[发明专利]一种生物质连续水热预处理反应器

说明书

技术领域

本发明属于木质纤维素原料预处理领域，特别涉及一种生物质连续水热预处理反应器。

背景技术

随着石化资源的日益枯竭，以可再生的生物质资源替代石化资源，通过生物炼制技术将生物质转化为能源，化学品和材料是今后的发展方向，也是解决人类环境、资源和能源问题的必然手段。生物炼制，以生物能源的生产为例，其基本流程为：生物质收集、生物质预处理、纤维素酶解、乙醇或丁醇发酵、产品回收和副产品综合利用。在这几个主要生产环节中，生物质预处理处于核心地位，这是因为生物质预处理首先决定了纤维素酶解的效率。生物质如果不经过预处理过程，纤维素酶解率一般不超过30%，而且需要大量的酶制剂，通过适度的预处理，纤维素的酶解率可以大幅提高，甚至可以达到100%。生物质的组分复杂，如果单一利用其中的一个组分，除了导致原料利用率较低外，未利用的组分还导致环境污染。由此可见，生物质综合利用是其高效利用的前提条件，而适当的预处理方法是综合利用的重要保障。因此，生物质预处理在生物炼制过程中的重要性不言而喻。

人们很早就重视到生物质预处理的重要性，开发了各种预处理方法。按照目前的分类方法，基本上可以分为物理预处理、化学预处理、生物预处理。为了克服单一预处理方法的缺点，发挥其优势，还开发出了组合预处理的方法。但是相对应现有生物质利用所产生的增值效果，现有预处理方式的最大问题在于成本高昂。动辄数百元每吨的预处理成本，将生物质原料廉价的优势消耗殆尽。这些方法成本较高的原因可以分为几个方面：一是需要消耗一定数量的化学品，如酸，碱，氨气，二氧化碳等。这样的预处理方法如果不能较好的解决化学品回收问题时，会产生环境无染，并导致成本激增。而要解决回收问题，就需要一定量的回收设备，这无疑增加了额外投资；二是能耗过高。比如水热预处理，稀酸预处理，需要提供近200℃的高温，将生物质原料，主要是预处理体系中的水（水热预处理需要在液固比高达10∶1-20∶1的条件下进行）加热到200℃。如果过程中的能耗不能充分的回收利用，将会使过程所需的能耗过高。如果这样的预处理过程用于生物质能源的生产，就可能导致能源上的得不偿失。

在众多的预处理方法中，水热预处理作为一种新型的绿色反应工艺，由于不需要添加任何化学试剂、生成的降解产物少等优点而成为研究热点。余强等（余强,庄新姝,袁振宏,亓伟,王闻,王琼,杨丽芳,谭雪松.木质纤维素类生物质高温液态水预处理技术.化工进展,2010,29(11):2177）对这种预处理方式进行了文献综述。设计高效的水热预处理反应器，推进水热预处理在生物质炼制产业中的应用将具有重要的意义。

申请号为201010171586.X的中国发明专利公开了一种纤维素类生物质高温液态水预处理的方法及装置。该装置利用高温高压的热水流过反应器中的生物质原料来实现对生物质的预处理，可以有效的回收过程中产生的木糖和低聚糖。但是该装置无法实现预处理过程的连续操作。在工业化生产中，连续处理相对于批处理或者半连续操作有一定的优势。采用连续操作可以显著的减小所需设备的大小，一般可减小50%-80%之间。连续操作所需的能耗也较小，同时避免了能耗消耗的波动。

申请号为200980120519.0的中国发明专利公开了一种从高压区域向低压区域排放预处理生物质的设备和方法。通过该设备可以实现从生物质预处理反应器中连续排出预处理后的生物质原料。但是这种设备通过向其中喷水来形成外界和反应器内部之间的一个缓冲区，物料是以浆状从反应器中流出，之后还要过滤才能得到物料。

实现连续水热预处理可以显著增加预处理效率，降低预处理设备和运行投资。专利号为CN200680034205.5的中国发明专利公开了一种基于颗粒泵（在专利号为CN02817599.9的中国发明专利中进行了公开）的连续水热预处理设备和工艺，用于预处理麦秸等生物质，然后用于燃料乙醇的转化。但是这种反应器结构复杂，造价高昂。

发明内容

【发明目的】生物质利用的前提是预处理，目前虽然有各种预处理方式，但是这些方式仍然有待于提高效率，降低成本。水热预处理，是一种有效的预处理方式，如果能提高其效率，降低其成本，将有助于其在工业化规模得到广泛应用。本发明在保留水热预处理的优点的同时，将水热预处理过程实现连续化，增加其效率，过程中实现能量和热水的回用，从而降低能耗。