Устройство для варки и способ обработки биомассы, содержащей лигноцеллюлозу
Группа изобретений относится к устройству для варки, предназначенному для обработки биомассы, содержащей лигноцеллюлозу, а также к способу обработки биомассы, содержащей лигноцеллюлозу. При этом устройство содержит один или более варочных реакторов (100, 100'), выполненных с возможностью варки биомассы в варочном химикате, который содержит муравьиную кислоту и уксусную кислоту. Нагревательное устройство (106) выполнено с возможностью регулирования передачи тепловой энергии к каждому варочному реактору (100, 100') посредством регулирования температуры варочного химиката как функции времени и посредством подачи варочного химиката с отрегулированной температурой в каждый варочный реактор (100, 100'), при этом обеспечивается регулирование количества пятиуглеродных (С5) сахаров и фурфураля, содержащихся в варочном реакторе. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 12 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройству для варки и к способу обработки биомассы, содержащей лигноцеллюлозу.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Во время варки целлюлозной массы используемая в способе технологическая жидкость циркулирует через теплообменник, который нагревает жидкость, используемую для варки (например, в US 2013062031 А1). Для коммерческой периодической варки определены общее время варки и температура, обеспечивающие высококачественный конечный продукт. При стандартном производстве целлюлозной массы время нагрева равно примерно одному часу. От выбора благоприятных производственных условий зависит хорошее качество конечного продукта, так как, например, повышение температуры варки может снизить качество конечного продукта. Снижение качества может проявиться, например, в форме низкой прочности бумаги на разрыв, если варка целлюлозной массы, использованной для ее производства, была произведена при неправильной температуре. Снижение качества конечного продукта может также проявиться в форме высокого значения числа каппа (перманганатного числа), неоднородного качества целлюлозной массы и изменения вязкости целлюлозной массы. Сходным образом, щелочной гидролиз может повысить прочность, усилить реакцию вторичного отщепления и снизить выход целлюлозной массы. Все это приводит к необходимости усовершенствования способа периодической варки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованного способа периодической варки целлюлозной массы. Задача решена за счет признаков, раскрытых в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Далее изобретение будет описано более подробно совместно с предпочтительными вариантами его осуществления и со ссылкой на прилагаемые графические материалы, в которых:
Фиг. 1 демонстрирует пример устройства для варки и циркуляции варочного химиката между варочными реакторами;
Фиг. 2 демонстрирует пример устройства для варки и циркуляции варочного химиката в конце процесса варки;
Фиг. 3 демонстрирует пример варочного реактора, в котором варочный химикат многократно циркулирует через варочный реактор;
Фиг. 4 демонстрирует пример кальцинирования;
Фиг. 5А демонстрирует пример перегрева варочного химиката в нескольких каналах;
Фиг. 5В демонстрирует пример, в котором в варочный реактор загружают древесную щепу;
Фиг. 6 демонстрирует пример изменения числа каппа в зависимости от Н-фактора при различных длительностях варки;
Фиг. 7 демонстрирует пример изменения доли пентозанов в зависимости от Н-фактора при различных длительностях варки;
Фиг. 8 демонстрирует пример температурного профиля варки при различных длительностях варки;
Фиг. 9 демонстрирует пример образования фурфураля при различных длительностях варки;
Фиг. 10 демонстрирует пример блок-схемы способа варки; и
Фиг. 11 демонстрирует пример управляющего устройства.
СВЕДЕНИЯ. ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ
ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описанные ниже варианты осуществления настоящего изобретения представлены в качестве примера. Несмотря на то, что в описании может быть дана ссылка на один вариант осуществления настоящего изобретения или на несколько вариантов осуществления настоящего изобретения в различных местах, это не обязательно означает, что ссылка относится к одному и тому же варианту осуществления настоящего изобретения или к одним и тем же вариантам его осуществления, или что признак относится только к одному варианту осуществления настоящего изобретения. Конкретные признаки различных вариантов осуществления настоящего изобретения можно также комбинировать для обеспечения других вариантов его осуществления.
Задачей представленного технического решения является усовершенствование органосольвентного способа варки для получения пятиуглеродных (С5) сахаров, выделяющихся при гидролизе во время варки в варочную жидкость из гемицеллюлозы, содержащейся в биомассе, с более высокой селективностью, высоким выходом и одновременно - с получением целлюлозной массы высокого качества. В органосольвентном способе используют органические кислоты, и он является экологически безвредным способом получения целлюлозной массы. Указанные выше преимущества можно обеспечить, если регулировать температурный профиль процесса варки. Если можно быстро повысить температуру в процессе варки до фактической температуры варки, то процесс варки ускоряется. Согласно традиционному мнению, быстрое повышение температуры в начале процесса варки приводит к снижению качества конечного продукта, но оказалось, что этого не происходит в органосольвентном процессе, по меньшей мере в том случае, если в качестве варочного химиката, то есть растворителя, используют смесь муравьиной кислоты, уксусной кислоты, воды и фурфураля.
Фиг. 1 демонстрирует пример устройства 10 для варки, предназначенного для обработки биомассы, содержащей лигноцеллюлозу. Устройство 10 для варки содержит по меньшей мере один варочный реактор 100, 100', работающий по периодическому принципу. Биомасса, содержащая лигноцеллюлозу, может быть биомассой на древесной основе, или так называемой недревесной биомассой, или комбинацией этих двух видов. Биомасса содержит древесную щепу, полученную, например, из лиственных деревьев, хвойных деревьев или бамбука, измельченных на куски желаемого размера.
