包括冷却烘焙反应步骤的生物质烘焙方法

包括冷却烘焙反应步骤的生物质烘焙方法
【专利摘要】本发明涉及用于烘焙生物质的方法和装置。所述方法和装置允许烘焙温度的精确控制，这对烘焙材料的质量和性能的精确控制来说是决定性的。方法包括冷却烘焙反应以便至少部分地抵消从放热烘焙反应获得的温度增加这一步骤。
【专利说明】包括冷却烘焙反应步骤的生物质烘焙方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物质烘焙(torrefaction of biomass)领域。具体说,涉及用于精确控制烘焙温度的方法和装置，其对被烘焙材料的质量和性能的精确控制是决定性的。
【背景技术】
[0002]为了能与化石燃料能量载体(例如煤、油和天然气)竞争和将其替换，木质纤维生物质从一些形式的预处理方法获益以克服固有的缺陷。预处理方法烘焙已经被显示可改善生物质燃料性质，例如能量密度、水含量和研磨性、供给和疏水性能[1-4]。这些改善使得能建立作为关键工序的烘焙过程，以有助于生物质原材料扩大市场。烘焙是一种热预处理方法，其通常在基本上惰性(无氧气)环境下在约220-60(TC的温度处发生。在处理过程期间，除了被烘焙生物质外，包括不同有机物的易燃气体从生物质原料释放。
[0003]从木质纤维生物质制造烘焙材料的过程可包括四个阶段:
[0004]I)干燥步骤，其中生物质中含有的自由水被去除；
[0005]2)加热步骤，其中物理结合的水被释放且材料的温度被提高到期望的烘焙温度；
[0006]3)烘焙阶段，其中材料被实际烘焙，且其在材料温度达到约220°C -230°C时开始。在该阶段期间，生物质被部分地分解且释放不同类型的挥发物，例如羟基丙酮、甲醇、丙醛、短链羧酸和其他烃类。具体说，烘焙阶段特征在于，在220°C -230°C的温度下分解半纤维素，且在更高的烘焙温度下纤维素和木质素也开始分解且释放挥发物；在305-375°C的温度下纤维素分解且木质素逐渐在250-500°C的温度范围内分解；
[0007]4)冷却步骤，终止工序，且有助于操作。烘焙处理在材料冷却到220°C -230°C以下时终止。

【发明内容】

[0008]对烘焙产物的质量和性能的需求因产品的目的用途而显著地不同。发明人已经认识到，决定性的是能精确地控制烘焙温度以便产生具有期望特性的烘焙产品。本发明基于的是，放热、温度增加反应在烘焙处理期间发生，且产生的能量的量在不同类型的木质纤维材料之间是显著不同的。例如,发明人已经发现,桉树木质生物质烘焙时产生比云杉木质生物质烘焙时的放热反应更多的能量。烘焙处理中放热反应由此使其难以保持恒定烘焙温度和获得期望的且可再生质量的烘焙产品。因此，发明人已经认识到需要一种改进的烘焙方法，其允许对烘焙温度的精确控制，且有助于精确控制烘焙材料的质量和性能。
[0009]发明人已经通过经干燥且加热的生物质的烘焙方法解决了如上所述的问题，所述方法包括这一步骤:让烘焙反应冷却以便至少部分地抵消从放热烘焙反应获得的温度增加。本发明的另一方面涉及烘焙装置，其包括至少一个烘焙区域，其中烘焙区域包括用于冷却的器件，且可选地还包括用于加热的器件，且其中用于冷却的器件连接到冷却源。
【专利附图】

【附图说明】[0010]图1显示了包括烘焙区域的烘焙装置，其中烘焙区域包括用于冷却的器件；
[0011]图2显示了图1所示的烘焙装置中的典型温度变化。应注意图1中未示出冷却区域；
[0012]图3显示了图1公开的烘焙装置中的典型温度变化。应注意图1中未示出冷却区域。
【具体实施方式】
[0013]定义:
[0014]烘焙:
[0015]一种热预处理方法，在220°C以上但600°C以下的温度下在基本惰性(无氧气)的环境下发生，且其产生烘焙生物质和易燃气体。在烘焙阶段，生物质的一些部分，特别是半纤维素，分解且放出不同类型的有机挥发物。在从原料生物质开始的烘焙处理中，实际的烘焙阶段以干燥阶段和加热阶段开始，在所述干燥阶段中生物质中含有的自由水被去除，且在所述加热阶段中将生物质加热到期望的烘焙温度。
[0016]加热区域:
