在气化前使用蒸汽爆破法的生物质预处理的制作方法

在气化前使用蒸汽爆破法的生物质预处理的制作方法
【专利摘要】本申请涉及包括蒸汽爆破处理单元和生物质气化器的集成设备，用于由生物质生成合成气。蒸汽爆破处理单元将热、压力和水分的组合施加于生物质，从而将生物质制成湿的细颗粒形式。蒸汽爆破处理单元利用高压蒸汽对生物质内存在的任何气体和液体进行加热和加压，通过水分含量增加的生物质快速减压而从内部爆开生物质的整体结构。随后将产生的那些生物质的湿的细颗粒供给至生物质气化器的给料部分，生物质气化器使生物质颗粒发生生物质快速气化反应以产生合成气组分。
【专利说明】在气化前使用蒸汽爆破法的生物质预处理
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求于2012年6月22日作为部分继续申请提交的、名为"在气化前使用蒸 汽爆破法的生物质预处理（Pretreatment of Biomass Using Steam Explosion Methods Before Gasification) "的第13/531，318号美国非临时专利申请的优先权和权益。根据《美 国法典》第35编第119节，本申请还要求于2013年5月14日提交的、名为"在气化前使用 蒸汽爆破法的生物质预处理（Pretreatment of Biomass Using Steam Explosion Methods Before Gasification) "的第61/823, 360号美国临时专利申请的优先权和权益。

【技术领域】
[0003] 本申请一般地涉及使用蒸汽爆破法对生物质进行处理以作为气化或燃烧前的预 处理。在一个实施方式中，本申请具体涉及这样的集成设备，其使用生物质从生物质生产液 体燃料，或将生物质转化为致密形式以便于经济地运输至用于进一步加工成液体燃料、热 力/电力、动物饲料、褥草或化学品的设施。

【背景技术】
[0004] 该技术起初是为用干木片制作中密度纤维板而构想的。其他工艺要求研磨木片、 干燥木片、再研磨木片、润湿纤维、纤维致密化以及随后的木片致密化（比如以颗粒的形 式）等多个步骤。这些工艺复杂、成本高并且需要大量能源。一些其他典型工艺需要干燥 生物质碎片，然后将生物质碎片研磨到非常小的尺寸，之后传送至加热/处理单元。这种干 燥和研磨消耗大量能源和资金成本。这些工艺产生的细小纤维是蒸汽爆破处理（SEP)产生 的细颗粒尺寸的许多倍。
[0005] 发明概述
[0006] 本发明涉及包括蒸汽爆破单元和生物质气化器的集成设备，其用于由生物质生成 合成气。蒸汽爆破单元将热、压力和水分的组合施加于生物质，以将生物质制成湿的细颗粒 形式。蒸汽爆破单元施加高压蒸汽加热并加压生物质内存在的任何气体和液体，通过将水 分含量增加的生物质快速减压，从内部爆开生物质的整体结构。随后将产生的生物质的湿 的细颗粒供给至生物质气化器的给料部分，生物质气化器使生物质颗粒发生生物质快速气 化反应以产生合成气组分。可选地，可以将湿的细颗粒处理为致密形式（如小球），以易于 经济地运输至用于进一步处理为液体燃料、热力/电力、动物饲料、褥草或化学品的设施。
[0007] 附图简要说明
[0008] 以下多个图示涉及本申请的示例实施方式。
[0009] 图IA和IB示出了蒸汽爆破单元的实施方式的流程示意图，蒸汽爆破单元具有接 收作为原料的生物质的输入腔、两个或更多蒸汽供应输入部以及两个或更多工作站以预处 理生物质，用于随后供应至生物质气化器。
[0010] 图2示出了蒸汽爆破单元的实施方式的流程示意图，蒸汽爆破单元具有蒸汽爆破 工作站，蒸汽爆破工作站将生物质细颗粒供应至干燥器、烘焙单元、致密化单元、生物质气 化器或催化转化器。
[0011] 图3-1至3-5示出了用于示例性生物质气化器的可选配置。
[0012] 图3A和3B示出了集成设备流程图的实施方式，集成设备用于由生物质生成合成 气，并由合成气生成液体燃料产品，或将生物质生成为致密形式。
[0013] 图4A至4C示出了不同水平放大的示例性生物质碎片，示例性生物质碎片具有由 木质素环绕并结合在一起的纤维素纤维的纤维束。
[0014] 图4D示出了爆破为生物质细颗粒的示例性生物质碎片。
[0015] 图4E示出了具有绽裂或部分分离为单根纤维的纤维束的生物质碎片。
[0016] 图5示出了辐射热化学反应器的实施方式的流程图，该反应器配置为生成包括合 成气产品的化学产品。
[0017] 附图示出了本申请的更多方面和实施方式。
[0018] 尽管以各种修改和替代方案描述了本申请，但其【具体实施方式】已经通过图示中示 例的方式被示出，并且会在本文中详细描述。本申请应理解为不限于所公开的特定形式，相 反地，本发明意图覆盖落入本申请的实质和范围内的所有修改、等同方案和替代方案。

【具体实施方式】
[0019] 在下文的描述中，为了透彻理解本申请，阐述了大量具体细节，例如具体化学品、 命名的组件、连接方式、热源类型等。然而，对本【技术领域】的技术人员而言很清楚的是，即使 没有这些具体细节，本领域技术人员也能够实施本申请。在其他情况下，没有对公知的组件 或方法进行详细描述而是将其列在框图中，以避免对本申请造成不必要的模糊。因此，具体 细节的阐述只是示例性的。具体细节可进行改变而仍落入本申请的实质和范围之内。
[0020] 一般而言，本文描述了多种用于生物质预处理的示例工艺和与其有关的设备。下 面的附图和文字描述了用于使用生物质预处理的集成设备的多个示例性实施方式。在一个 实施方式中，集成设备至少包括蒸汽爆破单元和生物质气化器以由生物质生成合成气。蒸 汽爆破单元可具有接收作为原料的生物质的输入腔、一个或多个蒸汽供应输入部以及两个 或更多的工作站来预处理生物质以随后供给至生物质气化器。这些工作站对生物质施加 热、压力、水分的组合，以将生物质制成湿的细颗粒形式。通过施加来自第一蒸汽供应输入 部的蒸汽来起始降解来自生物质的纤维素纤维的木质素与半纤维素之间的键，蒸汽爆破处 理至少部分地分解了接收的生物质的整体结构，并增加了接收的生物质的水分含量。在最 后的工作站，施加来自第二蒸汽供应输入部的至少十倍于大气压力的蒸汽用于加热并加压 生物质内存在的任何气体和液体，通过水分含量增加并且键降解的生物质的快速减压而从 内部爆开接收的生物质的整体结构。由这些工作站制成的湿的细颗粒形式生物质的平均尺 寸为厚度小于70微米，长度小于500微米。随后将产生的生物质的湿细颗粒供给至生物质 气化器的给料部分。生物质气化器具有配置用于使这些湿的细颗粒形式的生物质进行反应 的反应容器，这些湿的细颗粒形式由于通过蒸汽爆破单元爆开而具有增大的表面积和减小 的颗粒大小。生物质气化器具有第三蒸汽供应输入部和一个或多个加热器，在蒸汽的存在 下，细颗粒形式的生物质在大于0. 1秒的驻留时间内在反应容器内进行快速生物质气化反 应，至少生成包括氢气（H2)和一氧化碳（CO)的合成气组分。