Травянистые растения, используемые в качестве биомассы, обычно относятся к недревесным источникам волокон, таким как солома, трава, тростник, лубяные волокна, лиственные волокна, волокна с семян растений. Солома включает, например, солому злаковых растений, такую как солома пшеницы, ячменя, овса, ржи и риса. Термин ''трава'' относится, например, к траве эспарто, траве сабай или лемонграссу. Примеры тростников включают папирус, тростник обыкновенный, сахарный тростник и бамбук. Примеры источников лубяных волокон включают стебли льна обыкновенного, стебли масличного льна, кенаф, джут и коноплю. Источники лиственных волокон включают, например, абаку и сизаль. Источники волокон с семян растений включают, например, хлопковое волокно и хлопковый пух. Кроме того, недревесные источники волокон включают, например, канареечник тростниковидный, тимофеевку луговую, ежу сборную, донник лекарственный, костер безостый, овсяницу красную, донник белый, клевер луговой, козлятник лекарственный и люцерну посевную.
В каждый варочный реактор 100, 100' загружают порцию биомассы, которую варят в варочном реакторе 100, 100' с использованием варочного химиката, содержащего муравьиную кислоту, уксусную кислоту, фурфураль и воду.
Композиция растворителя, используемого при варке, содержит от примерно 30% до примерно 75% муравьиной кислоты, от примерно 6% до примерно 55% уксусной кислоты, от примерно 13% до примерно 22% воды и от примерно 0,01% до примерно 3% фурфураля. В варианте осуществления настоящего изобретения растворитель содержит от примерно 38% до примерно 55% муравьиной кислоты, от примерно 30% до примерно 45% уксусной кислоты, от примерно 15% до примерно 20% воды и от примерно 0,01% до примерно 2% фурфураля. В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения растворитель содержит от примерно 41% до примерно 52% муравьиной кислоты, от примерно 31% до примерно 42% уксусной кислоты, от примерно 15% до примерно 18% воды и от примерно 0,01% до примерно 2% фурфураля. Указанные концентрации при желании можно произвольно комбинировать, однако при этом указанные значения не должны превышать 100%.
Температура варки лежит в диапазоне от примерно 116°С до примерно 170°С. В варианте осуществления настоящего изобретения температура варки может лежать в диапазоне от примерно 120°С до примерно 165°С.
В варианте осуществления настоящего изобретения, показанном в качестве примера на Фиг. 5, устройство для варки содержит дозирующее устройство 90 для варочного химиката, которое может регулировать подачу различных составляющих веществ варочного химиката, таких как муравьиная кислота и уксусная кислота, в варочный реактор 100, 100'. Различные составляющие вещества варочного химиката можно дозировать в варочный реактор 100, 100' в различных количествах в зависимости от времени, чтобы ускорить процесс варки и оказать химическое влияние на процесс варки, или в зависимости от количества тепловой энергии, переданного в варочный реактор 100, 100'. Дозирование составляющих веществ варочного химиката может быть осуществлено с помощью клапанов, которыми может управлять управляющее устройство 180 (показано на Фиг. 1).
Варочный химикат является щелочным, он растворяет лигнин и гемицеллюлозу, содержащиеся в биомассе, и за счет этого ускоряет разделение на волокна (дефибрирование) и получение целлюлозной массы. Также можно дополнительно подать пар в варочный реактор 100 из одной или более точек для достижения и поддержания требуемой температуры варки. Температуру варки определяют в зависимости от используемого сырьевого материала и желаемого конечного продукта. Температурное окно лежит в диапазоне от 116°С до 170°С. В варианте осуществления настоящего изобретения температурное окно может лежать, например, в диапазоне от 120°С до 165°С. Конечным результатом варки является целлюлозная масса, которую после варки можно, например, промыть, а затем гидролизовать или отбелить. Полученную таким способом целлюлозную массу можно использовать, например, в целлюлозно-бумажной промышленности для производства бумаги или картона или в качестве сырьевого материала для производства (био)этанола или в других ферментационных процессах. Кроме целлюлозной массы, полученные конечные продукты содержат пятиуглеродные (С5) сахара и фурфураль, образование которых можно регулировать в раскрытом в данной публикации способе периодической варки.
Для начала рассмотрим один из варочных реакторов 100 из Фиг. 1. В варианте осуществления настоящего изобретения устройство 10 для варки содержит циркуляционное устройство 102, непосредственно подсоединенное к варочному реактору 100, которое также можно обозначить как первое циркуляционное устройство. Трубы 104 циркуляционного устройства 102 соединяют варочный реактор 100 и нагревательное устройство 106 для подачи варочного химиката из варочного реактора 100 в нагревательное устройство 106, 126 и для подачи варочного химиката, нагретого в нагревательном устройстве 106, 126 в варочный реактор 100. Таким образом, циркуляционное устройство 102 выполнено с возможностью перемещения варочного химиката по трубам 104 от варочного реактора 100 к нагревательному устройству 106, 126, которое регулирует передачу тепловой энергии к варочному реактору 100 посредством регулирования температуры варочного химиката как функции времени и посредством подачи варочного химиката с отрегулированной температурой в варочный реактор 100.