[0017]烘焙装置中容纳室(compartment)的一具体区域，相对于烘焙装置的生物质入口位于烘焙区域上游，其包括用于具体调节所述具体区域中温度的器件，且其中生物质的温度在烘焙之前被增加到接近期望的烘焙温度的温度。
[0018]烘焙区域:`
[0019]烘焙装置中容纳室的一具体区域，相对于烘焙装置的生物质入口位于加热区域下游，其包括用于具体调节所述具体区域中温度的器件，且其中预先被加热的生物质的温度基本被保持恒定在期望的烘焙温度达到期望的烘焙时间，其中期望的烘焙温度处于220°C到600°C的范围。
[0020]干燥区域
[0021]烘焙装置中容纳室的一具体区域，相对于烘焙装置的生物质入口位于加热区域上游，其包括用于具体调节所述具体区域中温度的器件，且其中生物质在加热前被干燥到水含量低于10%。
[0022]冷却区域
[0023]烘焙装置中的一具体区域，相对于烘焙装置的生物质入口位于烘焙区域下游，其包括用于具体调节所述具体区域中温度的器件，且其中生物质被冷却到低于220°C (优选低于IO(TC)的温度。
[0024]连接区域
[0025]在烘焙装置中的一具体区域，相对于所述烘焙装置的生物质入口位于加热区域紧上游处且在烘焙区域紧下游。
[0026]烘焙时间:
[0027]材料温度被保持基本恒定在烘焙温度的时间
[0028]运输螺杆:
[0029]任何类型的螺旋状(helicoidal)材料运输装置，包括不连续的螺旋状运输装置。螺旋状运输装置可被固定到中心轴或容纳室(例如鼓)的内壳体，围绕运输螺杆。[0030]详细描沭
[0031]一方面，本发明涉及烘焙被干燥且被加热的生物质的方法，包括这一步骤:让烘焙反应冷却以便至少部分地抵消从放热烘焙反应获得的温度增加。优选地，烘焙区域中的温度使用用于冷却的器件且可选地使用用于加热的器件而被控制。用于冷却的器件会易于结垢，因为从烘焙区域中的生物质材料释放的气体将冷凝在所述用于冷却的器件上。因此，在本发明的优选实施例中，用于冷却和加热的器件是可互换的。由此在冷却期间结垢的加热/冷却器件可通过将所述用于加热/冷却的器件加热而得以清理，该加热造成所述冷凝气体的蒸发。在一个额外的实施例中，所述用于冷却和加热的器件以热交换器为代表。
[0032]在另一实施例中，生物质在加热区域中被加热且其后在烘焙区域被烘焙，且优选地，在烘焙区域中驻留的时间与在加热区域中驻留的时间被分别控制。
[0033]烘焙反应的冷却实现烘焙温度的精确控制，这有助于烘焙材料的质量和性能的精确控制。因此，在本发 明的优选实施例中，烘焙阶段中生物质的材料温度应该被保持基本恒定，例如在烘焙区域中生物质的最大温度和最小温度最多相差50°C，优选地最多相差400C，优选地最多相差30°C，优选地最多相差20°C，优选地最多相差10°C，优选地最多相差5°C，且更优选最多相差2V。在另一实施例中，在被干燥且加热的材料达到期望烘焙温度之前，可在烘焙区域发生额外的加热。在该短暂的额外加热之前，温度可比期望烘焙温度低50°C以上，例如比期望烘焙温度低60°C或65°C或70°C或75°C或甚至80°C。
[0034]在优选实施例中，加热区域中的驻留时间通过控制加热区域运输螺杆的旋转速度而得到控制，且在另一优选实施例中，在烘焙区域中的驻留时间通过控制烘焙区域运输螺杆的旋转速度而得以控制。
[0035]根据本发明的另一实施例，进入第一加热区域的生物质的温度在90°C至130°C。根据本发明的另一实施例，离开加热区域的生物质的温度与烘焙温度相差最多80°C，例如75 °C，例如70 V，例如60 V，例如65 °C，例如60 V，例如55 °C，优选最多50。。，优选最多40°C，优选最多30°C，优选最多20°C，优选最多15°C，优选最多10°C，且更优选最多5°C。
[0036]根据本发明的优选烘焙温度为220 V到600 °C的范围，例如220-500 V，例如220-450 0C，例如 220-400 °C，例如 230-600 °C，例如 230-500 °C，例如 230-450 °C，例如230-4000C，优选 240-500°C，优选 240_400°C，优选 240_350°C，最优选为 270-350°C。