[0021] 可能的生物质气化器的实施方式具有高温蒸汽供应输入部和一个或多个加热器， 例如燃气燃烧器或回热加热器。在蒸汽的存在下，通过蒸汽爆破单元分解的生物质细颗粒 在不足1秒的生物质气化器驻留时间内、在反应容器内、以超过700摄氏度的温度进行快速 生物质气化反应，而生成包括氢气（H2)和一氧化碳（CO)的合成气组分，合成气组分被供给 至甲醇（CH30H)合成反应器。本领域技术人员会理解，下面在本说明文件中讨论的多个设 计的部分和观点可用作单独的概念或彼此互相结合。
[0022] 一个或多个蒸汽供应输入部可包括由一个或多个旋流器单元回收的循环污水产 生的低压蒸汽。例如，本文中描述的实施方式包括从旋流器单元汲取排出气体并将排出气 体供给至生物质气化器。该设计还可包括几种方式来减少在SEP处理中使用的全部蒸汽与 生物质的比例，以便减少设备产生的污水量并因此使得更容易对生成的生物质细颗粒进行 干燥。
[0023] 可以通过一个或多个旋流器单元回收的冷凝污水的蒸汽雾化，将松节油和其他挥 发物递送至生物质气化器。例如，含有挥发物/松节油的供给蒸汽可包括来自一个或多个 旋流器并供给入气化器的排出气体。松节油回收单元可包括在气化器中（伴随销售产品）， 或包括在用于气化器或重整器的燃烧系统。
[0024] 在示例性实施方式中，在生物质颗粒SEP预处理步骤与生物质颗粒夹带气体供给 入生物质气化器之间不引入额外的空气，这减少了排放并净化了气体。可包括多种选择来 使用出自蒸汽爆破单元的原动气体在生物质气化器中夹带。
[0025] 还可引入多种方法来在蒸汽爆破单元出口减压以减少原动气体。相应地，可包括 一个或多个减压区域将来自SEP容器的高压减为较低的排放压力。因此，设计可包括定位 蒸汽爆破单元以外的压降点以将蒸汽爆破单元的高压降低至如4-10bar的压力。压降可能 较早出现在通向旋流器的管道中。
[0026] 图IA和IB示出了蒸汽爆破单元的实施方式的流程示意图，蒸汽爆破单元具有接 收作为原料的生物质的输入腔、两个或更多蒸汽供应输入部以及两个或更多的工作站以预 处理生物质用于随后供应至生物质气化器。
[0027] 对于置于室外而没有特别干燥的生物质，碎片形式的生物质来料的水分值能够在 约15%至60%之间变化。通过切片机单元104与一些滤器的配合可以生成生物质碎片，所 述滤器具有可生成小于约1英寸并且平均长度约〇. 5英寸、平均厚度约1/4英寸的碎片的 尺寸（例如，参见图4A示例示出的来自生物质原木453的生物质碎片451)。生物质切片机 单元104可包括用来切削生物质的四个或更多个刀片。生物质原木的给料速度、刀片速度、 刀具突出的距离和刀具角度均能够用于控制碎片的大小。然后对碎片进行过筛并可对超尺 寸那些的进行再切片。可将不同来源或木材种类的碎片混合以改善某些性质。可以用磁体 或其他扫描器扫过以探测和去除杂质。生物质碎片供给到输送器上或可能置于蒸汽爆破单 元108的热分解工作站的压力容器中，蒸汽爆破单元108利用初始低压饱和蒸汽开始分解、 补水/增湿并软化生物质碎片。低压饱和蒸汽可为100摄氏度的温度。系统也可在此时注 入一些助流剂，如回收自生物质气化器114的灰分，以防止生物质碎片阻碍或堵塞。
[0028] 切片机单元104可供给两种或更多类型的生物质原料，并且蒸汽爆破单元108可 配置为接收两种或更多类型的生物质原料，其中不同类型的生物质包括1)软木、2)硬木、 3)草类、4)植物壳类及5)混合的任何组合，在蒸汽爆破单元108内经蒸汽爆破处理为均质 烘焙的原料，随后被收集并供给入生物质气化器114。蒸汽爆破单元108、烘焙单元112及 生物质气化器114设计为灵活给料，通过至少控制由蒸汽爆破工作站和烘焙单元112产生 的生物质颗粒大小从而无需改变进料设备的物理设计或生物质气化器114的物理设计。
[0029] 蒸汽爆破单元108具有接收作为原料的生物质的输入腔、一个或多个蒸汽供应输 入部以及两个或更多的工作站以预处理生物质从而随后供给至生物质气化器114。这些工 作站对生物质施加热、压力、水分的组合，以将生物质制成潮湿的细颗粒形式。通过施加来 自低压蒸汽供应输入部的蒸汽开始降解来自生物质的纤维素纤维的木质素与半纤维素之 间的键，蒸汽爆破处理至少部分地分解了接收的生物质的整体结构，并增加了接收的生物 质的水分含量（例如，参见图4B示例示出的具有由木质素环绕并结合在一起的纤维素纤维 的纤维束的生物质碎片）。在最后的工作站，将来自高压蒸汽供应输入部的至少10倍于大 气压力的蒸汽用于加热并加压生物质内存在的任何气体和液体，通过将水分含量增加并且 键降解的生物质快速减压而从内部爆开接收的生物质的整体结构。
[0030] 在实施方式中，蒸汽爆破单元108的两个或更多工作站至少包括热补水工作站和 蒸汽爆破工作站。
[0031] 热补水工作站具有用于接收生物质碎片的输入腔以及用于将低压饱和蒸汽施加 到装有生物质碎片的容器中的低压蒸汽供应输入部。热补水工作站配置为接收碎片形式的 生物质，包括叶子、针叶、树皮及木材。为了软化并提高生物质水分含量以在蒸汽爆破工作 站能够易于从碎片形式的生物质内部爆开生物质的纤维素纤维，热补水工作站以高于木质 素的玻璃化转变点的温度将低压蒸汽施加于生物质。在实施方式中，使用蒸汽将生物质碎 片加热到高于60°C。在约为大气压PSO的压力下、在高于60摄氏度但低于145摄氏度的温 度下，低压蒸汽供应输入部将低压饱和蒸汽施加到装有生物质碎片的容器中，开始分解、补 水并软化接收的碎片形式的生物质。低压供应输入部可包括有计划地设置于容器周围的数 个喷嘴。碎片在热补水工作站停留得足够久以使水分饱和。