Нагревательное устройство 106, 126 нагревает варочный химикат и регулирует его температуру, когда варочный химикат находится в нагревательном устройстве 106, 126, поскольку варочный химикат протекает через нагревательное устройство 106, 126. Кроме того, циркуляционное устройство 102 перемещает варочный химикат с отрегулированной температурой обратно в варочный реактор 100.
Циркуляционное устройство 102, соединенное с варочным реактором 100' и сходное с циркуляционным устройством 102 варочного реактора 100 (поэтому оно имеет такой же ссылочный номер), может сходным образом перемещать варочный химикат по трубам 104 от варочного реактора 100' к нагревательному устройству 106, 136, которое регулирует температуру варочного химиката как функцию времени для ускорения процесса варки, осуществляемого в варочном реакторе 100'.
В варианте осуществления настоящего изобретения нагревательное устройство 106 может повысить температуру варочного химиката до значений, превышающих температуру, используемую для варки в варочном реакторе 100.
Фиг. 1 демонстрирует вариант осуществления настоящего изобретения, который включает циркуляционное устройство 102', расположенное между варочными реакторами 100, 100', которое можно обозначить как третье циркуляционное устройство. В этом примере устройство 10 для варки содержит первый и второй варочные реакторы 100, 100', и для регулирования тепловой энергии, передаваемой ко второму варочному реактору 100' с варочным химикатом, устройство 10 для варки содержит буферный бак 160 и генератор 200 тепла. Когда сваренную массу выгружают из варочного реактора 100 (обычно из днища варочного реактора 100) в буферный бак 160, давление в котором ниже, чем в варочном реакторе 100, то варочный химикат превращается в пар.
Парообразный варочный химикат может быть выгружен из верхней части буферного бака 160 через трубу 104 и направлен к генератору 200 тепла, который может нагреть варочный химикат или отрегулировать температуру варочного химиката как функцию времени. Генератор 200 тепла может дополнительно содержать компрессор 202 пара, который за счет сжатия повышает температуру варочного химиката или регулирует температуру варочного химиката как функцию времени. Генератор 200 тепла может дополнительно содержать нагреватель 176, который нагревает варочный химикат или регулирует температуру варочного химиката как функцию времени. Нагретый варочный химикат или варочный химикат с отрегулированной температурой может быть подан в центральную часть второго варочного реактора 100'. Нагретый варочный химикат или варочный химикат с температурой, отрегулированной нагревателем 176, может быть подан во второй варочный реактор 100' через его верхнюю часть (см. Фиг. 5). Нагретый варочный химикат или варочный химикат с температурой, отрегулированной нагревателем 176, также может быть использован для кальцинирования порции биомассы во втором варочном реакторе 100' способом, сходным с описанным в связи с Фиг. 4. При перемещении варочного химиката из буферного бака 160 к варочному реактору 100' он конденсируется и выделяет энергию, которую можно использовать для нагрева в процессе варки.
Варочный химикат, температура которого отрегулирована как функция времени, может более эффективно абсорбироваться в биомассу, что усиливает и/или ускоряет дефибрирование биомассы и может сократить время варки. Когда парообразный варочный химикат подают к днищу варочного реактора 100' с помощью нагнетательного устройства (не показано на графических материалах), температура насыщения пара повышается (сжатие в сочетании с испарением). При этом повышается температура конденсации парообразного варочного химиката и варочный реактор можно нагреть сильнее/более эффективно за счет использования энергии от предыдущей варки, которая могла быть накоплена за счет регулирования температуры варочного химиката как функции времени. В характерном случае испаритель на основе механической рекомпрессии пара (MVR evaporator 202; от англ.: Mechanical Vapor Recompression) требует от 10 кВтч до 13 кВтч электричества для испарения 1 т вещества (для компрессора). При использовании только пара без ре компрессора может потребоваться 640 кВтч энергии для испарения 1 т вещества, где ''т'' обозначает тонну.
В варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на Фиг. 2, варочный химикат для каждого варочного реактора 100 содержится в отдельном контейнере 150 для варочного химиката, из которого варочный химикат, температура которого отрегулирована как функция времени, перемещается в варочный реактор 100 по трубе 104 циркуляционной системы 102'' или по трубе, расположенной между варочным реактором 100 и контейнером 150 для варочного химиката. Циркуляционная система 102'' из Фиг. 2 перемещает варочный химикат, использованный в процессе варки, обратно в варочный реактор 100, из которого был выведен варочный химикат. Циркуляционную систему 102'' можно обозначить как третью циркуляционную систему. Фиг. 5А демонстрирует пример, в котором варочный химикат из контейнера 150 для варочного химиката может быть также, по меньшей мере частично, перемещен во второй варочный реактор 100', то есть варочный химикат перемещается в один или более варочных реакторов 100, 100'. Циркуляционная система 102'' (как и любая другая циркуляционная система 102) в этом случае не нужна (и между буферным баком 160 и контейнером 150 для варочного химиката отсутствует связь, то есть труба 104, показанная пунктирной точечной линией), и контейнер 150 для варочного химиката и связанное с ним нагревательное устройство 106, 156 работают без циркуляции. В варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на Фиг. 2, отдельный контейнер 150 для варочного химиката и нагревательное устройство 106, 156 работают в качестве предварительного нагревателя. Отдельный контейнер 150 для варочного химиката может получать варочный химикат непосредственно за счет циркуляции или опосредованно из одного или более варочных реакторов 100. Кроме этого или вместо этого, контейнер 150 для циркулирующего варочного химиката может принимать свежий, не участвовавший в циркуляции варочный химикат. Температуру варочного химиката в отдельном контейнере 150 для варочного химиката регулируют как функцию времени с помощью нагревательного устройства 106, 156. Трубы 152 соединяют контейнер 150 для варочного химиката и нагревательное устройство 106 для подачи варочного химиката из контейнера 150 для варочного химиката в нагревательное устройство 106 и для подачи варочного химиката с температурой, отрегулированной в нагревательном устройстве 106, 156, обратно в контейнер 150 для варочного химиката. Контейнер 150 для варочного химиката используют в качестве накопителя варочного химиката, который находится по меньшей мере примерно под тем же давлением, что и варочный реактор 100.