[0037]根据本发明的优选烘焙时间为I到60分钟的范围，优选I到30分钟，优选2_25分钟且更优选2-20分钟。烘焙时间通常是指被干燥且加热的生物质在烘焙区域的驻留时间。根据一个实施例，冷却在第二半(second half of )烘焙时间期间或在烘焙区域的下半游(downstream half)中执行。这种实施例是优选的，因为从放热反应而来的热量可在烘焙反应中累积，导致在烘焙反应的随后阶段存在增加的冷却需要。
[0038]在本发明的另一实施例中，在材料进入加热区域之前材料在干燥区域被干燥，且在生物质进入加热区域时优选地生物质中的水含量低于10%，优选低于7%，优选低于5%，优选低于4%，优选低于3%，优选低于2%，优选低于1%。在另一实施例中，在材料已经在烘焙区域被烘焙之后，烘焙材料在冷却区域被冷却。根据另一实施例，使用用于在加热区域中加热的器件在加热区域加热材料，且使用从烘焙处理期间从生物质产生的放热能量产生的热量和从用于在烘焙区域进行冷却的器件供应的冷却而调节烘焙区域中的温度。还可在烘焙区域中供应外部加热，以经由用于在烘焙区域中加热的器件而控制烘焙温度。根据另一实施例，在烘焙区域没有使用外部加热。根据优选实施例，生物质由木质纤维生物质所代表。
[0039]本发明的另一方面涉及烘焙装置，其包括至少一个烘焙区域，其中烘焙区域包括用于冷却的器件且可选地还包括用于加热的器件，且其中用于冷却的器件连接到冷却源。所述冷却源可以是含有冷却介质或冷却剂的任何容器或装置。冷却介质可以为液体相或气体相。在一个实施例中，冷却介质为例如水或热油这样的液体，且在另一实施例中冷却介质是气体或例如空气或冷烟气体这样的气体混合物。在一个实施例中冷烟气体从与烘焙装置连接的炉吸取。在另一实施例中，冷烟气体从烘焙装置中的干燥区域吸取。在本发明的优选实施例中，用于冷却和加热的器件是可互换的，且优选地，用于加热和/或冷却的所述器件由热交换器所代表。在其他实施例中，烘焙装置进一步包括至少一个加热区域，其中所述加热区域包括用于加热的器件，且其中烘焙装置包括材料运输装置，这样材料在烘焙区域中的驻留时间与加热区域(一个或多个)中的驻留时间被分别控制。在优选实施例中，烘焙装置包括至少两个容纳室，其中至少一个容纳室中的材料运输可与另一容纳室中的材料运输被分别控制，且其中烘焙区域(一个或多个)与加热区域(一个或多个)位于不同的容纳室中。至少一个，优选至少两个容纳室可由旋转鼓所代表，螺杆可以被固定在其中，从而其中的材料在鼓旋转时被运输。在另一实施例中，加热区域中的驻留时间可通过第一旋转鼓的旋转速度控制，且烘焙区域(一个或多个)中的驻留时间独立于所述第一旋转鼓的旋转速度。优选地，烘焙区域中的驻留时间通过第二旋转鼓的旋转速度控制，其中加热区域(一个或多个)中的驻留时间独立于所述第二旋转鼓的旋转速度。在一个额外实施例中，至少两个容纳室与连接区域连接。在所述连接区域中的材料运输可通过重力或通过机械测量调节，且连接区域中的材料运输优选地独立于烘焙区域中的材料运输。优选地，连接区域包括用于测量连接区域中材料的材料表面温度、气体温度、氧气浓度、压力、气体成分或产品参数的器件。在另一实施例中，烘焙装置中的至少一个材料运输装置由螺旋杆机构(helicoidscrew)或刮板输送器所代表，且其中螺旋杆机构优选地可由螺旋杆机构供送器或中央管上焊接的螺旋杆机构刮板(helicoid screw flight)或螺旋杆机构螺旋片(helicoid screwflighting)所代表。在另一 实施例中，烘焙装置进一步包括至少一个干燥区域。所述干燥区域优选位于与烘焙区域不同的容纳室，且干燥区域中的材料运输优选独立于烘焙区域中的材料运输。干燥区域中的材料运输装置例如可由螺旋杆机构或刮板输送器所代表，且其中螺旋杆机构优选地可由螺旋杆机构供送器或中央管上焊接的螺旋杆机构刮板或螺旋杆机构螺旋片所代表。在另一实施例中，干燥区域和加热区域中的材料运输装置由共同运输螺杆所代表。在不同实施例中，干燥区域中材料运输与加热区域中材料运输分开。烘焙装置可进一步包含至少一个冷却区域且所述冷却区域可优选包含至少一个螺杆冷却器。应注意冷却区域的冷却与烘焙区域的冷却不同。
[0040]示例性实施例的详细描述