[0032] 热补水工作站将已软化并增加水分含量的生物质碎片供给至蒸汽爆破工作站，其 压力为热补水工作站压力的10到40倍，并升高了温度，如160-270°c，优选地，204°C。压力 可为180-850镑/平方英寸（PSI)(优选256PSI)。蒸汽爆破工作站将生物质水分含量进一 步提高到重量占比至少40 %，优选地，重量占比50 %至60 %的水分含量。重量占比的水分 百分比可为水的重量除以包括生物质碎片加上水的总重量。在蒸汽爆破工作站，软化并补 水的生物质碎片与高温高压蒸汽接触充足的时间，如3分钟至15分钟，以在部分中空的纤 维素纤维和生物质原料整体结构中其他多孔区域内部形成高压蒸汽（例如，参见图4C示例 示出的生物质碎片，其具有由木质素环绕并结合在一起的纤维素纤维的纤维束，但放大可 见大量多孔区域）。
[0033] 应当注意的是，生物质碎片的蒸汽爆破处理（SEP)不使用机械细化器分离纤维， 而是在SEP中从内部爆开生物质碎片。而且，在SEP中没有添加酸性化学添加剂，如添加酸； 因此，甘蔗渣可达到88%或更高的收率。
[0034] 在热补水工作站之后，软化的碎片形式的生物质为1)破碎和2)压缩为塞状的任 意组合，然后供给入连续螺旋输送器系统。连续螺旋输器系统将塞状生物质移入蒸汽爆破 工作站。连续螺旋输送器系统使用塞状生物质以防止来自蒸汽爆破工作站中出现的高压蒸 汽的反吹背压影响热补水工作站。能够使用其他方法，如1)止回阀和2)在每个工作站通 过开启或关闭结构可隔离的情况下移动生物质。
[0035] 蒸汽爆破工作站能够在高至850PSI的压力下运行。栓塞螺旋进料器沿蒸汽爆破 工作站运送碎片。将高压蒸汽引入称为蒸汽混合输送器的部分中的栓塞螺旋进料器。高压 供应输入部可包括有计划地设置于蒸汽混合输送器周围的数个喷嘴。通过栓塞螺旋进料器 可准确控制生物质碎片原料经过蒸汽爆破工作站的停留时间。在蒸汽爆破工作站，塞状生 物质暴露于来自高压蒸汽输入部的至少160摄氏度和160PSI的高温高压蒸汽中至少5分 钟，优选地，约10分钟，直到水分渗透生物质整体结构的多孔部分，并且生物质中的所有液 体和气体都升为高压。
[0036] 如所讨论的那样，为使蒸汽爆破处理正常工作，系统需要生物质碎片中一定程度 的湿度/水分来提供爆炸源。所以通常在蒸汽爆破反应器中，碎片的水分重量占比一般至 少为50%到55%。在蒸汽爆破单元108的蒸汽爆破工作站中，装有软化的木质素的生物质 碎片的室内压力和温度都升高，温度比热补水工作站中装有生物质碎片的容器的运行环境 至少高20度，并且室内的压力大于10倍大气压，但停留时间短于在热补水工作站中的设定 时间。
[0037] 连续螺旋输送器系统栓塞状生物质经过蒸汽爆破工作站供给至出口。
[0038] 在实施方式中，小开口形成了出口并伸入保持约4-10bar压力的管中或其他容器 区域，高压下的任何内部液体或气体都膨胀到从内部爆开生物质。在某些情况下，压降从 蒸汽爆破反应器内的高压一直降至大气压力。不论哪种情况，在蒸汽爆破工作站出口和旋 流脱水工作站之间的管中或其他容器中发生的大幅压降都下降得很迅速。在实施方式中， 通过在160到850PSI之间、以显著下降的压力（如4-10bar)将生物质整体结构挤压到管 中，从而发生快速压降，当压力下降使蒸汽快速膨胀或由于压力降至其蒸汽压以下使液态 水"闪变"为气态而引起内部"爆炸"，从内部爆开碎片形式的生物质成为细小的生物质颗 粒。在其他实施方式中，蒸汽爆破工作站的蒸汽爆破反应器部分包括专门的释放机构，其被 配置为"爆破"生物质碎片材料至大气压力下的下一工作站。释放机构开启，将生物质从高 压蒸汽爆破反应器推出该反应器排放阀或门，推入泄料罐的供料管线。
[0039] 因此，此工作站中离开蒸汽爆破反应器的加压蒸汽或超热水快速下降引起爆炸， 爆炸将生物质碎片分解为细小的颗粒（例如，参见图4D示例示出的爆破为生物质细颗粒 453的生物质碎片）。组成生物质的原始纤维束爆破为形成细粉离散颗粒的片段（例如，参 见图4A-C示例示出的不同水平放大的生物质碎片，其具有由木质素环绕并结合在一起的 纤维素纤维的纤维束，与图4D相比。）
[0040] 水分和生物质碎片被挤出反应器，排至压力接近大气压的容器，如泄料管线。在生 物质材料的部分中空的纤维和其他多孔区域内，高压蒸汽或转变为气态的水造成生物质细 胞爆破为湿粉细颗粒。生物质整体结构包括环绕着大量纤维素纤维的木质素和半纤维素的 有机聚合物。在至少使用水分、压力和热的SEP步骤中从内部将生物质整体结构爆开，释放 并暴露纤维素纤维，例如，使其能够在生物质气化反应时直接反应，而不是只有在木质素和 半纤维素的层先反应然后暴露出纤维素纤维后才反应。高温也降低了分解生物质结构所需 的能量/力，因为木质素的软化有助于纤维沿中间层的分离。
[0041]因此，在蒸汽爆破工作站内部，开启机械机构（例如阀或门）或仅仅是在蒸汽爆破 反应器中存在小洞。反应器在高压下填充有可能为塞形式的软化生物质碎片，并在一段时 间后将那些软化生物质碎片暴露于低压下，这样的低压在物理学上将包括木质素、纤维素 纤维和半纤维素的生物质纤维束的整体结构爆开成为片段并彼此分离。当蒸汽爆破处理在 蒸汽爆破反应器中以较低的水平运行时（例如175-185摄氏度及160PSI)，那么会出现细小 纤维的以片段大小的颗粒，而在较高水平运行时（例如300PSI)，则产生非常细的颗粒。
[0042] 由该工作站产生的湿的细颗粒形式的生物质具有厚度小于50微米和长度小于 500微米的平均尺寸。在实施方式中，产生的水分含量降低的生物质细颗粒包括片段化的、 破碎的、切碎的及这些任意组合的纤维素纤维，一般可具有厚度小于30微米和长度小于 250微米的平均尺寸。随后将产生的生物质的湿的细颗粒供给至生物质气化器114的给料 部分。