Как показано на Фиг. 2, Фиг. 3 и Фиг. 5А, варочный химикат, температура которого отрегулирована как функция времени, можно подать в один или более варочных реакторов 100 посредством перекачивания его насосом из контейнера 150 для варочного химиката или с использованием газа под давлением. Перекачивание с помощью насоса (не показан на графических материалах) является более мягким способом перемещения варочного химиката с отрегулированной температурой из контейнера 150 для варочного химиката в варочный реактор 100, что означает, что варочный химикат с отрегулированной температурой можно переместить в варочный реактор 100 за несколько минут, например - за промежуток времени, лежащий в диапазоне от 5 минут до 10 минут, в зависимости от конструкции устройства.
На Фиг. 2, Фиг. 3 и Фиг. 5А газ под давлением обозначен как N2, что также является примером возможности использования инертного газа в качестве газа под давлением. Если потенциальный клапан 120, расположенный между контейнером 150 для варочного химиката и варочным реактором 100 открыт и газ под давлением подается в контейнер 150 для варочного химиката, то сжатый газ принудительно перемещает варочный химикат с отрегулированной температурой из контейнера 150 для варочного химиката в варочный реактор 100. Такой способ перемещения варочного химиката с отрегулированной температурой в варочный реактор обычно является более жестким, чем перекачивание с помощью насоса, и перемещение длится в течение нескольких секунд или минут.
Как показано на Фигурах с 1 по 5А, каждый варочный реактор 100 содержит по меньшей мере одно сито 108, площадь проточной части которого обеспечивает возможность пропускания варочного химиката с высокой объемной скоростью потока, что в таком случае позволяет нагревательному устройству 106, 126, 136 работать с высокой эффективностью.
В варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на Фигурах с 1 по 5А, каждый варочный реактор 100, 100' содержит по меньшей мере одно сито 108, препятствующее поступлению биомассы в нагревательное устройство 106 из варочного реактора 100, 100', но обеспечивающее прохождение варочного химиката к нагревательному устройству 106, 126, 136. Сито 108 может быть лентообразной структурой, окружающей варочный реактор 100 вдоль его внутренней поверхности. Каждое сито 108 выполнено с возможностью оптимизации потока варочного химиката из варочного реактора 100 к нагревательному устройству 106, 126, 136. Естественно, что одновременно также является оптимизированным соответствующий поток варочного химиката с отрегулированной температурой от нагревательного устройства 106, 126, 136 к одному или более варочным реакторам 100, 100', за счет чего можно оптимизировать мощность нагрева для минимизации времени повышения температуры варочного реактора.
В варианте осуществления настоящего изобретения каждое сито 108 выполнено с возможностью максимального увеличения потока варочного химиката от варочного реактора 100 к нагревательному устройству 106, 126, 136. Естественно, что одновременно также максимально увеличивается соответствующий поток варочного химиката с отрегулированной температурой от нагревательного устройства 106, 126, 136 к одному или более варочным реакторам 100, 100', за счет чего максимально увеличивается мощность нагрева для минимизации времени повышения температуры варочного реактора.
Таким образом, сито 108 выполнено с такими размерами, что оно не закупоривается биомассой, доступ которой в нагревательное устройство 106, 126, 136 оно предотвращает, и одновременно сито 108 обеспечивает протекание варочного химиката с оптимизированной/максимизированной объемной скоростью потока. Такая ситуация является типичной ситуацией оптимизации, которую специалист в данной области техники легко может реализовать без особых проблем, например - посредством проведения испытаний, моделирования или теоретического анализа.
В любом варианте осуществления настоящего изобретения поток варочного химиката с температурой, отрегулированной как функция времени, к одному или более варочным реакторам 100, 100' может быть оптимизирован в соответствии с теплоемкостью вещества, подлежащего варке в одном или более варочных реакторах 100, 100'.
В варианте осуществления настоящего изобретения поток варочного химиката с температурой, отрегулированной как функция времени, к одному или более варочным реакторам 100, 100' может быть максимизирован в соответствии с теплоемкостью вещества, подлежащего варке в одном или более варочных реакторах 100, 100'.