[0041]图1显示了具有生物质入口 I的烘焙装置，其中生物质通过进给螺杆2被引入到烘焙装置。生物质在干燥区域3中干燥，其中热量通过穿过干燥区域加热介质入口 4的加热介质(例如热气体)而被供应到干燥区域3，且其中加热介质穿过干燥区域加热介质出口5离开干燥区域。经干燥的生物质以由生物质入口 I中的进给速度调节的速度被运输通过干燥区域3，且进入加热区域6，其中生物质的温度被提高到接近期望烘焙温度的温度。热量通过穿过加热区域的加热介质入口 7的加热介质而被供应到加热区域6，所述加热介质通过加热区域加热介质出口 8离开加热区域。经加热的材料进入第一烘焙区域9，在该区域中温度可通过在第一烘焙区域加热/冷却介质入口 10中引入加热介质和/或冷却介质而被控制，其中所述加热/冷却介质通过烘焙区域加热/冷却介质出口 11离开第一烘焙区域。其后生物质进入第二烘焙区域12，其中温度可使用用于冷却的特别器件18而被控制，其中用于冷却的器件18连接到冷却源。冷却介质可经由烘焙区域冷却介质入口 13而被供应到第二烘焙区域，且所述冷却介质经由烘焙区域冷却介质出口 14离开烘焙区域。冷却介质入口 13连接到冷却源。加热区域6和烘焙区域9、12中的材料运输通过共同的运输螺杆驱动，所述共同运输螺杆附接到包围加热区域6和烘焙区域9、12的鼓。所述鼓可被附接到螺纹部(threading) 15。从干燥区域3、加热区域6和烘焙区域9、12而来的烘焙气体从烘焙气体出口 16被收集以用于燃烧或处理。烘焙生物质通过烘焙生物质出口 17离开烘焙装置且优选随后被冷却到低于100°C的温度。
[0042]图2显示了在图1公开的烘焙装置中不同区域中生物质的典型温度:区域I代表干燥区域3，区域2代表加热区域6，区域3代表第一烘焙区域9，且区域4代表第二烘焙区域12。在干燥区域3中，生物质被干燥，通常达到2-10%水含量(w/w)且温度被提高到约100°C。在加热区域6中，材料被后干燥到0%湿度(w/w)且材料的温度提高到接近期望的烘焙温度，所述期望的烘焙温度在该例子中为350°C。在烘焙区域，温度基本保持恒定在期望烘焙温度并达到对应于期望烘焙时间的时间。烘焙区域中烘焙反应的冷却抵消从放热烘焙反应获得的温度增加，且由此有助于烘焙区域的恒定温度。在图1中，第二烘焙区域具有用于冷却烘焙反应的专门器件18，但是烘焙反应还可使用冷却介质而被冷却，所述冷却介质经由烘焙区域冷却介质入口 11、13而被引入到烘焙区域。其后温度在冷却区域中减小到100°C以下。
[0043]图3显示了图1公开的烘焙装置中不同区域中生物质的典型时间和温度。在本例子中，烘焙温度为350° C且烘焙时间为20分钟。
[0044]参考文献
[0045][ I ] M.J Prins et al.More efficient biomass gasification viatorrefaction.Energy2006, 31, (15),3458-3470.[0046][2]P.C.A.Bergman et al.Torrefaction for Entrained Flow GasificationofBiomass;Report C-05-067;Energy Research Centre of The Netherlands (ECN):Petten,The Netherlands, July2005;
[0047][3]K.Hakansson et al.Torrefaction and gasification of hydrolysisresidue.16th European biomass conference and exhibition,Valencia,Spain.ETAF1rence, 2008.[0048][4] A.Nordin, L.Pommer, 1.0lofsson, K.Hakansson, M.Nordwaeger, S.WiklundLindstrom,M.Brostrom, T.Lestander, H.0rberg, G.Kalen, SwedishTorrefaction R&Dprogram.First Annual Report2009-12-18(2009).