[0043] 将纤维束中的生物质整体结构从内部爆开成为纤维素纤维、木质素和半纤维素碎 块和片段造成共三个结果：1)与接收的碎片形式的生物质相比，细颗粒形式生物质的表面 积增加，2)不需要先进行木质素和半纤维素外层的反应再开始纤维素纤维的反应，以及3) 改变细颗粒形式生物质的粘度以使其像沙粒一样流动而不像纤维。
[0044] 由SEP反应器造成的生物质形态变化可包括：
[0045] a.不存在完整的纤维结构，而将所有部分都爆破而产生更大的表面
[0046] 积，导致在生物质气化器中更高的反应速率；
[0047] b.纤维出现变形、分层，细胞壁外露并破裂；
[0048] c. 一些木质素仍附着于纤维素纤维的细胞壁；
[0049] d.半纤维素部分水解并连同木质素一起部分溶解；
[0050] e.木质素与糖类/多糖（即半纤维素和纤维素）之间的键大部分被切
[0051] 割；以及
[0052] f.本文中讨论的许多其他变化。
[0053] 生成的湿的细颗粒可以为例如直径20-50微米的厚度和长度小于100微米的平均 尺寸。应当注意，1英寸=25, 400微米。因此，从切片机单元104出来的生物质碎片具有平 均最高至1英寸的长度和〇. 25英寸的厚度，而成为湿的细颗粒后具有平均为直径20-50微 米的厚度和小于100微米的长度，尺寸缩小了超过2000倍。饱和的生物质碎片发生的剧烈 爆炸解压的速率比在碎片形式的生物质多孔区域中的饱和的高压水分能够从生物质结构 中逃逸的速率更快。
[0054] 应当注意，不需要从外部机械分离细胞或纤维束，而是该处理使用蒸汽由内而外 爆破细胞（例如，参见图4E示出的具有的纤维束绽裂或部分分离为单根纤维的生物质碎片 451)。在生物质碎片上使用SEP产生了带有一些木质素覆盖的纤维素和半纤维素的细小颗 粒（例如，参见图4D示出的生物质碎片示例，其包括第一生物质碎片451、爆破为细颗粒的 生物质453)。这种木质素、半纤维素和纤维素的细小形式的复合物具有高表面积，能够在系 统中以高密度移动/输送。
[0055] 产生的生物质细颗粒向下游供给至生物质气化器114,用于在生物质气化器114 的反应器中进行快速生物质气化反应，因为与接收的碎片形式的生物质相比，细颗粒对于 等量的生物质具有更高的面容比，这就允许对生物质材料进行更高效的传热并且更快速地 热解和气化生物质中的所有分子。
[0056] 请参考图IB的示例，其中一个或多个蒸汽供应输入部可包括由一个或多个旋流 器单元回收的循环污水产生的低压蒸汽。例如，本文中描述的实施方式包括从旋流器单元 汲取排出气体并将排出气体供给至生物质气化器。而且，那些气体和任何额外的冷凝物可 供给至松节油回收单元。
[0057] 在实施方式中，可能进行循环运行而不是连续输送器系统。循环运行允许将软的 湿碎片装载到SEP反应器内，然后蒸汽输入部引入高温高压蒸汽10分钟来提高生物质中的 气体和液体的压力。在此之后，阀或门开启，将生物质细颗粒挤压进通入供料管线中，进入 泄料罐。
[0058] 蒸汽爆破工作站的出口工作站的收集室用于收集减小为较小颗粒尺寸的糊状生 物质。一个或多个旋流过滤器能够与供料管线内联以将气态水从生物质颗粒中分离出来， 生物质细颗粒再供给入泄料罐。
[0059] 如讨论的那样，在蒸汽爆破工作站的出口，塞状生物质爆破为湿的细颗粒形式。填 充有高压蒸汽和/或超热水的蒸汽爆破工作站包括排出口，其被配置为在大气压力下"爆 破"生物质材料至下一工作站以产生细颗粒形式生物质。细颗粒形式生物质以高速流经泄 料罐的供料管线。
[0060] 湿的细颗粒形式的生物质进入泄料罐的供料管线。供料管线起初很小，比如直径 只有1. 5英寸，生物质颗粒以高速通过。在泄料管线初始部分可加入增流剂（例如，蜡），而 纤维仍然是湿的以改善原料稠度并避免水合键合。供料管线现在扩大到直径60英寸，通过 设置加热盘管并给泄料管线加温，使湿的细颗粒形式生物质保持其热量。生物质保温易于 促进生物质的树脂和树脂酸结晶，防止纤维颗粒重新聚集到一起。因此，温度有助于防止木 质素凝结以及树脂硬化。
[0061] 助流剂包括以下任何一种：1)从生物质气化器回收的灰分和2)烯烃（例如，蜡）， 助流剂注入以下任何一处：1)蒸汽爆破工作站的排出口和2)供料管线中，以防止生物质阻 塞。另外，供料管线可具有沿其周围设置的加热盘管以保持细颗粒形式的生物质提升的温 度，有助于防止细颗粒形式生物质中树脂和树脂酸的结晶。
[0062] 由于在泄料管线中的蒸汽闪变并排出成为气态水，产生的生物质颗粒失去了大比 例的水分含量。通过旋流过滤器将产生的生物质细颗粒和水分分离并随后供给入泄料罐。 因此，水分离单元是与泄料管线内联的。蒸汽爆破工作站的出口工作站的收集室用于收集 减小为较小颗粒尺寸的糊状生物质并供给至水分离单元。在旋流器单元和/或干燥器单元 中将水从细颗粒形式生物质中去除。
[0063] 在泄料罐出口处，通过干燥器单元（例如，气流干燥器或低温烘焙单元）将生物质 细颗粒的水分内容物进一步干燥出来，干燥器单元将生物质细颗粒的水分含量减少到优选 重量占比5-20 %，一般最高至35 %。纤维制备的目的是使生物质颗粒的表面积最大化并尽 可能干燥到输出生物质细颗粒具有以重量计5-20%的水分。气流干燥器只吹热空气来干燥 从泄料罐出来的生物质颗粒。气流干燥器一般能够位于泄料罐的出口处或替代其入口处的 旋流器以使输出的生物质颗粒含有重量占比高于5%但低于35%的水分含量。
[0064] 产生的生物质颗粒与热机械制浆（TMP)的不同之处在于，颗粒表现的更像晶体结 构，比容易卷缠和凝结的纤维更易于流动。
[0065] 水分含量降低到重量占比5%至约35%的细颗粒形式生物质通过输送系统供料， 例如，供给至烘焙单元112在100至700摄氏度的温度下、以预设时间量进行烘焙或热解。
[0066] 输送器系统供应颗粒形式生物质给烘焙单元112,在低于700摄氏度的温度下、以 预设时间量处理生物质，产生的排出气体用于生成一部分的合成气组分，将合成气组分用 容器收集起来，可最后供应至液体有机产品合成反应器，如甲醇合成反应器。
