专利名称：用于干纤维素物质的破裂机系统的制作方法
技术领域：
本申请涉及一种用于将纤维素质的植物原料减小至微米和亚微米级颗粒的装置和方 法，该颗粒对于酶解或化学水解成糖类或直接燃烧是理想的。
背景技术：
近数十年来， 一直有关于能源短缺的不断重复的警告。 一般模式己经使能源价格形 成尖锐的峰值，导致经济衰退会暂时缓解能源供应压力。同时建立了不令人热心的节能措施。 这会导致能源价格下降，从而使旺盛的消费恢复，于是节约能源和长期能源计划被完全忘记。 尽管如此，能源供应还是有限的。最乐观的估计是，石油产品供应将在大约四十年内大部分 耗尽。即便发现新的油田，并且现有油田有提高的开采量，这一估计也不大可能提高两倍而 达到八十年。因此，在显示出效率急剧提高或者巨大的节省成就的同时， 一些现在正活着的 生存个体差不多都将当然地看到石油动力世界的结束，正象我们之前并没有许多代的祖先看 见畜力驱动技术的结束那样。 一些人已经把希望寄托在核动力上。不幸的是，核燃料的供应 还是很有限的，尤其考虑到现在正使用着的低效率的核反应堆。另外，核废物问题是如此严 重，以至于即使核燃料供给是无限的，我们的文明也不能安全地依靠核能。
与石油相比，其他通用的化石燃料的前景不见得有多美好。据估计，当前的天然气 供应将在约六十年内被耗尽。即使将这一估计的时间加倍，仍然将出现这样的情况广泛分 布的天然气依赖性将在至多一百二十年内结束。煤炭或许是最为充足的化石燃料；有人认为 可供应至少200年。这意味着我们的文明将变成在紧接着的五十至一百年内完全依赖于煤炭， 除非替代能源技术不久被开发出来。然而煤炭是被最早开发的化石燃料，并且被石油和天然 气大量地代替，因为煤炭燃烧是肮脏的，并且产生大量的煤渣。更不用说煤矿开采的可怕的
4环境费用。然而，这或许还不是将迫使人们放弃使用煤炭的缺陷。进一步地，持续将化石的二 氧化碳排入大气还将产生环境后果。这一问题由任何化石燃料的燃烧导致，往往被称为全球 变暖。在该问题完全暴露之前，或许仅仅是石油可能被耗尽。全球变暖大概不是好的情况， 因为在由于大气中过剩的二氧化碳带来的全球温度提高同时，真正的问题不是变暖本身，而 是急剧的气候变化。地球气候始终在变-一个时期会比另一时期变化更多。例如，在相对近 的年代，在冰河时代的末期，发生了急剧的气候变化。气候变化足够慢，使得生物机体可以 适应新的气候或者重新配置以顺应气候。因此，当冰川退縮、并且温度变暖时，"北极的" 物种适应寒冷，向北移动或者进入高海拔地区。有种种迹象表明，由化石燃料燃烧导致的气 候变化将会太快，以致不允许生物机体重新配置。该结果将会使物种蒙受极大损失，并且与 已有的因我们的文明传播引起的物种高绝灭速率相比较，物种的总体生物多样性绝灭会更迅 速。直到一些全新的能源例如核聚变能源被完善之前，能源难题的最好答案将会是大大 地提高节省、连同可再生能源的排它性使用。在我们的星球上的大部分能源最终来自太阳。 因此，光电形式的太阳能和太阳能供热是理想形式。然而，太阳能不能满足我们的所有需要。 水电动力和风能动力是两种其它形式的基于太阳能的可再生能源。这些能源都不会导致大气 中二氧化碳的改变。生物质能(即，木材及其他植物材料)可能是对太阳能的理想补充。这 看起来令人惊奇，因为生物质能通常通过燃烧生物质而得到，并且这样的燃烧会将二氧化碳 释入大气中。然而，生物质是可再生的。如果种植绿色植物林以制造生物质，那么释放的二 氧化碳将很快被新植物材料吸收。因此，二氧化碳可以反复使用，并且大气中二氧化碳的总 水平不会像燃烧化石燃料那样持续提高。真正的问题是如何将生物质能并入我们的经济之中。 目前明显缺少燃烧木材的蒸汽火车和燃烧木材的汽车。二者都未进行在发电厂中特别可行的 生物质的直接燃烧，因为我们的电力生成系统适合于使用液体石油、或者天然气、甚至煤粉。
人们已经在由生物质来生产液体燃料(主要指乙醇)方面取得了相当大的成就。这 涉及到直接来自植物产物或者间接来自纤维素型生物质的溶解的糖类的发酵。该用于直接发 酵衍生糖类的技术是沿用已久的技术。不幸的是，能源的这一最大潜在资源在于纤维素型生 物质。将纤维素转化为可发酵糖比较困难，并且目前不是很有效率。典型地使用酶或者酸来 将纤维素型生物质水解为可发酵糖。对生物质进行充分的机械预处理是必需的。在一些处理 方法中，以化学方法预先处理生物质，然后在一定温度和压力下通过快速变化进行"分解"。这样的处理可能会产生大量的有害化学废弃物。其他处理方法在类似于用于生产造纸木浆的 装置中用酸液煮木材碎片。迄今，没有一种方法证明是很成功的。
