[发明专利]用于干燥和烘焙生物质、优选木质纤维素生物质的反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于干燥和烘焙生物质、优选木质纤维素生物质的新的反应器。

背景技术

针对消耗不断增长的背景，期望利用生物质以使能源资源多样化。尤其是期望通过气化和燃烧而涉及热转换的领域。

考虑到在燃煤发电厂中以粉末形式将生物质注入夹带流反应器(气化反应器)或被称为生物质与煤共燃反应器的反应器中，优选木质纤维素生物质的烘焙是生物质的预处理步骤。事实上，生物质的纤维质弹性结构使得其微粉化高度耗能，并且对研磨的产品提供了不适于以粉末形式注入的特性。烘焙是生物质在干燥和热解之间的温和热处理，通常是在200～300℃的温度下进行并且设法消除水并且改变生物质的有机物质比例以破坏其纤维。换句话说，这种温和的热处理改变了生物质的纤维质结构，然后通过这种方式促进其研磨并将其注入气化或共燃反应器中。

考虑到它的贮存，通过烘焙的预处理还提高了生物质的性质，特别是赋予其疏水特性和抗生物降解性。在烘焙材料后，也可进行造粒。

如上所述，由于能源的多样化已成为主要挑战，尽可能多地利用可用的生物质资源很重要，这尤其涉及位于地理隔离区域的生物质资源。然而，由于生物质的亲水性和生物可降解特性，森林管理员和农民目前正面临生物质贮存的问题。材料装运的成本也通常是不可忽略的。

目前，还没有能够在资源丰富的地理隔离区域中通过烘焙来预处理生物质的方法。可运输的设备的发展将允许进行分散的生物质处理以改善现场贮存和后续装运。

几种已知的烘焙技术使得能够对木质纤维素生物质进行烘焙，但是它们不一定是工业化/可工业化的。可特别提到的是旋转炉、多段炉、管坯炉、螺旋炉或流化床。

然而，现有的烘焙技术面临着一些问题，特别是以下类型的困难：

烟处理：此步骤兼备有关待处理材料的天然水分的流出物管理和有关烘焙反应的流出物管理，因而通常是昂贵的，并且影响该方法的整体经济性，

生物质热处理的均匀性：炉内温度较差的均匀性以及较低的热交换会导致颗粒间和颗粒内的热处理不均匀。

似乎可以接受的是，为了能够使用烘焙反应器作为可以被运输到地理隔离区中的设备，必须生产在反应器腔室中具有干燥和烘焙区域的反应器。

申请EP2189512A1公开了多段炉型的生物质干燥和烘焙反应器，其中，最初段(1至N-1)用于生物质的强制干燥，而单个段N仅用于整个烘焙步骤，并且下游段N+1到N₀用于通过已干燥和烘焙的生物质的雾传播(mist propagation)而进行冷却。因此，根据该申请的解决方案允许流出物的分段处理，由于在段N-1中可以取出干燥木材所得到的蒸汽，并且在段N中可以取出通过烘焙进行释放的烟。

首先在炉的不同段中通过在线气体分析，然后通过使用放热反应(这代表烘焙进展的某种状态)的高温计检测，也来控制烘焙参数(温度和停留时间)。气体分析具有主要缺点，即它们需要难以安装的昂贵设施。

就其本身而言，检测相是基于数字模拟，由于对烘焙期间所发生颗粒内的反应仍知之甚少并且这些反应彼此不同的这一事实，其结果必须谨慎考虑。

此外，根据该专利申请，整个烘焙操作发生在炉的单个段中，对热处理的均匀性方面而言带来了风险，因为在这种类型的炉中的单个段中不一定均匀地实现混合。

最后，并未考虑能量优化，炉的最后段中雾炮(mist cannon)的使用在能量成本(雾状水的一部分将汽化)和流出物处理方面具有缺陷，因为额外部分的蒸气有待处理。

专利申请US2010/0083530A1提出了在多段炉中烘焙的方法，其中，在炉的顶部完成干燥并且在炉的底部完成烘焙。该专利申请再利用由干燥湿材料所产生的蒸汽以传递热量到炉内，并在炉腔室中使气氛惰性。从炉中的上部或在一个或多个点处取出出腔室中的含蒸汽的烟。这种烟的一部分可以被冷凝，并且一部分在一个或多个水平高度被再注入反应器之前，在热交换器中过热。能量通过在冷凝器的出口处未冷凝的烟被传输到热交换器，并且未冷凝的烟通过供给有补充燃料的燃烧器。虽然这种解决方案提出了控制方法和处理流出物的改进，它仍然具有如下的若干缺点。

首先，在炉中回收作为水和挥发性物质的烟的浓度高度取决于木材的性质并且还取决于其基本湿度。为了管理待在炉内再循环或待送至冷凝器的气体的量，以达到限制炉的腔室中的挥发性物质浓度的目的，需要在线分析气体组成，这意味着实施困难和巨额成本。

首先，由于烟的一部分冷凝：含酸性挥发物的冷凝流出物根据现行法规在排放前会需要处理，流出物的处理会比较昂贵。