[0067] 由于蒸汽闪变和进一步风干，从泄料罐和气流干燥器出来的生物质细颗粒已经具 有低水分含量，并且是带有木质素覆盖的纤维素纤维片段、木质素碎片、纤维素和半纤维素 等的复合物。生物质气化器114具有反应容器，其被配置为使湿的细颗粒形式生物质以增 大的表面积进行反应，增大的表面积是由于通过蒸汽爆破单元108进行了爆破。生物质气 化器114具有高压蒸汽供应输入部和一个或多个加热器，在蒸汽的存在下，细颗粒形式生 物质在0. 1到5秒的驻留时间内在反应容器内进行快速生物质气化反应，至少生成包括氢 气（H2)和一氧化碳（CO)的合成气组分。当产生的细颗粒以高密度供应给生物质气化器114 时，小颗粒反应迅速并更容易且更完全地将生物质的较大的碳氢化合物分子分解为合成气 组分。因此，几乎所有的生物质材料木质素、纤维素纤维和半纤维素完全气化，而不是一些 碎片内部没有与焦化碎片的硬外壳分解为相同的程度。与碎片相比，这些细颗粒生成较少 的残余焦油、较少的碳包覆和较少的析出物。因此，将生物质整体结构破碎为纤维束有助于 减少稍后在生物质气化中产生的焦油的量。这些细颗粒也允许以较大的材料堆积密度供给 入生物质气化器114。作为附注，除了在生物质气化器114中产生CO和H2之外，具有重量 占比至少10 %的液态或气态水可促进生成甲醇CH30H作为反应产物。
[0068] 烘焙单元和生物质气化器114可合为整体单元。
[0069] 在备选方案中，生物质的湿的爆开颗粒可以浆料形式直接从蒸汽爆破反应器输 出，或在干燥后，供给至制粒机。制粒机可使生物质致密化形成生物质小团，然后再将那些 小团送入生物质气化器。这种直接供料并将生物质转化形成小团形式省掉了多个步骤和在 那些省掉的步骤中涉及的大量能源消耗。或者，可将颗粒运往用于进一步处理为液体燃料、 热力/电力、动物饲料、褥草或化学品的设施。
[0070] 在实施方式中，生物质气化器114设计为辐射传热给流经反应器的生物质颗粒， 该反应器设计的快速气化的生物质颗粒停留时间为0. 1到10秒，优选地，小于1秒。流经 辐射热反应器的生物质颗粒和反应气体主要由来自辐射热反应器表面和可能夹带在流中 的传热辅助颗粒的辐射热驱动。反应器可加热颗粒的温度一般超过900摄氏度，优选地，至 少1200°C，以产生包括一氧化碳和氢气的合成气组分，并使生成的甲烷在出口产物的成分 组成中保持< 1 %的水平，使留在出口产物中的焦油和产生的灰分最小化。
[0071] 图3-1至3-5示出了生物质气化器114的示例性实施方式。图3-1示出了使用辐 射热的喷泉反应器，其中携带生物质的夹带气从气化器底部进入，通过中心管喷射，涌出越 过中心管形成的隔离壁，并落入外管和中心管之间形成的部位。图3-2和3-3示出了示例 性的卡口反应器的辐射热设计，其中一系列辐射热管用于加热注入的生物质。燃气燃烧器 能够直接提供热量给管或中间源（例如，加热气），再由中间源供给至管。生物质可在管外， 而热量由内部供给管。可选地，生物质可在管板和耐火衬之间。图3-4示出了示例性的向 下通风的辐射热反应器，其中多个管用于提供辐射热给反应器。生物质可在管外，而热量由 内部供给管，反之也可以。
[0072] 图3-5示出了生物质气化器的实施方式的剖视图，生物质气化器包括内含偏置并 交错的反应器管的接收器腔。热接收器306具有带内壁的腔。热接收器306的腔壁相对于 反应器管302的由辐射驱动的几何结构设置了化学反应器的多个管302,这些管在热接收 器306内部偏置并交错排列。腔壁的表面积大于反应器管302占用的面积，以允许辐射从 多个角度到达管302上的区域。接收器306的腔的内壁和反应器管302主要通过辐射交换 能量，借助壁和管302充当辐射再发射器以实现到达所有管302的高辐射热通量，并因此避 免屏蔽和阻碍辐射到达管302,从而允许反应器管302实现在其中反应区从始至终的相当 均匀的温度谱。
[0073] 因此，借助这些1)交错并偏置的管302,连同2)与内含的管302占用的面积相比 的直径更大的腔壁，以及3)连同相互几何排列的多个反应器管之间的管间辐射交换，反应 器管302和腔壁的几何结构形成了入射辐射分布。壁由高度反射辐射或吸收并再发射辐射 的材料制成。入射辐射分布的定型使用接收器306腔内的辐射反射和吸收。相应地，热接 收器306的内壁对齐并充当辐射分配器，通过1)吸收并再发射辐射能，2)高度反射入射辐 射至管302,或3)前两者的任意组合，以维持内含的超高热通量化学反应器的工作温度。反 应器管302吸收来自1)腔壁、2)直接来自回热式燃烧器和3)来自充当辐射再发射器的其 他管的外壁的辐射，然后通过传导到反应器管302的内壁来传热，其中热量辐射到反应颗 粒和气体，温度在900摄氏度到1600摄氏度之间，优选地，高于1100摄氏度。
[0074] 如所讨论的那样，接收器306的腔的内壁和反应器管302主要通过辐射在彼此间 交换能量，而不通过对流或传导，这样即使一般温度较低的生物质颗粒和夹带气从第一入 口点进入反应区内的反应器管302,并穿过加热的腔，在第二出口点离开反应区，也能够允 许对于反应器管302实现相当均匀的温度谱。这种来自内壁和反应器管302的辐射传热驱 动了化学反应，并使得化学反应物的温度迅速上升至接近从反应器出口离开的产物和其他 流出物的温度。
[0075] 每个反应器管302的气化反应区的长度和直径尺寸被设定成能提供在至少900摄 氏度的气化温度下有超过〇. 01秒的很短的停留时间和在多个反应器管302中的气化区的 出口。反应产物在气化区出口具有等于或超过900摄氏度的温度，在化学反应器设计中多 个反应器管302增加了用于生物质颗粒辐射交换以及管间辐射交换的可用反应器表面积。 伴随产生稳定灰分形成的分散下落的生物质颗粒的快速气化反应发生在反应器管302中 反应区内的停留时间内，造成焦油改善为小于500毫克每标准立方米，以及至少90 %的生 物质转化为产生氢气和一氧化碳产物。
[0076] 这种设计减小了反应器管302和炉所需的表面积，从而减小了炉室大小、重量和 成本（大小和重量对于塔顶太阳能应用以及其他应用都很重要）。