【权利要求】
1.一种经干燥和加热生物质的烘焙方法，包括让烘焙反应冷却以便至少部分地抵消从放热烘焙反应获得的温度增加这一步骤，其中所述生物质为来自云杉或桉树的木质生物质。
2.如权利要求1所述的方法，其中使用用于冷却的器件且可选地还使用用于加热的器件来控制烘焙反应的温度。
3.如权利要求2所述的方法，其中用于冷却的器件和用于加热的器件是可互换的。
4.如权利要求2或3所述方法，其中用于加热的器件和/或用于冷却的器件由热交换器所代表。
5.如权利要求1-4中任何一项所述的方法，其中烘焙反应期间生物质的温度被保持在500C或更低的温度范围，例如400C或更低，例如300C或更低，优选200C或更低，优选10°C或更低，且更优选5°C或低小。
6.如权利要求1-5中任何一项所述的方法，其中经干燥且加热的生物质在烘焙反应中的驻留时间与在烘焙反应之前的加热步骤中的驻留时间分开控制。
7.一种烘焙装置，包括至少一个烘焙区域，其中烘焙区域包括用于冷却的器件且可选地还包括用于加热的器件，且其中用于冷却的器件连接到包含冷却介质的容器或装置，所述冷却介质是水。
8.如权利要求8所述的烘焙装置，其中用于冷却的器件和用于加热的器件是可互换的。
9.如权利要求8或9所述的烘焙装置，其中用于加热的器件和/或用于冷却的器件是热交换器。`
10.如权利要求7-9中任何一项所述的烘焙装置，进一步包括至少一个加热区域，其中所述加热区域(一个或多个)包括用于加热的器件，且其中烘焙装置包括材料运输装置，从而材料在烘焙区域中的驻留时间能与在加热区域(一个或多个)中的驻留时间分开控制。
11.如权利要求7-10中任何一项所述的烘焙装置，其中烘焙区域包括螺旋杆机构或刮板输送器。
12.如权利要求11所述的烘焙装置，包括螺旋杆机构，其为在螺旋杆机构供送器或中央管上焊接的螺旋杆机构刮板或螺旋杆机构螺旋片。
13.如权利要求7-10中任何一项所述的烘焙装置，包括布置有加热区域(一个或多个)的第一容纳室和布置有烘焙区域(一个或多个)的第二容纳室。
14.如权利要求13所述的烘焙装置，其中至少一个容纳室为旋转鼓。
15.如权利要求14所述的烘焙装置，其中: 第一容纳室是连接到第一装置的第一旋转鼓，所述第一装置控制第一旋转鼓的旋转速度；和 第二容纳室是连接到第二装置的第二旋转鼓，所述第二装置用于独立于第一旋转鼓的旋转速度控制第二旋转鼓的旋转速度，从而在加热区域(一个或多个)中的驻留时间可与在烘焙区域(一个或多个)中的驻留时间分开控制。
16.如权利要求14或15所述的烘焙装置，其中螺杆固定在旋转鼓中，从而在鼓旋转时其中的材料被传输。
【文档编号】C10L5/44GK103608435SQ201280029755
【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, A.诺丁, K.哈坎桑 申请人:拜奥恩德夫有限责任公司