发明内容
本发明人相信，现有技术的大多数问题可以通过将生物质减小成足够小的颗粒来解 决。本发明人发现，通过利用酶或化学水解手段，可以轻易地将这样的颗粒(称为纤维素微
粉)水解成糖类及其他有机单体。可能是因为颗粒尺寸非常较小的原因，水解酶远比它们在 作用于以其他方式制备的纤维素型生物质时有效。另外，并非完全不同于液态流体，根据本
发明制备的微粉可以直接用喷雾类喷射器燃烧。关键在于制备极细的和均一的微粉颗粒。
有多种小型设备(通常称为"研磨机")，其可用于破裂较小的多种有机的和无机 的原料样品。例如，使用旋转锋利边缘的切割研磨机可以将许多原料减小到200um的粒度范 围。交叉打磨机增加了切割的破碎作用，从而进一步将经处理的原料减小至100um的粒度范 围。旋转搅拌器、旋转离心机和振动盘研磨机可以进一步将许多原料减小到50ym的粒度范 围。与生物质相比较，金属具有晶体结构，从而使得甚至很小的颗粒的强度都非常高。尽管 如此，作为通用工业机器的球磨机能够将金属微粒的晶体结构粉碎成较小的5 ym粒度范围 (或者甚至更小)的次颗粒。然而，典型的球磨机通常不能对生物质纤维原料进行顺利的操 作，这或许是因为生物质有弹性，并且通常不能表现为结晶体方式。尽管如此，具有非常小 的磨球的球磨机能够实现生物质纤维的一些有限的破裂。然而，这些现有技术设备均不能以 工业规模应用。经处理的原料的量典型地只有几克至几百克。另外，许多依赖于"切割"的 设备使用锋利边缘，边缘因试图处理大体积的原料而快速地变钝。本发明人之前开发出一个系统，用以通过使用机械力与添加水的组合而将生物质减 小成微粉(参见WO 2002/057317)。通过此方法制备的微粉可利用酶的作用轻易地水解成可 发酵糖。然而，该处理需要重复添加并除去水，并且延长机械搅拌，这提高了生产微粉所需 要的能量消耗。虽然该处理方法的总能量预算是积极的，但本发明人针对此问题继续工作， 直到完善了在此公开的生产微粉的改进方法。
图1显示了用于将生物质减小至毫米尺寸颗粒的破裂机。
图2显示了旋转圆盘研磨机的俯视示意图。
图3显示了图2所示设备的侧视图。
图4显示了图2所示设备的外侧侧视图。
图5显示了圆盘式粉碎机的第二实施方式的俯视图。图6是图5所示实施方式的侧视图。图7是图5所示实施方式的沿图6中直线7-7的剖视图。图8是在图5所示实施方式中使用的圆盘的示意图，显示了边缘的延伸。图9是图8中所示圆盘的横截面。图10是来自双子叶树的木浆的SEM图像，显示了木浆的组成；微米条显示了图像 从图10A到图10D逐渐增大的放大情况。图11是通过分解破裂系统生产的来自红麻(Hibiscus cannabi皿s)的纸浆的SEM图 像；微米条显示了图像从图IIA到图11D的逐渐增大的放大情况。图12是根据本发明的方法生产的来自针叶树(Larix kaempferi)的木材微粉的SEM 图像；微米条显示了图像从图12A到12D逐渐增大的放大情况。图13是根据本发明的方法生产的来自红麻(Hibiscus cannabinus)的木材微粉的SEM
图像；微米条显示了图像从图12A到12D逐渐增大的放大情况。
图14显示了基于微粉的燃烧系统的示意图。
具体实施例方式提供下述内容，使本领域的技术人员能够制备并使用本发明；并且提供本发明人认 为实施其发明的最佳实施方式。然而，对其进行的各种改进，对本领域技术人员而言是显而 易见的，因为本发明的一般原理在此已进行了限定。具体地说，提供一种装置和实质上改进 的机械方法，用于预处理多种类型的纤维素型生物质来生产微粉，该微粉可轻易水解并且轻 易地燃烧。发明人意外地发现了一种新的将纤维素型生物质破裂成极小颗粒的干法机械方法， 该颗粒可轻易地进行酶解或其他化学水解以及氧化(燃烧)。植物生物质主要由纤维素质细 胞壁组成。 一般来讲，纤维素型生物质不能轻易地用任何溶剂溶解。纤维素的次晶结构和由 纤维素外围的木质素"胶粘剂"形成的复合结构是该不溶解性的主要原因。然而生物质可以 通过涉及到发酵和氧化的缓慢的生物降解破裂。大多数这些生物降解反应在生物质表面上于 固体-液体相中进行。植物生物质比如木材长期以来一直被用于造纸，同时其它形式的生物质被用于生产 纤维(纺织品)。纸张生产涉及到通过使用化学品和大量水的工业生产方法进行提取的技术。 在木质细胞的细胞壁之间的天然胶粘剂(中层)以化学方法被溶解，并且被缠结的细胞壁(纤维)被悬浮在水中，从而形成木浆浆液。就纺织品而言，单独的细胞壁(纤维)大部分是分
