逆流氧增强型烘焙的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于在烘焙反应器中烘焙任选经预干燥的生物质从而得到经烘焙的生物质和烘焙气体的方法，其中在反应器中的第一位置处向烘焙反应器供给含氧气体，从而使得在热形成下氧和烘焙气体成分反应，以及其中在烘焙反应器第二位置处从烘焙反应器排出烘焙气体，以及其中所述第一位置位于所述第二位置沿烘焙反应器中生物质输送方向的下游，从而使得烘焙气体以和生物质输送呈逆流方式移动通过烘焙反应器，以及其中当进入烘焙反应器时，任选经预干燥的生物质的温度在30～230℃，优选在50～200℃，优选在60～180℃。
【专利说明】逆流氧增强型烘焙
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物质烘焙(torrefaction of biomass)领域。特别地涉及一种烘焙方法，其提高烘焙过程中能量产率、增大经烘焙材料的能量密度，以及减少用于将经烘焙材料研磨成细粉所需的能量。
[0002]背景
[0003]为了能够媲美和取代化石燃料能量载体，例如煤、石油和天然气，通过某种形式的预处理方法的木质纤维生物质会有利于克服固有缺陷。已经证实预处理方法烘焙改进了生物质燃料质量，例如热值、能量密度、水含量、研磨特性、送料(feeding)和疏水性[1_4]。这些改进建立了作为推进生物质原材料市场扩张的关键方法的烘焙。烘焙是通常在基本惰性(无氧)的环境中，在大约220~600°C的温度下进行的热预处理方法。在该方法过程中，包含不同有机化合物的可燃性气体从该生物质原料以及经烘焙的生物质中释放出来。
[0004]通常来说，由木质纤维生物质来制造经烘焙材料的方法包括四个阶段:
[0005]1)干燥步骤，其中将保留在生物质中游离的水分除去；
[0006]2)加热步骤，其中释放物理结合水，然后将该材料的温度提高至所需的烘焙温度；
[0007]3)烘焙阶段，该阶段中该材料实质上进行烘焙，并且从该材料温度到达大约220~230°C时开始。在这个阶段期间，该生物质部分地分解并且释放不同类型的挥发物，例如羟基丙酮、甲醇、丙醛、短羧酸和其它碳氢化合物。特别地，烘焙阶段的特征为在220~230°C的温度下半纤维素的分解，以及在更高的烘焙温度下纤维素和木质素(Iignin)也开始分解并释放出挥发物，其中纤维素在305~375°C的温度下分解而木质素在250~500°C的温度范围内逐渐分解。
[0008]4)冷却步骤，用来终止该方法并且易于处理。该材料冷却至在220~230°C以下后立即终止烘焙过程。
[0009]发明简述
[0010]和化石燃料(例如煤、石油和天然气)相比，基于可再生生物质的燃料已经被描述为具有更低的热值、更低的能量密度和由此造成更高的运输成本。生物质的烘焙结合致密化，例如制粒过程(pelletisation)或者压块(briquetting)过程，已经被描述为用于提高能量密度和减少生物质输送和储存成本的有希望的步骤，这是因为和构成它们的生物质相比，经烘焙的粒料(pellet)和压块(briquette)可以更致密、具有更小的含湿量、更高的热值和储存期间更高的稳定性。鉴于大部分现存的用于生产热能和发电的发电厂是基于化石燃料(例如化石煤)来设计的，如果经烘焙的生物质能够用作这些先前存在的工厂中的燃料，那么这会是有利的。一种该类型的发电厂是设计成燃烧粉碎的煤的粉碎的煤粉末电厂。如果使用同样的设备能够将经烘焙的生物质加工成细粉而不需对现存粉碎的燃煤工厂进行改造，这会是有利的。由经烘焙的材料得到粉末的另一个优点是其可以用于现存的用于生产合成气的煤粉末气化工艺中。然而，研磨经烘焙的生物质是耗能过程，因此保持经烘焙的材料研磨成粉末所需的能量尽可能低是重要的。因此，本发明人已经认识到需要降低将烘焙生物质研磨成细粉所需能量的烘焙工艺。