[0077] 为实现高转化率和选择性，生物质气化要求的温度超过1000°C。这在标准的流化 床气化器中很难实现，因为更高的温度要求生物质自身更大部分的燃烧。因此，间接式流化 床气化通常限制在800°C的温度。在此温度下，大量产生不需要的高级碳氢化合物（焦油）。 这些焦油堵塞下游设备并使催化剂表面淤塞/失活，从而需要在除焦油设备上进行重大资 本投入（设备总成本的10-30%)。高热通量热力系统能够非常有效地实现高温。更重要 的是，工艺效率能够按照浓度和要求的温度的函数来控制，并且不再与为实现高温而损失 的生物质的部分相关联。因此，在焦油裂解期间的温度（1000-1300°C )能够不损失任何来 自生物质的燃料或全过程效率而实现。这省去了通常与生物质气化系统相关的一系列复杂 的焦油裂解设备。此外，高温运行改善了传热并减少了所需的停留时间，缩减了化学反应器 的大小及其资金成本。
[0078] 用介于1200°C和1450°C之间的壁温和超过900°C但不超过硅熔点（1600°C )的出 口气体温度清楚划定的运行温度在气化中不是通常见到的，并且确定未见于间接（循环流 化床）气化中。可能进行的生物质和蒸汽的共气化重整天然气能够在超高热通量化学反应 器中进行，但不能在部分氧化气化器中进行（因为甲烷会优先燃烧）。工艺的给料灵活性来 自简单的管状设计，大部分气化器由于本文讨论过的原因而不能处理各种各样的燃料。
[0079] 形成接收器306腔的内壁的材料可具有在1100°C -1600°C的温度下保持其结构强 度的机械和化学特性，具有ε >0. 8的高发射率或ε〈0. 2的高反射率，以及高热容（>200J/ kg-K)和低导热率（〈lW/m-K)，用于接收器306的腔。形成反应器管302的材料具有高发射 率（ε >0· 8)、高导热率（>lW/m-K)、中到高热容（>150J/kg-K)。
[0080] 确定粒度的粒度分析的示例可以是数字图像处理的粒度及形状分析系统，如 Horiba, Ltd. Camsizer XT粒度分析器。这样的系统使用一个或多个相机，在粒度范围内，例 如30 μ m到30_，提供对干粉和粒状材料的快速且精确的粒度及粒形分布。来自数字图像 处理系统的测量值允许与来自在某些情况下也可用于测量粒度的筛分和沉降等不同技术 的现有数据有相关性。在实施方式中，使用Horiba, Ltd. Camsizer XT粒度分析器测量蒸汽 爆破碎木片的粒度。通过外部操作将待测试样揉捏和搅拌在可密封的袋子中进行混合。混 合后，将一定量的试样，如约3cnT3 (cm3)，装入仪器的试样料斗中。目标是运行并分析足够 的进样量，如每个试样至少2百万个颗粒，这样试样体积只在对应足够数量的细颗粒的情 况下才重要。可在仪器上以如下示例进行设置：0.2%覆盖区域、成像率1:1、使用X-Jet (压 缩空气分散进样）、间隙宽度=4. 0mm、分散压力=380. OkPa、xFe_max [相应地xc_min]。控 制进料速度以产生目标覆盖区域，以便计算机能够足够快速地处理图片。镜头成像率是固 定的，每次运行都得到"基本"和缩放图像。平均粒度的单一值，如直径小于50微米，可作 为客观测量标准。在实施方式中，Fe-max和xc-min的三点值都较完整。所以就类似于6点 值。粒度分布（?30)可定义为？6-]\&?的010、050、090和乂(3-1^11的010、050、090。那么， 测量值能够使用多个值，如输入6个值以确定测量值。也可使用其他类似机制。
[0081] 使用Fe max和xc min在体积基准上能够进行计算。可用于分析颗粒图像的两个 模型：xc-min，其产生的结果可与那些通过物理筛选/筛分试样获得的结果相当；Fe-max， 类似于用卡尺测量给定颗粒的最长尺寸。对于所有试样都获得原始数据、频率曲线、废弃结 果和颗粒图像。在体积基准上可计算D10、D50和D90,因为是平均长径比。D90描述的直径 中，分布的90 %具有较小粒度而10 %具有较大粒度。DlO直径具有10 %较小粒度和90% 较大粒度。以D10、D50和D90为特征的三点规格认为是完整的并适用于大部分颗粒材料。 在实施方式中，粒度分布PSD可定义为D50 ( μ m)模型Fe-max。
[0082] 表1-蒸汽爆破太材的粒度分布
[0083] 由xc-min和Fe-max模型得出的SEP处理后试样粒度指数
[0084]

【权利要求】
1. 由生物质生成合成气的集成设备，包括： 蒸汽爆破单元，其具有接收作为原料的生物质的输入腔、一个或多个蒸汽供应输入部 以及两个或更多的工作站以预处理所述生物质用于随后供应至生物质气化器，其中所述工 作站利用施加于所述生物质的热、压力和水分的组合以使所述生物质成为湿的细颗粒形 式，其中通过施加来自第一蒸汽供应输入部的蒸汽来开始降解所述生物质的纤维素纤维的 木质素和半纤维素之间的键，蒸汽爆破处理至少部分地分解所述接收的生物质的整体结 构，并增加所述接收的生物质的水分含量，然后在所述工作站中，施加来自第二蒸汽供应输 入部的至少十倍于大气压力的蒸汽来进行加热并加压所述生物质内存在的任何气体和液 体，通过将水分含量增加和键降解的生物质的快速减压，从内部爆开所述接收的生物质的 整体结构，其中由所述工作站产生的湿的细颗粒形式的生物质具有厚度小于70微米和长 度小于500微米的平均尺寸，产生的生物质的湿的细颗粒随后被供给至生物质气化器的给 料部分；以及 其中，所述生物质气化器具有反应容器，所述反应容器被配置为使湿的细颗粒形式的 生物质进行反应，所述生物质由于通过所述蒸汽爆破单元爆开而具有减小的颗粒大小和总 体增加的表面积，其中所述生物质气化器具有第三蒸汽供应输入部和一个或多个热源，并 在蒸汽的存在下，细颗粒形式的生物质在所述反应容器内进行快速生物质气化反应，至少 生成包括氢气（H2)和一氧化碳（CO)的合成气组分，其中所述蒸汽爆破单元和所述生物质 气化器为所述集成设备的部分。
2. 根据权利要求1所述的集成设备，其中所述蒸汽爆破单元的两个或更多工作站包括 热补水工作站和蒸汽爆破工作站，其中所述热补水工作站具有用于接收生物质碎片的输入 腔和第一蒸汽供应输入部，第一蒸汽供应输入部用于将约为大气压PSI压力、高于60摄氏 度但低于145摄氏度的升高的温度的低压饱和蒸汽施加到容纳有所述生物质碎片的容器 中的，从而开始分解、补水并软化接收的碎片形式的生物质，其中所述生物质碎片在所述热 补水工作站停留得足够久以使水分饱和。