离的，并且没有一个附于另一个上，从而不需要这样的复杂过程(例如，虽然亚麻布的生产
需要通常称为"沤"的溶解处理)。因为纤维素基本上不溶于水，故纤维在水中是稳定的。
然而，这样的植物纤维会吸水，并且膨胀至某种程度。在膨胀后，生物质通常可以被干燥，
以使其返回原样。通常认为，虽然机械破碎可以将单根纤维(即，细胞壁)分裂到某种程度，
但机械方法不能够将纤维素型生物质减小至低于单独的细胞壁的水平太多。工业规模加工是需要的，其中简单的处理进一步将纤维素型生物质减小成微粉。本
发明人的最初工艺涉及到重复添加水并除去水。尤其在活的植物中的纤维素型生物质被水化。
所有活细胞都具有较高的含水量，并且在活的植物中，许多无活性的细胞的细胞壁被用作水
导管而进一步地确保该生物质保持水化。在以前的工艺中，必须首先除去过量水分，然后循
环地添加并除去水。改进的工艺从纤维素型生物质的初始机械破碎开始。与在较早的工艺中所使用的机 器类似或相同的切碎和磨碎机器被用于初步处理。研究发现这有利于将生物质减小成平均最 大直径约为l mm的颗粒。需要解释的是，这种操作可以方便地分阶段进行。然而，不需要 使用精确的步骤或描述的装置。任何将生物质减小成直径约1 mm的颗粒的工序都可使用。 尽管初步处理可以发生在"自然的"(即，湿的)生物质上，但研究发现，目前使用的机器 对含有降低水平的水分的生物质会更快并更有效地操作。因为该工艺后面的步骤需要生物质 具有降低水平的湿度，故在第一步骤时、或者至少在己将生物质减小成直径约为5-10mm的 颗粒后，可便利地干燥生物质。新的破裂工艺的第一步骤是通过利用普通的木材切碎机或削 片机或其他适当的机械装置，将生物质片的尺寸减小至直径约为5-10 mm。这些起始颗粒的 含水量约为20~80 wt%。在可以有效地进行进一步破裂之前，这些颗粒必须进行干燥，直到 它们的含水量小于约15 wt%。通过标准方法完成干燥。在本实施例中，植物材料(5-10 mm 的片材)被加热到至少约80°(:,以确保快速干燥。优选同样可以使用本领域的技术人员所熟 知的其他耗能较少的干燥方法。太阳能或工业废热可以被用于干燥生物质。
在本发明人的较早的破裂工艺中，水的添加是用于削弱将形成生物质的多糖聚合物 结合在一起的氢键。在新的干燥方法中，使用了的相反的方法；水的除去增加了生物质的刚 性，使得机械破碎更有效。该工艺的中心步骤依赖于已被优化用于生产亚微米级粉末的称为 微破裂机的专门设备机件。从木材(例如)到微粉的整个工艺包括如下步骤(1)收集进料； (2)输送进料；(3)减小成5-10 mm尺度(切碎并布置/碎裂)；(4)干燥(可以在切碎 和碎裂之前进行)；(5)破裂成毫米尺寸颗粒；(6)用盘式研磨机减小成100微米、并且按粒度对颗粒进行尺寸分级；以及(7)微破裂机/混合机处理，从而生产出微米和亚微米级 微粉。商品化的平面型切碎机或削片机被用于将生物质减小成5-10 mm的尺度。这些设备 被广泛用于碎裂木材和粗杂材，并且通常在转轴上包含一个以上切割边缘。该设备通常具有 一些筛分机或筛子，使得较大的生物质片可以被进一步处理，同时较小的片材落下通过。一 般来讲，能生产最大尺寸约为3-5mm的片材的筛分机或筛子是最佳的。如上所述，待切碎的 原料可以首先被干燥，或者在切碎/布置后进行干燥。优选干燥通常在约80 。C以上的温度下 进行，虽然在较低温度下干燥较长的时间是完全切实可行的。研究发现，对于干燥原料，布 置-切碎处理更有效；25kg充分干燥的生物质可以在IO分钟以内切碎，而充分切碎相同量的 湿生物质可能需要一个小时以上。优选将碎裂的生物质减小成尺寸约为1 mm的颗粒。众多种类的研磨工具可以用来达 到该目的。本发明人发现，利用所开发的破裂机对于较早的工艺是有效的。在图l所示的破 裂机设备30中，有多个相对的转轴36 (这里为两个)支撑着刚性的桨38，这些桨38间隔开 来，使得它们在转动期间相对紧密地相接触(约l厘米间隙)。转轴36水平取向，并且被设 置在贮槽状容器32底部附近。