Такое задание размеров можно выполнить отдельно, независимо от одного или более сит 108. В конечном итоге, вещество, подлежащее варке, содержит различные составляющие вещества варочного химиката и биомассы, и масса, температура и удельная теплоемкость влияют на изменение температуры вещества, подлежащего варке, при поступлении варочного химиката, температура которого отрегулирована как функция времени, и который имеет определенную массу и температуру в данный момент времени, из нагревательного устройства 106, 126, 136 (156, 176) и добавлении его к веществу, подлежащему варке. Когда определенная масса поступает в варочный реактор 100, 100', одновременно передается определенное количество энергии в форме теплоты (например, х кДж, где х является численным значением количества энергии, а кДж (килоджоуль) - единицей измерения энергии). В связи с тем, что поток варочного химиката с отрегулированной температурой к варочному реактору 100, 100' в варианте осуществления настоящего изобретения может быть непрерывным, а оптимизацию/максимизацию предпочтительно выполнять как функцию времени, то вместо массы можно использовать поток как отношение единицы массы к единице времени. В этом случае теплота передается к варочному реактору 100, 100' как желаемое количество энергии в единицу времени (например, в кДж/с, где кДж - это килоджоули, а с - это секунды). В варианте осуществления настоящего изобретения поток варочного химиката с отрегулированной температурой к варочному реактору 100, 100' может быть прерывистым. Поток варочного химиката с отрегулированной температурой к одному или более варочным реакторам 100, 100' можно дополнительно оптимизировать/максимизировать в зависимости от теплоемкости материала, нагреваемого в процессе варки в одном или более варочных реакторах 100. Утечка части тепловой энергии варочного химиката с отрегулированной температурой в конечном итоге обеспечивает нагрев варочного реактора 100, 100'.
Согласно указанному выше, непосредственной целью является не сокращение времени варки за счет потока варочного химиката с отрегулированной температурой, хотя это также возможно, а то, что за счет оптимизированного потока варочного химиката с отрегулированной температурой можно управляемым образом регулировать повышение температуры до желаемой температуры варки и поддерживать температуру варки на желаемом уровне, который может изменяться с течением времени.
За счет потока варочного химиката с отрегулированной температурой целью не обязательно является сокращение времени варки, хотя это также может быть желательным в одном или более вариантах осуществления настоящего изобретения, а то, что за счет максимизированного потока перегретого варочного химиката можно управляемым образом регулировать быстрое повышение температуры до желаемой температуры варки и поддерживать температуру варки на желаемом уровне, который может изменяться с течением времени.
В варианте осуществления настоящего изобретения площадь проточной части по меньшей мере одного сита 108 можно максимизировать в отношении потока варочного химиката, проходящего через по меньшей мере одно сито 108, и максимизировать поток варочного химиката, идущий к варочному реактору 100, 100', отрегулированный с точки зрения отношения передачи тепловой энергии к мощности нагревательного устройства 106, 126, 136, которое регулирует температуру варочного химиката как функцию времени для передачи максимизированной тепловой энергии к по меньшей мере одному варочному реактору 100, 100' для ускорения процесса варки.
В варианте осуществления настоящего изобретения, пример которого показан на Фиг. 3, по меньшей мере один из указанных одного или более варочных реакторов 100 может содержать совокупность сит 108 в различных выпускных точках 110, 112 варочного реактора 100. Выпускные точки 110, 112 находятся в зонах. В этом случае циркуляционное устройство 102 перемещает варочный химикат от по меньшей мере одного варочного реактора 100 через различные сита 108 к нагревательному устройству 106. За счет использования нескольких сит 108 можно увеличить площадь их фильтрующей поверхности, обеспечив больший поток через сита 108.
Согласно Фиг. 3, варочный химикат может циркулировать обратно к варочному реактору 100, так что он поступает в один или более варочных реакторов 100 во впускных точках, которые расположены за пределами зон, соответствующих выпускным точкам 110, 112. Варочный химикат с отрегулированной температурой может циркулировать обратно к тому же варочному реактору, как показано на Фиг. 3, или к другому варочному реактору. Соответственно, варочный химикат с отрегулированной температурой может поступать в тот же варочный реактор 100, 100', из которого варочный химикат был взят для регулирования температуры, или в другой варочный реактор 100, 100'. Соответственно, варочный химикат может циркулировать обратно к одному или более варочным реакторам 100, 100'.
Каждая зона варочного реактора 100 может находиться на различном расстоянии от общей точки этого варочного реактора 100. Эта зона может иметь поперечное сечение, расположенное в направлении продольной оси варочного реактора 100, причем каждое поперечное сечение находится на различном расстоянии от конца продольной оси варочного реактора 100.
В варианте осуществления настоящего изобретения, пример которого показан на Фиг. 3, циркуляционное устройство 102 может возвращать варочный химикат, прошедший через различные сита 108 и имеющий температуру, отрегулированную в нагревательном устройстве 106, через различные впускные точки варочного реактора 100, причем впускные точки отличаются от выпускных точек 110, 112. Если варочный химикат с отрегулированной температурой возвращается в процессе передачи между варочными реакторами 100, 100', то одна или более впускных точек могут абсолютно или относительно отличаться по зоне от выпускных точек 110, 112. Если различные варочные реакторы 100, 100' имеют одинаковые размеры, то расположение зоны может быть определено абсолютно (например, на расстоянии 2 м от верхней части варочного реактора), но если варочные реакторы 100, 100' имеют различные размеры, то расположение зоны может быть определено относительно (например, на расстоянии, равном 2/3 общей длины варочного реактора, от верхней части).