[0011]在许多情形下，优选的是加压锅炉系统(或气化系统)，这是因为能够保持这些锅炉(或者气化系统)的尺寸小于非加压系统。如果使用可泵送的浆料来代替粉末向该系统进料通常是更有效并且更便宜，就粉末而言，需要向输送燃料施加昂贵的压缩功以形成高压。因此，许多这样的系统设计成用于使用可泵送的燃料，例如液体和浆料。为了能够使用经烘焙的生物质作为上述这样的锅炉和气化系统中的燃料，可以将经烘焙的生物质研磨成粉末并且和液体混合以制造可泵送的衆料(pumpable slurry)或者可挤出的糊料(extrudable paste)。
[0012]如果经烘焙材料为高热值的，那么至少部分地使用水来稀释粉碎的经烘焙材料会是可能的。鉴于输送和处理其它液体燃料将没有(或者更少)必要，这将是有利的。然而，如果经烘焙材料的热值低，那么加入水会是不可行的，这是因为所产生浆料的低能量值能够阻止该浆料在锅炉里的充分燃烧。因此，迫切希望经烘焙的生物质具有高热值。除了有利于使水基浆料作为加压系统中的燃料，具有高热值的材料(该材料随后经过致密化后能量密度增大)也减少了运输和储存成本。本发明人由此认识到需要增大烘焙后的生物质的热值的改进的烘焙工艺。 [0013]生物质原料的烘焙包括以下步骤:干燥生物质以降低其含湿量，加热该生物质至烘焙温度，并在期望的烘焙温度下烘焙该生物质。所有这些步骤要求以加热形式提供能量。本发明人已经认识到，如果加热和烘焙过程快速，能够使烘焙反应器的尺寸更小并且由此更便宜。为了保持成本较低，尽可能有效地利用能量同样重要。因此，本发明人认识到需要也降低了加热和烘焙时间的改进的且更为能量有效的烘焙工艺。
[0014]和现有的烘焙工艺相比，本发明通过提供烘焙工艺意外地解决了上述提到的问题。
[0015]I)在固定的能量产率(energy yield)下,增大热值
[0016]2)在固定的热值下，增大烘焙工艺中的能量产率
[0017]3)在固定的能量产率下，降低用于将经烘焙的生物质研磨成细粉所需的能量
[0018]4)在固定的烘焙度(torrefaction degree)下,增大能量产率、质量收率(massyield)和热值，以及降低用于研磨至细粉所需的能量
[0019]5)能量利用更加有效并且减少加热和烘焙时间
[0020]本发明的第一方面涉及用于在烘焙反应器中烘焙任选经预干燥的生物质从而得到经烘焙的生物质和烘焙气体的方法，以及其中在反应器中的第一位置处向烘焙反应器供给含氧气体，从而使得在热形成下氧和烘焙气体成分反应，以及其中在烘焙反应器第二位置处从烘焙反应器排出烘焙气体，以及其中第一位置位于第二位置沿烘焙反应器中生物质输送方向的下游，从而使得烘焙气体以和生物质输送呈逆流方式移动通过烘焙反应器，以及其中当进入烘焙反应器时，任选经预干燥的生物质的温度在30~225°C，优选在50~200 °C，优选在 60 ~180。。。
[0021]本发明的第二方面涉及用于制造粉碎的经烘焙生物质的方法，其包括以下步骤:
[0022]a)在烘焙反应器中烘焙任选经预干燥的生物质，从而得到经烘焙的生物质和烘焙气体，以及其中在反应器中的第一位置处向烘焙反应器供给含氧气体，从而使得在热形成下氧和烘焙气体成分反应，以及其中在烘焙反应器第二位置处从烘焙反应器排出烘焙气体，以及其中第一位置位于第二位置沿烘焙反应器中生物质输送方向的下游，从而使得烘焙气体以和生物质输送呈逆流方式移动通过烘焙反应器；
[0023]b)研磨所得到的经烘焙的生物质，从而得到粉碎的经烘焙的生物质，其中该粉碎的经烘焙的生物质优选包含具有平均直径小于1000微米，优选小于500微米，优选小于200微米，优选小于100微米的颗粒。