转轴36通过马达34 (仅图示了一个)带动以几百RPM以下 的速度反向旋转。生物质被送入设备中并且被桨破裂。使用这样一种设备，可以在60min以 内将25 kg的生物质从大约3-5 mm的粒度减小至小于1 mm的粒度。然后，本发明的工艺使用盘式研磨机和微破裂机/混合机以将生物质减小成微米至亚 微米级尺寸的颗粒。盘式研磨机可以有效地将生物质从仅小于1 mm的尺寸快速减小至约100 ym尺寸。该微破裂机/混合机可以有效地将100um颗粒减小至最终的微米至亚微米尺寸。优 选如果盘式研磨机长时间操作，其可以将生物质减小成小于100um的颗粒；然而，通过将原 料从一个类型的装置移动到另一个装置，有可能更快速地以较低的能量消耗生产出微粉。
在整个加工过程中，颗粒的精确含水量是很重要的。如下所述的盘式研磨机的一个 变体对过量水分特别敏感。该盘式研磨机设备包括旋转圆盘，当添加干燥的生物质颗粒时旋 转圆盘可以将它们分散。与颗粒互相作用的圆盘边缘并非一定得锋利，这是因为并没有对颗 粒进行实际的切割。当颗粒接触盘式研磨机中的旋转破裂机圆盘时，颗粒被重复地加压或挤 压(剪切)。加压或挤压会逐渐将颗粒破碎成越来越较小的结构，通过旋转圆盘持续的搅动， 使其保持相互分离。最初单根纤维(细胞壁)变成分离状态。然后细胞壁被分裂成越来越较 小的颗粒。细胞壁主要由半纤维素和木质素复合而成的纤维素微纤丝所组成。非常类似地， 通过圆盘反复弯曲和挤压颗粒会导致颗粒在生物质的纤维素、半纤维素和木质素亚成分的接合处沿着弱化区分离。当生物质颗粒变得越来越小时，从大大增加的表面面积上的蒸发得到 增强，使得几乎没有或根本不需要补充热量就可以达到全干效果。在生物质已经用盘式研磨机处理后，其经受微破裂机/混合机的最终处理。该单元类 似图1中所示小型化的破裂机。图示的设备沿着转轴大约53厘米x90厘米x100厘米，带有2 kW马达。按照刮板或桨测量的直径大约为35厘米。微破裂机/混合机沿着轴仅为50厘米并 相应地成比例，但是因为较高的速度，使用了3.7kW的马达。在破裂机/混合机中，在机壳 内部，两个间隔开来的旋转轴支撑着彼此间隔的桨沿相反的方向以高速进行旋转。该轴能以 12,000 rpm的转速旋转，然而生物质颗粒产生的摩擦力通常会将实际的转速减小至4,000 rpm 以下(但至少是数千卬m)。通过转动和抵销旋转应力将颗粒悬浮在空气中，并且把颗粒撕 裂开来，并且使在盘式研磨机中变得凝聚的颗粒解聚。在最后阶段，颗粒被减小至单个微米 或亚微米级的尺寸。微破裂机/混合机在60-120 min内可以将25 kg来自盘式研磨机的100 颗粒加工成具有微米-亚微米尺寸的微粉。处理的最终产品是微粉。而微粉是指生物质粉末，其中颗粒具有至多约为2-3um的 平均尺寸，但是具有显著比例的亚微米颗粒。应当理解，以下所述生产具有这些特征的微粉 的平均处理次数。微粉分级(也就是说，按大小分类)允许较大的颗粒接受附加处理，从而 产生较大比例的亚微米颗粒。微粉的应用包括酶解以生产糖类(通常接着发酵成醇类)或者 直接燃烧。具有2-3ym平均粒度的微粉适合于这种应用，但是在一些处理中，可能优选使用 具有较大比例的亚微米颗粒的微粉。尤其在微破裂机/混合机中增加处理次数可以增加亚微米 颗粒的比例。优选用于生产较大比例的亚微米颗粒的附加处理需要更多时间和能源。对于各 个特别的用途，成本-收益分析可以确定最佳的微粉粒度范围。本发明人生产了两种不同的圆盘变体。第一种设备不试图作为可容易分级的设备， 而第二种设备试图作为可进行分级的设备和用于工业规模生产微粉的样机。随后发现，通过 使用第二种设备进行预处理、接着用第一种类型的设备进行最终的盘式研磨机处理，实现了 最期望的结果。即，通过第一种类型的设备可以实现最佳的破裂，但是总体生产能力相对较 低。第二种类型的设备的生产能力较好，但是其采取过多的处理次数以便在微粉中获得大比 例的亚微米颗粒。然而，通过用第一种类型的设备处理第二种类型的设备的产品，可以轻易 地并有效地获得具有显著比例的亚微米颗粒的微粉。用破裂机处理替代第一个盘式研磨机处 理也已经被证明是高效率的。现在，使用破裂机接着使用第一种类型的盘式研磨机是优选的 方案。