В варианте осуществления настоящего изобретения, пример которого показан на Фиг. 3, нагревательное устройство 106 может содержать совокупность нагревателей 114, 116 в одном варочном реакторе 100. Циркуляционные устройства 102, показанные на различных сторонах варочного реактора 100, в варианте осуществления настоящего изобретения могут содержать один общий нагреватель, другими словами - любой из нагревателей 114, 116. Циркуляционное устройство 102 может перемещать варочный химикат по трубам 104 от выпускных точек 110, 112 по меньшей мере двух сит 108 к различным нагревателям 114, 116. Нагреватели 114, 116 могут быть, например, теплообменниками, получающими тепловую энергию от силовой установки.
В варианте осуществления настоящего изобретения, пример которого показан на Фиг. 3, нагревательное устройство 106 может содержать совокупность отдельных нагревательных устройств 126, 136, 156, 166, 176. Отдельные нагревательные устройства 126, 136, 156, 166, 176 могут повышать температуру варочного химиката во время различных стадий процесса варки. В варианте осуществления настоящего изобретения нагревательные устройства 126, 136, 156, 166, 176 являются теплообменниками, получающими тепловую энергию от силовой установки.
Кроме того, к веществу, подлежащему варке, можно добавить варочные химикаты с отрегулированной температурой, поступающие от нагревательных устройств 156, 176, которые содержат различные составляющие вещества и имеют определенную массу и температуру. Поток варочного химиката от этих нагревательных устройств 156, 176 можно максимизировать так же, как потоки варочного химиката от других нагревательных систем 126, 136. В этом случае по желанию можно регулировать поступление тепловой энергии в процесс варки, осуществляемый в варочном реакторе 100, 100', как функцию времени. За счет регулирования присутствия различных составляющих веществ в варочном химикате можно регулировать химические реакции, протекающие в процессе варки. Поскольку различные составляющие вещества (муравьиная кислота, уксусная кислота и другие возможные вещества, такие как вода и т.п.) имеют различную относительную теплоемкость, то за счет выбора составляющих веществ можно, кроме фактической температуры, регулировать подачу тепловой энергии к варочному реактору 100, 100'.
В варианте осуществления настоящего изобретения нагревательное устройство 106, указанное в примерах и показанное на графических материалах, может оптимизировать регулирование подачи варочного химиката, выполняемое как функция времени, на основании теплоемкости и температуры варки вещества, которое варится в одном или более варочных реакторах 100, 100', для ускорения процесса варки. Сходным образом, оптимизацию/максимизацию потока варочного химиката, оптимизацию температуры варочного химиката, выполняемую как функция времени, можно оптимизировать в соответствии с теплоемкостью вещества, которое подвергается варке в одном или более варочных реакторах 100, 100'. Поэтому целью регулирования температуры варочного химиката не обязательно является сокращение времени варки, хотя это также может быть целью в одном или более вариантах осуществления настоящего изобретения, описанных в данной публикации, посредством оптимизированного регулирования температуры варочного химиката можно управляемым образом регулировать температуру в варочном реакторе 100, 100', ее повышение до температуры варки и поддержание температуры варки во время варки на желаемом уровне, который может также изменяться в виде функции времени. Посредством сочетания максимизации потока и оптимизации температуры варочного химиката как функции времени можно дополнительно повысить эффективность процесса варки.
Как указано выше, в варианте осуществления настоящего изобретения из Фиг. 2, отдельный контейнер 150 для варочного химиката и нагревательное устройство 106, 156 работают в качестве предварительного нагревателя. Это означает, что предварительный нагреватель может получать по меньшей мере часть варочного химиката, используемого в одном или более варочных реакторах 100, 100', регулировать температуру полученного варочного химиката и подавать варочный химикат, температура которого отрегулирована как функция времени, в один или более варочных реакторов 100, 100' после загрузки в один или более варочных реакторов 100, 100' порции биомассы.
В варианте осуществления настоящего изобретения, пример которого показан на Фиг. 4 и Фиг. 5, один или более варочных реакторов 100, 100' могут получать из одного или более отдельных контейнеров 150 для варочного химиката нагретый варочный химикат или варочный химикат с отрегулированной температурой для кальцинирования биомассы перед варкой биомассы. В процессе кальцинирования преобразованный в пар нагретый варочный химикат или преобразованный в пар варочный химикат с отрегулированной температурой пропускают через биомассу, при этом по меньшей мере часть воды, содержащейся в биомассе, испаряется из биомассы. Испарившуюся воду можно отвести из варочного реактора 100, 100' по желаемому пути. В этом случае вода, содержащаяся в варочном реакторе 100, 100', не будет потреблять тепловую энергию, предназначенную для варки. После кальцинирования можно начать варку. Поскольку варочный химикат конденсируется, то выделяется энергия, которую можно использовать для нагрева в процессе варки. Одновременно варочный химикат может более эффективно абсорбироваться в биомассу, что ускоряет дефибрирование биомассы и интенсифицирует процесс варки.
Фиг. 5А демонстрирует комбинацию многих примеров, описанных выше, один или более из которых могут быть реализованы. Например, циркуляционное устройство 102 в общем случае выполнено с возможностью перемещения варочного химиката по трубам 104 от одного или более варочных реакторов 100 к нагревательному устройству 106, которое регулирует температуру варочного химиката как функцию времени.