[0024]本发明的第三方面涉及根据本发明方法制造的粉碎的经烘焙的生物质或者浆料或者可挤出的糊料的用途，用于在燃烧过程中产生热和/或电，或者用于在气化过程中制造产物气或者合成气。
[0025]本发明的第四方面涉及用于生物质烘焙的系统，其包括:用于生物质烘焙的具有生物质进口和生物质出口的烘焙反应器，其中在烘焙过程中，能够沿着生物质输送方向将生物质从生物质进口输送至生物质出口，其中烘焙反应器进一步包括至少一个用于向该反应器注入含氧气体的气体进口，以及其中该气体进口连接至用于以受控的方式向该烘焙反应器供给含氧气体的供氧构件(oxygen supply means),以及其中烘焙反应器进一步包括烘焙气体出口，其中该烘焙气体出口位于该反应器中沿生物质输送方向的气体进口的上游，以及其中该系统进一步包括含氧气体源，该源连接至供氧构件。
[0026]附图简述
[0027]图1显示了适合用于根据本发明的方法制造经烘焙的材料的烘焙设备。
[0028]图2a显示了在生物质表面温度为338°C下，在注入空气过程中将具有逆向气体流动和7.5分钟保留时间的木混合物烘焙。曲线(I)表示生物质表面出口温度(biomasssurface exit temperature),曲线(2)表示对应的λ值，曲线(3_7)表示烘焙滚筒(drum)中心的气体温度，其中⑶最靠近进口而(7)最靠近出口。
`[0029]图2b显示了在生物质表面温度为338°C下在注入空气下具有逆向气体流动和7.5分钟保留时间的木混合物烘焙过程中烘焙所产生气体的可燃性。曲线(I)表示生物质表面出口温度，曲线(2)表示对应的λ值，曲线(3)表示气体燃烧器初始时的表面温度，曲线
(4)表示在气体燃烧器周围以kW计的电加热器的功率，曲线(5)表示经过气体燃烧器后管道气体(flue gas)中的含氧量，曲线(6)表示以每分钟标准升计的进入气体燃烧器的燃烧气体流量。
[0030]定义
[0031]烘焙:
[0032]在实际上惰性(无氧)的环境下，在220°C以上且在600°C以下的温度，进行热预处理方法，并且其产生经烘焙的生物质和可燃性气体(在本公开中称作烘焙气体(torrefaction gas))。在烘焙阶段中，部分生物质(特别是半纤维素)分解并释放出不同种类的有机挥发物。在以原料生物质开始的烘焙过程中，在实际的烘焙阶段之前进行干燥阶段和加热阶段，在干燥阶段中除去保留在生物质中的游离水，在加热阶段中将生物质加热至所需的烘焙温度。
[0033]氧增强型烘倍(Oxygenenhanced torrefaction, 0ET):
[0034]考虑到烘焙组分的部分燃烧，向烘焙反应器内部注入控制量的氧以向烘焙反应提供热的烘焙。
[0035]热值/ 更高的热值(Higher heating value, HHV):[0036]在氧存在下，当将燃烧产物冷却并冷凝至25°C时，质量份的干生物质在完全燃烧期间所释放的能量。
[0037]能量密度:
[0038]在氧存在下，无论燃烧产物是否冷却并冷凝至25°C，体积份的干生物质在完全燃烧期间所释放的能量。
[0039]质量密度:
[0040]每单位体积的干生物质质量。
[0041]质量收率:
[0042]在干燥且无灰分的基础上，烘焙产物所保留的质量(m_tor)和最初生物质的质量(m_feed)的比值:
【权利要求】
1.一种用于在烘焙反应器中烘焙任选经预干燥的生物质从而得到经烘焙的生物质和烘焙气体的方法，其中在反应器中的第一位置处向烘焙反应器供给含氧气体，从而使得在热形成下氧和烘焙气体成分反应，以及其中在烘焙反应器第二位置处从烘焙反应器排出烘焙气体，以及其中所述第一位置位于所述第二位置沿烘焙反应器中生物质输送方向的下游，从而使得烘焙气体以和生物质输送呈逆流方式移动通过烘焙反应器，以及其中当进入烘焙反应器时，任选经预干燥的生物质的温度在30~230°C，优选在50~200°C，优选在60 ~180。。。