通过研究这些不同设备的结构，本发明的的操作原理和参数将变得显而易见。图2 显示了基于旋转圆盘的微破裂机的俯视示意图。在该设备中，双"X"形臂系统22 (即，四 个分离的机械臂部件)被连接于轮轴或中心轴24上，以使得臂系统22可以绕中心旋转。该 X臂系统22是方便的结构，但设置成围绕中心旋转的任何构件(例如臂或圆盘)都可以被取 代以用于X臂系统22，这对本领域的技术人员而言是显而易见的。每一个臂26都支撑着两 个旋转圆盘。如图3所示，各个圆盘28与水平轴32相连接，每个水平轴32都被垂挂于臂 26之一的一对支架42支撑着。各个圆盘28被排列，以使其沿着四个呈V形的同心凹槽37 之一的底部滚动，该同心凹槽37占据着其内含有X臂22的机壳39的底板。四个顺序同心 轨道直径分别大约是330 mm、 490 mm、 650 mm和810mm。该V形凹槽37具有平坦的底 部，约8 mm宽。工作部件全部用不锈钢制造。当设备操作时，利用皮带44将马达34连接 至中心轴24的底端46，弓I起X臂系统22在机壳39内以约120rpm的速度转动。该圆盘28 沿着V形凹槽37的底部运动。水平轴32所采用的结构使得圆盘被安装得具有一些弹性，使 它们可以应对不规则性并且沿环形的V形凹槽37运行。可以使用除转轴和皮带之外任何其 他合适的机械设置，以使X臂系统22绕其中心旋转。该单元的结构使得圆盘28实际上不会接触V形凹槽37的底部或侧面。各个圆盘28 的边缘稍微呈锥形以便匹配V形凹槽37，从而使得在圆盘28的表面和V形凹槽37的毗连 表面之间通常有一定间隙。将切碎的生物质碎片通过该单元的竖直下侧的端口 48导入该单 元，并且落入V形凹槽37。生物质填充在圆盘28和V形凹槽37器壁之间的间隙。运动的 圆盘28会压碎生物质，并且产生的摩擦力引起圆盘转动从而替换/分配生物质。反复的压碎 和剪切作用可以撕裂开生物质碎片，得到越来越小的颗粒。在此，生物质的湿度特别重要。 如果生物质太潮湿，其粘在一起形成很大的结块，会阻碍圆盘28的平稳运动，并且甚至可以 引起圆盘28局部地从V形凹槽37中部分跳出来。在该破裂工艺期间，较大的片材回落入V 形凹槽37以便进一步地处理，同时通过圆盘28的移动将最小颗粒迅速释入空气并且可以从 单元上盖上的出口孔52中抽出。当以分批处理方式操作时，单元可以在20-30min内处理约 10-15 kg生物质。当以连续流模式操作时，每分钟可以添加(并抽出)约0.5kg的原料。这 种构造最显著的缺陷是，过度潮湿的生物质可能会阻塞V形凹槽37从而引起圆盘28不合适 地脱轨。如果原料太潮湿，颗粒会结块并且完全阻碍进一步的处理。这会迫使单元停工以便 清理凹槽37。盘式研磨破裂机的第二种实施方式被设计得可以克服上述第一种实施方式的缺点。 图5显示了俯视本实施方式的简图。封闭的机壳39内包含多个水平轴54，本图中为四个。每个转轴54都直接连接于马达34上。转盘28相间隔地附接于各个转轴54上，并且转轴穿 过各个转盘28的中心。在图中，各个转轴54支撑着8个圆盘26，并且在相邻转轴54上的 圆盘26沿着转轴54的长度偏移，以使得在相邻转轴54上的圆盘26可以交错或重叠。在实 际的设备中，圆盘26直径约为800 mm。图6显示了该装置，从侧面进一步地示意相邻水平 轴54上圆盘26的重叠情况。如图7所示，各个圆盘26的外侧周边在直形的V形凹槽37'的 内部旋转。S[J，第一种实施方式的结构要求V形凹槽37呈环形。而此处的V形凹槽37，沿设 备的长度直线运行。图8和9图示了圆盘26的外缘上设有延伸部56，其尺寸差不多可以延 伸到V形凹槽37'的底部。图8显示，圆盘26的放大部分26'外侧支撑着延伸部56，各个延 伸部56呈弯曲状，以便紧随圆盘26的圆周。延伸部56利用螺钉58附接于圆盘边缘(虽然 同样可以使用任何其他适当的机械紧固件)。图9显示了沿着圆盘半径所取的圆盘26的横截 面，示意了延伸部56的附接方法。因为延伸部56贯穿V形凹槽37'，在生物质颗粒和圆盘 26之间的大多数接触发生在延伸部56上，当发生显著的磨损时，其可以轻易地更换。同样， 接触生物质的设备的所有部分都使用不锈钢或其他耐腐蚀材料来构造。注意，螺钉58与楔形 垫圈68结合使用，该楔形垫圈68可以更可靠地就地保持延伸部56，并且还提供了空气湍流 以便移动并混合微粉。在操作期间，圆盘26典型地以约150rpm的速度转动。生物质(最大尺寸约为10mm 的切碎原料)通过入口端口62 (图6)被导入，并且被扫入V形凹槽37'。转盘26粉碎生物 质，并且将其扫至出料口64。