且对应于每1kgdm3.5kg的具体蒸汽消耗量。结果如表5所示。

实施例8-a甘蔗渣(水分40wt.-％)

如实施例8-0中所定义进行生物质的制备。甘蔗渣与实施例8-0相同，导致prp为通过将出口区域调整为4,750mm²，将fpp(原料加工参数)修改为测量的蒸汽消耗量总计为26,125kg/h并且对应于每1kgdm1.0kg的具体蒸汽消耗量，这表示与实施例8-0相比蒸汽消耗量有效降低了70.3％。结果如表5所示。

表5。