3. 根据权利要求2所述的集成设备，其中所述热补水工作站将已软化并增加水分含量 的生物质碎片供给至所述蒸汽爆破工作站，所述蒸汽爆破工作站的压力为所述热补水工作 站压力的10到40倍，并且所述蒸汽爆破工作站将生物质水分含量进一步提高到以重量计 至少40%、优选50%至60%的水分含量，其中所述水分含量为水的重量除以生物质碎片加 上水的总重量。
4. 根据权利要求1所述的集成设备，其中在所述热补水工作站之后，软化的碎片形式 的生物质为1)破碎的生物质和2)压缩为塞状的的生物质的任意组合，然后所述生物质被 供给入将塞状生物质移入所述蒸汽爆破工作站的连续螺旋输送器系统，其中在所述连续螺 旋输送器系统中，所述塞状生物质防止来自所述蒸汽爆破工作站中出现的高压蒸汽的反吹 背压影响所述热补水工作站，并且 其中来自所述生物质气化器的包括氢气（H2)和一氧化碳（CO)的合成气组分被供给至 下游的有机液体产物合成反应器。
5. 根据权利要求4所述的集成设备，其中所述蒸汽爆破单元、所述生物质气化器和所 述有机液体产物合成反应器是集成设备的部分。
6. 根据权利要求2所述的集成设备，其中在所述蒸汽爆破工作站中，所述生物质在来 自第二蒸汽输入部的至少188摄氏度和160PSI的高温高压蒸汽中暴露至少5分钟，优选 地，约10分钟，直到水分渗透生物质整体结构的多孔部分，并且所述生物质中所有液体和 气体都升为高压，其中所述输送系统将所述生物质经过蒸汽爆破工作站供给至出口，其中 小的开口伸入保持在4-lObar的降低压力的管中，任何内部高压液体和气体膨胀而从内部 爆开所述生物质的整体结构，从而成为生物质的湿的细颗粒。
7. 根据权利要求1所述的集成设备，其中所述蒸汽爆破单元的两个或更多工作站包括 热补水工作站和蒸汽爆破工作站，其中所述热补水工作站具有以高于木质素的玻璃化转变 点的温度施加于所述生物质的蒸汽，从而软化生物质和提高所述生物质的水分含量，使得 能够在所述蒸汽爆破工作站将生物质的纤维素纤维从所述生物质内部爆开，其中所述热补 水工作站配置为接收碎片形式的生物质，所述碎片形式的生物质包括叶子、针叶、树皮和木 材以及非木质生物质原料，如能源作物，然后使用蒸汽将生物质碎片加热至高于60°C，在所 述蒸汽爆破工作站中，软化并补水的生物质碎片暴露于高温高压蒸汽持续设定的时间，从 而在部分中空的纤维素纤维和生物质原料整体结构中的其他多孔区域内部形成高压蒸汽， 然后蒸汽爆破单元出口处的压力通过在160到850PSI之间将生物质整体结构挤压到压力 降低的管中发生快速压降从而引起内部爆破，从内部将生物质爆开成为细小的生物质细颗 粒，其中将纤维束中的生物质整体结构从内部爆开成为纤维素纤维、木质素和半纤维素的 碎块和片段造成1)与接收的碎片形式的生物质相比，细颗粒形式的生物质的表面积增加， 以及2)将产生的生物质结构改变为细颗粒形式，从而流动性类似沙粒而不类似纤维。
8. 根据权利要求1所述的集成设备，其中所述蒸汽爆破单元的两个或更多工作站包括 热补水工作站和蒸汽爆破工作站，其中在所述蒸汽爆破工作站出口处，一旦所述生物质爆 破为湿的细颗粒形式，则由于泄料管线中的蒸汽闪变并排出成为气态水，产生的生物质颗 粒失去了一定比例的水分含量，其中产生的生物质颗粒和水分随后通过旋流过滤器分开， 其中所述生物质细颗粒的所含水分在泄料容器出口处通过干燥器进一步干燥，所述干燥器 优选地将所述生物质细颗粒的水分含量降低至以重量计1-20%，一般最高至30%，其中所 述干燥器随后将水分含量降低的生物质细颗粒供给至所述生物质气化器。
9. 根据权利要求1所述的集成设备，其中产生的水分含量降低的生物质细颗粒包括片 段化的、撕碎的、切碎的纤维素纤维及这些的任意组合，所述生物质细颗粒具有厚度小于30 微米和长度小于200微米的平均尺寸，其中将产生的生物质细颗粒供给至下游的生物质气 化器，用于在所述生物质气化器的反应器中进行快速生物质气化反应，因为与接收的碎片 形式的生物质相比，产生的生物质细颗粒对于等量的生物质具有更高的面容比，这允许对 生物质原料进行更高效的传热和传质并且更快速地热解和生物质中的所有分子的气化。
10. 根据权利要求2所述的集成设备，其中填充有高压蒸汽的蒸汽爆破工作站包括排 出口，所述排出口配置为在下一工作站的降低的压力下"爆破"生物质原料，以产生细颗粒 形式生物质，其中所述细颗粒形式生物质以高速流经泄料容器的供料管线，将包括1)可流 动固体和2)气体中的任何一个的助流剂注入下列中的任何一个：1)蒸汽爆破工作站的排 出口和2)供料管线中，以防止生物质阻塞，另外，供料管线具有沿其周围设置的加热盘管 以保持细颗粒形式生物质的提升的温度，有助于防止所述细颗粒形式生物质中树脂和树脂 酸的结晶。
11. 根据权利要求1所述的集成设备，还包括： 水分离单元，其中所述蒸汽爆破工作站的出口工作站的收集室用于收集减小为较小颗 粒尺寸的糊状生物质并供给至水分离单元，其中在旋流器单元中将水从细颗粒形式生物质 中去除，并将水分含量降至以重量计小于20%的细颗粒形式生物质通过输送系统供给至烘 焙单元，在小于700摄氏度的温度下、以预设时间量进行生物质的烘焙、干燥或热解。