2.根据权利要求1的方法，其进一步包括研磨所得到的经烘焙的生物质从而得到粉碎的经烘焙的生物质的步骤。
3.一种用于制造粉碎的经烘焙的生物质的方法，其包括以下步骤: a)在烘焙反应器中烘焙任选经预干燥的生物质，从而得到经烘焙的生物质和烘焙气体，其中在反应器中的第一位置处向烘焙反应器供给含氧气体，从而使得在热形成下氧和烘焙气体成分反应，以及其中在烘焙反应器第二位置处从烘焙反应器排出烘焙气体，以及其中所述第一位置位于所述第二位置沿烘焙反应器中生物质输送方向的下游，从而使得烘焙气体以和生物质输送呈逆流方式移动通过烘焙反应器； b)研磨所得到的经烘焙的生物质，从而得到粉碎的经烘焙的生物质。
4.根据权利要求2或者3中任一项的方法，其中粉碎的经烘焙的生物质包含具有平均直径小于1000微米，优选小于500微米，优选小于200微米，优选小于100微米的颗粒。
5.根据前述权利要求中任一项的方法，其进一步包括向粉碎的经烘焙的生物质中加入液体以得到具有40%~80%(w/w)的固体经烘焙生物质浓度的浆料或者可挤出的糊料。
6.根据权利要求5的方法，其中液体主要由水组成，并且其中所得到的浆料或者可挤出的糊料具有70%~80%(w/w)的固体经烘焙生物质浓度。
7.根据前述权利要求中任一项的方法，其中于烘焙反应器进口处引入的任选经预干燥的生物质的温度在225°C以下，优选在180°C以下。
8.根据前述权利要求中任一项的方法，其中于烘焙反应器进口处引入的任选经预干燥的生物质的温度为30~230°C，优选为50~200°C，优选为60~180°C。
9.根据前述权利要求中任一项的方法，其中在烘焙反应器中的第一位置处的生物质的温度比在烘焙反应器中位于该第一位置上游的第二位置处的生物质的温度高至少50°C，优选高至少100°C，优选高至少150°C。
10.根据前述权利要求中任一项的方法，其中随着烘焙气体以和生物质输送呈逆流方式移动通过烘焙反应器，部分烘焙气体凝结在烘焙反应器中的生物质上。
11.根据前述权利要求中任一项的方法，其中生物质为木质纤维素生物质，例如农业残留物或者林业残留物，例如木质材料，例如木屑。
12.根据前述权利要求中任一项的方法制造的粉碎的经烘焙的生物质或者浆料或者可挤出的糊料的用途，用于在燃烧过程中产生热和/或电，或者用于在气化过程中制造产物气或者合成气。
13.一种用于生物质烘焙的系统，其包括: 用于生物质烘焙的具有生物质进口和生物质出口的烘焙反应器，其中在烘焙过程中，能够沿着生物 质输送方向将生物质从生物质进口输送至生物质出口，其中烘焙反应器进一步包括至少一个用于向该反应器注入含氧气体的气体进口，以及其中该气体进口连接至用于以受控的方式向该烘焙反应器供给含氧气体的供氧构件，以及其中烘焙反应器进一步包括烘焙气体出口，其中该烘焙气体出口位于该反应器中沿生物质输送方向的气体进口的上游，以及其中该系统进一步包括含氧气体源，该源连接至供氧构件。
14.根据前述权利要求中任一项的系统或者方法，其中烘焙反应器包括至少一个输送螺杆，并且通过至少一个输送螺杆的旋转速度来调节生物质的输送。
15.根据权利要求14的系统或者方法，其中至少一个输送螺杆包括固定于中心轴的连续或者不连续的螺旋材料 输送装置。
【文档编号】F26B17/20GK103608438SQ201280029970
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2012年5月16日 优先权日:2011年5月18日
【发明者】I.奥洛夫森, M.诺德维格, E.桑德斯特罗姆, L.珀莫, A.诺丁 申请人:拜奥恩德夫有限责任公司