В варианте осуществления настоящего изобретения циркуляционное устройство 102 перемещает варочный химикат по трубам 104 от одного или более варочных реакторов 100 к нагревательному устройству 106, которое устанавливает температуру варочного химиката на уровне, превышающем температуру, используемую для варки в одном или более варочных реакторах 100, перед началом процесса варки и подает варочный химикат, температура которого выше, чем температура, используемая для варки в одном или более варочных реакторах 100, в варочный реактор 100.
Когда биомасса поступает в варочный реактор 100, 100' в начале процесса варки, ее температура может быть значительно ниже температуры варки. Температура биомассы может быть равна температуре окружающей среды, которая может лежать, например, в диапазоне от -10°С до +40°С. Сходным образом, температура варочного химиката может быть ниже температуры варки, в частности - в начале. Соответственно, температура варочного химиката может быть выше фактической температуры варки, когда варочный химикат подают в варочный реактор 100, 100'. Во время процесса варки температура выравнивается, и температуру варочного химиката можно установить на более низком уровне. Посредством регулирования температуры как функции времени в нагревательном устройстве 106 согласно примеру и/или рисунку можно повысить температуру вещества, в частности - биомассы, которую подвергают варке, желаемым образом, в том числе - быстрее, чем согласно предшествующему уровню техники, до температуры варки, что повышает эффективность варки и может даже сократить время варки. Одновременно температуру варки можно регулировать и, в случае необходимости, использовать более высокие температуры, чем заданная фактическая температура варки, по меньшей мере - кратковременно.
В общем случае, циркуляционное устройство 102, 102', 102'' перемещает варочный химикат, температура которого отрегулирована как функция времени, обратно к по меньшей мере одному из указанных выше одного или более варочных реакторов 100, 100', которые описаны в примерах из Фигур с 1 по 5А. Циркуляционное устройство 102, 102', 102'' содержит, например, насос и/или эжектор, с помощью которых можно обеспечить течение варочного химиката по трубам 104 и через нагревательное устройство 106, 126, 136, 176.
Фиг. 5 В демонстрирует загрузку древесной щепы в варочный реактор 100. Древесную щепу загружают в приемную часть 500, из которой шнековый конвейер 502 перемещает древесную щепу в загрузочную часть 504 варочного реактора. Из загрузочной части 504 древесную щепу совместно с горячим паром перемещают в варочный реактор 100, 100'. Пар обеспечивает предварительный нагрев древесной щепы, за счет чего интенсифицируется процесс варки в варочном реакторе 100, 100', и можно ускорить возрастание температуры до фактической температуры варки. Нагревательное устройство 106, 126 нагревает варочный химикат с помощью пара, как описано выше.
Фиг. 6, на которой по вертикальной оси отложено число каппа, а по горизонтальной оси отложен Н-фактор, демонстрирует пример результатов, полученных при времени нагрева, равном 20 минутам и 60 минутам. Фиг. 7 демонстрирует пример доли пентозанов как функции Н-фактора. Когда исследовали Н-фактор, равный, например, 25, то на основании Фиг. 6 и Фиг. 7 обнаружили, что короткое время возрастания температуры приводило к более селективной делигнификации, то есть число каппа снижалось, тогда как содержание пентозанов оставалось прежним. Н-фактор, который зависит от температуры и времени возрастания температуры, связан со скоростью выщелачивания лигнина и, более конкретно, с прогрессом варки.
Фиг. 8 демонстрирует пример температурного профиля варки при различных временах варки. Температура и Н-фактор отложены по вертикальной оси, а время отложено по горизонтальной оси. Н-фактор быстро возрастает во время одной варки до значения, равного 24, что означает, что даже короткое время варки может привести к получению высококачественного конечного продукта.
Фиг. 9 демонстрирует пример образования фурфураля при различных временах варки. Количество фурфураля (в г/кг) отложено по вертикальной оси, а число каппа отложено по горизонтальной оси. При коротком времени повышения температуры (20 минут) получено низкое число каппа, и количество фурфураля в веществе, подвергнутом варке, не достигло таких высоких значений, как в случае длительного времени возрастания температуры (60 минут).
Фиг. 10 демонстрирует пример блок-схемы способа варки. Во время стадии 1000 биомассу варят в одном или более варочных реакторах 100, 100', работающих по периодическому принципу, в варочном химикате, который содержит муравьиную кислоту, уксусную кислоту, воду и фурфураль. Во время стадии 1002 передачу тепловой энергии в варочный реактор 100, 100' регулируют посредством регулирования температуры варочного химиката как функции времени перед подачей в варочный реактор 100, 100'. Во время стадии 1004 варочный химикат с отрегулированной температурой подают в один или более варочных реакторов 100, 100'.