在出料口64处，微粉通过分级设备66，并且按照尺寸将微粉 分开。可以通过向上将微粉吹入分离塔(有或者没有挡板)来进行重量分级，在分离塔中最 小颗粒(成品)从塔的顶部被抽出。因为剩余的较细颗粒更长时间地悬浮在气流中(最细的 颗粒可以在空气中形成胶悬体)，故较大的颗粒从塔的基底被抽出。然后通过设备再循环较 大的颗粒用于附加的破裂。对于上述旋转破裂机，同样的分类方法是有用的。使用筛分机和/ 或粉末旋风分离器、或者这些方法的组合的其他分类方法也可以使用。图示的设备(四个水 平轴，每个转轴上具有八个直径800mm的圆盘)可以每10-12小时破裂大约两吨生物质。通 过简单地增加附加的转轴(即，使设备的长度变长)和/或通过在各个转轴上增加圆盘(即， 使设备的宽度变长)，可以轻易地提高设备能力。然而，与旋转型设备相比较，通过直线型机器生产的典型产物是稍微较大的颗粒(很 少有亚微米颗粒)。据相信，这是由于圆盘边缘进入凹槽、然后抬升跳出去的结果，而旋转 型设备的圆盘通过"巻入"并跳出凹槽而与凹槽保持更多的接触。实际效果是，转动圆盘提 供了更大的压碎和剪切力，其在将生物质颗粒分解成更小颗粒方面更有效。另一方面，直线
12型设备相对地对水分含量变化不敏感，因为当旋转圆盘与凹槽互相作用时其上的特定位点进 行"进进出出"的移动，可以扫净凹槽中的任何颗粒聚集体。虽然通过相当长地延伸操作周 期，直线型设备可以生产出非常细的微粉，但通过用直线型装置预处理切碎的生物质以获得 大部分在小于100ym的粒度范围的颗粒，然后用旋转型设备进行完全处理以获得最大粒度小 于约10 um、具有较大百分比的最大尺寸在亚微米范围内的颗粒的微粉，实现了最有效率的 结果。该方法生产出质量出色的微粉，使用直线型设备的预处理步骤可以完全地预防常常 使旋转型设备失灵的聚集体凹槽阻塞。使用直线型装置进行预处理的生物质，应采用不会使 凹槽发生阻塞的尺寸，并保持一致性。目前优选的交替方法，是使用破裂机(而不是直线型 盘式研磨机)将生物质减小成lOOnm的粒度范围，然后使用旋转圆盘研磨机用于进一步处理。
如上所述的直线型盘式研磨机可以在10小时内有效地处理约2公吨。即，其每小时 可以产出约200 kg的生物质。该实验单元使用电动机并且需要每小时约3 kW的动力。如上 所述的旋转圆盘研磨机(操作直径大约90厘米)可以每小时完全地处理仅约20 kg的原料。 因此，或者必须有十个单元连在各个直线型盘式研磨机上，或者需要更高容量的旋转圆盘研 磨机。通过使用电动机，现有的旋转圆盘研磨机每公吨生物质使用约2.5~5kW的动力。因此， 使用当前的实验设备，1公吨的生物质需要约20 kW的电力进行破裂。或许可以轻易地设计 出使用比电动机更经济的动力源的更有效率的设备。目前优选的另一个处理实施方式是从切碎机/削片机开始，可以在10 min内将25 kg 的干燥生物质(在实验室规模上)减小成3mm的碎片。然后将碎片送入破裂机(图1)，其 在不到60min内将原料减小至亚毫米的尺寸。然后将它们供应至旋转圆盘研磨机(图2)， 其在30 min内将原料减小至亚100微米。最后在高速微破裂机/混合机中处理这些原料，在 l-2hr内生产出微米至亚微米粉末。通过将经传统的处理方法开发的纤维素质粉末尺寸与本发明处理的尺寸相比较，可 以最好地评价本发明的处理效果。图IO显示了由双子叶树制备的传统木浆的SEM (扫描电 子显微镜)图像。典型的制浆方法是以化学方法浸渍木材薄片，此后机械地分离木材的纤 维素成分。图中的微米条显示，图片显示出从图IOA至图IOD的放大倍数增加，且后者大约 是前者的放大倍数的十倍。图片还显示，最大的细胞特征一"导管分子的大多数细胞壁"是 大体完整的。图11显示了一组通过现有技术压力爆炸法破裂的双子叶红麻木材的类似的SEM图 像。红麻是可作为纸浆源培养的木质灌木。人们开发出的爆炸法是作为用于破裂纤维素型生物质以促进酶解、化学水解和有关生物质处理的简化方法。对图IIA至IID的观査显示，较 大的细胞导管分子大体未破裂。无论如何，在将纤维素分子减小至较小的容易酶解的颗粒方 面，爆炸破裂不比传统的化学制浆方法更显著有效。应将图IO和图11与图12和图13进行对比。图12显示了本发明的破裂工艺应用于 曰本落叶松木材的情况。图12D显示，该破裂产生了很多直径约在1 um以下的纤维素颗粒， 而许多颗粒是在2-3ym的范围内(注意，大多数较大的颗粒显示出是较小颗粒的聚集体)。 