12. 生产细颗粒形式生物质的集成设备，包括： 蒸汽爆破单元，其具有用于接收作为原料的生物质的输入腔，两个或更多的蒸汽供应 输入部，用于预处理生物质从而随后供应至致密化单元的两个或更多工作站， i) 其中所述工作站利用对所述生物质施加的热、压力和水分的组合以使所述生物质成 为湿的细颗粒形式， ii) 其中通过施加来自第一蒸汽供应输入部的蒸汽来开始降解所述生物质的纤维素纤 维的木质素和半纤维素之间的键，第一工作站至少部分地分解所述接收的生物质的整体结 构，并增加所述接收的生物质的水分含量，并且 iii) 然后在下一工作站，施加来自第二蒸汽供应输入部的至少十倍于大气压力的蒸汽 来进行加热并加压所述生物质内存在的任何气体和液体，通过将水分含量增加和键降解的 生物质的快速减压，从内部爆开所述接收的生物质的整体结构，其中由所述工作站产生的 湿的细颗粒形式的生物质具有厚度小于70微米和长度小于500微米的平均尺寸，随后所产 生的生物质的湿的细颗粒以浆料形式从所述蒸汽爆破单元出口处直接供给至所述致密化 单元，其中所述致密化单元配置为将所述湿的颗粒形式生物质致密化为致密形式，所述致 密形式包括但不限于生物质小团，并且其中所述致密形式生物质随后被供给入下列中的一 个或多个：1)生物质气化器，2)用于工艺用热的燃烧单元，3)产生电力的燃烧电源，4)产生 化学品的工艺单元，以及5)打包单元，用于存储或运输至利用生物质小团的应用。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中由所述蒸汽爆破单元产生的湿的颗粒形式生物 质被供应至干燥器，所述干燥器配置为将生物质水分含量干燥至0%到45%，随后将干燥 的生物质输送至所述致密化单元。
14. 在集成设备中由生物质生成合成气的方法，包括： 接收作为原料的生物质，在两个或更多工作站中预处理所述生物质，从而随后供应至 生物质气化器； 在两个或更多所述工作站中将热、压力和水分的组合施加于所述生物质，从而使所述 生物质成为湿的细颗粒形式，其中通过施加低压蒸汽开始降解生物质的纤维素纤维的木质 素和半纤维素之间的键，所述工作站中的蒸汽爆破处理至少部分地分解了所接收的生物质 的整体结构，并增加了所接收的生物质的水分含量，然后通过更高压力的蒸汽来进行加热 并加压生物质内存在的任何气体和液体，通过将水分含量增加和键降解的生物质的快速减 压，从内部爆开所述接收的生物质的整体结构，其中由所述蒸汽爆破工作站产生的湿的细 颗粒形式的生物质具有厚度小于70微米和长度小于500微米的平均尺寸，产生的生物质的 湿的细颗粒随后被供给至生物质气化器的给料部分；以及 使湿的细颗粒形式的生物质颗粒在生物质气化器中进行反应，所述生物质由于通过所 述蒸汽爆破单元的两个或更多工作站爆开而具有减小的颗粒大小和总体增加的表面积，其 中在蒸汽的存在下，由蒸汽爆破单元产生的生物质颗粒进行快速生物质气化反应，至少生 成包括氢气（H2)和一氧化碳（CO)的合成气组分，其中所述蒸汽爆破单元和所述生物质气 化器为所述集成设备的部分。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述两个或更多工作站包括热补水工作站和蒸 汽爆破工作站，其中所述热补水工作站将约为大气压PSI压力、高于60摄氏度但低于145 摄氏度的升高的温度的水分饱和的低压蒸汽施加到装有碎片形式的生物质的容器中，从而 开始分解、补水并软化接收的碎片形式的生物质，其中生物质碎片在所述热补水工作站停 留得足够久以使水分饱和，其中所述热补水工作站将已软化并水分含量增加的生物质碎片 供给至所述蒸汽爆破工作站，所述蒸汽爆破工作站的压力为160至850PSI，温度在160至 270°C之间，并且所述蒸汽爆破工作站将生物质水分含量进一步提高到以重量计至少40%、 优选50 %至55%的水分含量，其中所述水分含量为水的重量除以生物质碎片加上水的总 重量。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中在所述热补水工作站之后，软化的碎片形式的 生物质为1)破碎的生物质和2)压缩的生物质的任意组合，然后所述生物质被供给入将生 物质移入所述蒸汽爆破工作站的输送器系统，其中在所述输送器系统中，所述生物质防止 来自所述蒸汽爆破工作站中出现的高压蒸汽的反吹背压影响所述热补水工作站。
17. 根据权利要求14所述的方法，其中所述蒸汽爆破单元的两个或更多所述工作站 包括热补水工作站和蒸汽爆破工作站，其中所述热补水工作站将蒸汽施加于所述生物质， 以便软化生物质并提高生物质水分含量，从而从内部爆开碎片形式的生物质，其中所述生 物质在高温高压蒸汽中暴露充足的时间以在部分中空的纤维素纤维和生物质原料整体结 构中其他多孔区域的内部形成高压蒸汽，然后蒸汽爆破单元出口处的压力通过在160到 850psig之间将生物质整体结构挤压到压力降低的管中发生快速压降从而引起内部爆破， 从内部将生物质爆开成为细小的生物质细颗粒。
18. 根据权利要求14所述的方法，其中一旦所述生物质爆破为湿的细颗粒形式，则由 于蒸汽闪变并排出成为气态水，产生的生物质颗粒失去了一定比例的水分含量，其中生物 质细颗粒的水分含量通过干燥器进一步干燥，所述干燥器优选地将生物质细颗粒的水分含 量降低至以重量计1-20%，一般最高至30%。
19. 根据权利要求14所述的方法，产生的水分含量降低的生物质细颗粒包括片段化 的、撕碎的、切碎的纤维素纤维及这些的任意组合，所述生物质细颗粒具有厚度小于30微 米和长度小于200微米的平均尺寸，其中将产生的生物质细颗粒供给至下游的生物质气化 器，用于在所述生物质气化器的反应器中进行快速生物质气化反应，因为与接收的碎片形 式的生物质相比，产生的生物质细颗粒对于等量的生物质具有更高的面容比，这允许对生 物质原料进行更高效的传热和传质并且更快速地热解和生物质中的所有分子的气化。
20. 根据权利要求14所述的方法，还包括： 在所述蒸汽爆破工作站的排出口收集减小为较小颗粒尺寸的糊状生物质并供给至水 分离单元，其中在旋流器单元中将水从细颗粒形式生物质中去除，并将水分含量降至以重 量计少于20%的细颗粒形式生物质通过输送系统供给至烘焙单元，在小于700摄氏度的温 度下、以预设时间加热生物质。
21. 根据权利要求14所述的方法，其中将水从旋流器单元中回收并用作向所述生物质 气化器的低压蒸汽输入，所述生物质气化器的输入含有在蒸汽爆破处理时回收的挥发物， 包括松节油。
【文档编号】C08J3/12GK104519991SQ201380040145
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2013年6月4日 优先权日:2012年6月22日
【发明者】罗伯特·S·埃姆普斯基, 约翰·T·特纳, 弗朗西斯·迈克尔·菲拉罗, 杰罗德·韦恩·霍曼, 韦恩·W·西蒙斯 申请人:三照普燃料公司