图13显示了破裂的红麻木材的SEM图像。尽管剩余一些在lOym的范围内的颗粒，但图13D 显示出许多颗粒在微米至亚微米的粒度范围内。通过爆炸处理生产的原料显示，即使有也是 极少数颗粒在该粒度范围内。图11中所示的所有较大纤维和导管分子已经通过本发明的处理 而被破裂。因为本发明的破裂方法可以安装有分级设备(如下所述)，故可以自动地再循环 较大的(即，大于ltxm)颗粒用于附加的破裂，该处理可以轻易地进行"调整"，以生产主 要为亚微米级的颗粒。发明人得到了料想不到的发现，就最佳的燃烧法而言，依据本发明制备的微粉是出 色的工业燃料，可用于代替燃料油或天然气来发热。微粉的燃烧主要是气相氧化，如同天然 气或燃料油(其作为烟雾剂状的小液滴燃烧)的氧化情形。煤炭有时也作为通过滚筒辗粉机 而形成的粉末燃烧。这样的燃烧不同于煤块的燃烧，但是因为涉及小颗粒(并且表面面积相 对较大)，反应开始接近在气体间的氧化反应-例如氧和甲烷之间。类似地，燃烧的微粉不 同于木材原木或者片材的燃烧。极小的颗粒尺寸使得微粉的燃烧甚至更类似气体-气体间的反 应。植物微粉样品的测试点火显示出相对低的点火温度和粉末保持连续燃烧从而释放出 大量能量的能力。然而，微粉燃烧不容易像真实的气相燃烧一样持续。连续的和持续的燃料 供给是决定性的。为获得这种压力，涉及到在移动微粉并将其悬浮在易燃状态下的混合和振 动。单独利用压力的趋势是难以保持微粉的持续的可控流动。进一步地，有必要缓慢地搅拌 堆积的微粉，同时施加一定压力以使原料流动。高速度搅拌不会象期望的那样起作用，这是 因为搅拌装置简单地穿过微粉，而没有对大量微粉的总体流化做出贡献。 一旦微粉已经流向 燃烧位点，可以施加空气压力以便完全地分散微粉。当微粉接近分散点时，使整个供料路径 振动以确保最佳的燃料供给和分散。可以通过非平衡地转动与设备接触的轴来提供振动；压 电器件、"声圈"系统及其他众所周知的传感器也可以被用于提供振动。优选振动频率是可 调整的，并且最佳的振动频率通常在50 500Hz之间。
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—旦振动的微粉到达"燃烧器"，就将其与压縮空气气流混合并被气流分散。粉末/ 空气混合物膨胀进入燃烧空间，在此可以通过火花、电热塞、火焰、加热盘管或者类似的点 火装置进行点火。重要的是保持恰当的约5:1的空气-燃料比率。同煤炭、汽油、燃料油或天 然气的最佳比率相比，该数值是较小的。例如，汽油最佳的空气-燃料比率是15:l。通过改变 单位时间释放的微粉重量，控制单位时间产生的总热量。已知燃烧干燥木材的平均值是约4300 kcal/kg。因此，在已知的设定值例如50,000 kcal/hr下安排微粉燃烧器进行操作是相当容易的， 其需要每分钟约200 g的微粉。类似地，200,000 kcal/hr燃烧器每分钟将需要约800 g的微粉。 不同于木材片材的燃烧，微粉燃料基本上是完全的。得到的灰烬非常轻，并且通常代表了最 初微粉体积的约50%~70%。取决于最初生物质的来源，灰辉重量通常为最初微粉重量的 1%~10%。同甘蔗渣或类似的生物质相比，木材通常具有较低的灰分值。
图14显示了用于燃烧微粉的系统的示意图。该示意图中，微粉储料仓70位于紧接 燃烧器84处。然而，优选包含搅拌装置(例如，直线型螺旋推进器或输送机)的通道可以被 用于传送微粉，这很类似于流体的传送，使得主要的储料仓可以离开燃烧器一定距离。在图 中，振动源74与空气压力源72相结合，从而在混合机82中流化微粉。微粉进入燃烧器84 组件，在此附加的压缩空气源会悬浮微粉。调节附加的空气源和振动诱导的微粉流速，以在 燃烧器内保持最佳的空气-燃料混合物。点火器80 (例如，电热塞或火花)引燃空气燃料混合 物，并且得到的点火云被导入例如锅炉78的热交换部分。点火云是加压火焰流，不同于普通 燃料燃油炉形成的火焰。得到的灰烬极细，并且从存在于使用燃煤动力系统技术领域众所周 知的技术的锅炉换热器内的废气流中回收。不同于煤灰，微粉灰烬是无毒的化合物并且不含 重金属。因为该灰烬是由通过其生物质变成微粉的植物从土壤中移出的矿物质组成，故该灰 烬可以安全地反向回收到土壤中以用于排放目的。因此，应理解下述权利要求包括如上所述具体地说明和描述的内容，包括概念等价 的方案，包括明显可以替换的内容，并且包括符合本发明基本构思的方案。在不背离本发明 范围的情况下，本领域的技术人员可以获知上述优选实施方式的多种改进和变形。本文所示 实施方式仅用于阐明本实施例的目的，不应将其视为对本发明的限制。因此，应当理解，在 附后的权利要求书限定的范围内，可以用除在此具体描述之外的形式实施本发明。
权利要求
1. 一种用于将生物质转换成微粉的装置，其包含机壳；位于机壳内侧的至少一个凹槽，其内可放置生物质碎片；至少一个基本上直立取向的圆盘，该圆盘具有圆周边缘，其尺寸配合在凹槽内部、并被设置在凹槽内部但不接触凹槽侧面或底部；以及用于引起圆盘转动的手段，以相对于凹槽移动圆盘圆周边缘，从而剪切放置在凹槽侧面和底部与所述圆周边缘之间的生物质碎片，并且将生物质碎片破碎至微粉。
2. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述至少一个凹槽是直线形的。
3. 如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述至少一个圆盘具有保持在所述机壳的相 对侧上的水平轴。
4. 如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述水平轴载有多个圆盘。
5. 如权利要求3所述的装置，其特征在于，用于引起所述至少一个圆盘转动的所述手段 是所述水平轴的转动。
6. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述圆周边缘是可替换的。
7. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述凹槽围绕一个中心呈环形地设置。
8. 如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述圆盘具有通过支架保持的水平轴，所述 支架垂挂于水平取向的、设置成围绕所述中心旋转的构件上。
9. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，用于引起所述至少一个圆盘转动的所述手段 是所述水平取向的构件的转动。
10. —种用于从纤维素型生物质中生产用于酶解或者直接燃烧的微粉的处理方法，包括 下述步骤切碎或切削生物质，以产生最大尺寸约为3-5 mm的颗粒； 加工所述切碎的生物质，以将所述颗粒的最大直径减小至约1 mm以下； 用旋转圆盘研磨机处理所述经处理的生物质，以将最大粒度减少至直径小于100微米，其中转动轴支撑圆盘，所述圆盘的边缘在环形的V形凹槽中移动并且通过对所述边缘和所述V形凹槽之间的颗粒加压来破裂所述颗粒。
11. 如权利要求10所述的处理方法，其特征在于，还包括用微破裂机来破裂所述来自旋 转圆盘研磨机的生物质颗粒的步骤，其中，反转轴旋转并支撑着桨，从而使所述颗粒悬浮并 将其破裂，并且其中所述转轴以每分钟至少数千转的速度转动。
12. 如权利要求10所述的处理方法，其特征在于，所述处理步骤中使用破裂机，其中， 支撑着桨的反转轴使所述颗粒悬浮并将其破裂，并且其中所述转轴在每分钟约500转的速度 下转动。
13. 如权利要求IO所述的处理方法，其特征在于，所述处理步骤使用直线型盘式研磨机， 其中回转轴支撑着圆盘，所述圆盘的边缘通过对所述边缘和直线形V形凹槽之间的颗粒加压 来破裂所述颗粒。
全文摘要
将纤维素型生物质减小成微粉，微粉颗粒平均直径在5-10微米以下，颗粒的主要组分直径在1微米以下。首先将生物质(例如，木材、农业废弃物或其他植物材料)处理成最大直径约为10mm的片材。然后将其干燥以将其含水量减少到至多约为15wt％，并且将其导入破裂机，将其粒度减小至约1mm。接着，用圆盘式研磨机处理生物质，旋转圆盘的边缘沿着凹槽移动，同时加压并挤压生物质，从而将生物质片材破碎成越来越小的颗粒。得到的微粉极容易被酶解或化学水解为组成的糖类。另外，微粉可以被悬浮在气流中并且直接燃烧，以便将热量提供给锅炉和类似装置。
文档编号B02C15/14GK101437619SQ200780016640
公开日2009年5月20日 申请日期2007年3月12日 优先权日2006年3月10日
发明者羽田征治 申请人:生物质转化有限公司