Фиг. 11 демонстрирует пример управляющего устройства 180, изображенного на Фиг. 1. Управляющее устройство 180 может содержать один или более процессоров 1100 и одно или более запоминающих устройств 1102, которые могут хранить одну или более компьютерных программ, пригодных для управления процессом. Управляющее устройство 180 может с помощью одной или более компьютерных программ регулировать варку, осуществляемую в варочном реакторе 100, 100', регулирование температуры варочного химиката как функции времени, осуществляемое в нагревательном устройстве 102, и подачу варочного химиката с отрегулированной температурой в один или более варочных реакторов 100, 100'. Управление процессом варки в каждом варочном реакторе 100, 100' может быть основано, например, на температурных данных, полученных от датчиков 182. Поток варочного химиката в трубах 104 можно регулировать с использованием клапанов и/или насосов, которыми, в свою очередь, может управлять управляющее устройство 180.
Способ варки, изображенный на Фиг. 10, можно осуществить в форме логической схемы или компьютерной программы. Компьютерную программу можно записать на носителе для распространения компьютерных программ для ее распространения. Носитель для распространения компьютерных программ может быть прочитан устройством для обработки данных, и он может кодировать команды компьютерной программы для управления работой измерительного устройства.
В варианте осуществления настоящего изобретения, в котором процесс варки ускоряется за счет использования перегрева, варочный химикат, перегретый в нагревательном устройстве, может иметь температуру, на несколько градусов превышающую температуру варки, выполняемой в варочном реакторе 100, 100'. В варианте осуществления настоящего изобретения температура перегретого варочного химиката примерно на 5°С выше температуры варки в варочном реакторе 100, 100'. В варианте осуществления настоящего изобретения температура перегретого варочного химиката примерно на 10°С выше температуры варки в варочном реакторе 100, 100'. Перегрев варочного химиката может компенсировать утечку энергии, вызванную фазовым переносом.
Как указано выше, в варианте осуществления настоящего изобретения для делигнификации лигноцеллюлозной биомассы может быть использовано более короткое время, чем нормальное время варки, поскольку неожиданно оказалось, что делигнификация является более эффективной и более селективной при использовании регулирования температуры варочного химиката как функции времени. Использование более короткого времени варки может быть выгодным в том случае, когда биомассу делигнифицируют так называемым органосольвентным способом, то есть используют органический растворитель, такой как смесь, состоящая по меньшей мере из муравьиной кислоты, уксусной кислоты, воды и фурфураля. Селективность делигнификации также зависит от изменения температуры как функции времени. На селективность делигнификации может влиять, например, время возрастания температуры в начале варки. Чем короче время возрастания температуры в начале процесса варки, тем более эффективно и/или тем быстрее может быть достигнут желаемый уровень делигнификации, так что пентозные сахара минимально вступают в реакцию с образованием фурфураля.
Быстрый нагрев возможен за счет регулирования нагрева варочного химиката как функции времени. В варианте осуществления настоящего изобретения это означает перегрев, который можно выполнить перед подачей варочного химиката в варочный реактор или после начала варки. Нагревательное устройство, используемое для нагрева во время стадии варки, выполнено с возможностью регулируемого нагрева как функции времени, что делает возможным быстрый нагрев. В этом случае повышение температуры в начале стадии варки можно ускорить, например, по сравнению с предшествующим уровнем техники. Нагревательное устройство, используемое для нагрева на стадии варки, может также быть выполнено с возможностью частичного испарения варочного химиката, при этом конденсирующийся варочный химикат быстро нагревает вещество, подвергаемое варке. Сита в варочных реакторах могут иметь размеры, обеспечивающие лучшую циркуляцию, чем коммерчески доступные.
Таким образом, в варочном реакторе может быть обеспечено более быстрое, чем стандартное, возрастание температуры без снижения качества конечного продукта. Интенсифицированная по сравнению со стандартным производством целлюлозной массы обработка, которая может выражаться в коротком времени варки и/или регулируемом качестве конечного продукта, оказалась неожиданной, поскольку, например, быстрое возрастание температуры до желаемой температуры варки обычно считалось вредным (ухудшение качества, необходимость большей циркуляции и более мощного теплообменника, чем ранее). На качество конечного продукта влияет температурный профиль процесса варки, то есть зависимость температуры от времени, а не только сама температура. Поскольку качество конечного продукта также является регулируемым, его можно снизить, оставить таким же или повысить за счет регулируемой подачи тепловой энергии в процесс варки. При этом температуру в варочном реакторе можно регулировать как функцию времени, что влияет на время варки и/или качество конечного продукта.
Специалистам в данной области техники будет очевидно, что по мере усовершенствования технологии основную идею настоящего изобретения можно будет реализовать многими различными способами. Поэтому настоящее изобретение и варианты его осуществления не ограничены описанными выше примерами и могут варьироваться в пределах объема формулы изобретения.
1. Устройство для варки, предназначенное для обработки биомассы, содержащей лигноцеллюлозу, причем устройство (10) для варки содержит
один или более варочных реакторов (100, 100'), работающих по периодическому принципу и выполненных с возможностью варки биомассы в температурном диапазоне от 116°С до 170°C с использованием варочного химиката, который содержит от 30% до 75% муравьиной кислоты, от 6% до 55% уксусной кислоты, от 13% до 22% воды и от 0,01% до 3% фурфураля,
отличающееся тем, что устройство для варки (10) содержит нагревательное устройство (106), выполненное с возможностью регулирования передачи тепловой энергии в каждый варочный реактор (100, 100') посредством регулирования температуры варочного химиката как функции времени и посредством подачи варочного химиката с отрегулированной температурой в каждый варочный реактор (100, 100'), для регулирования количества пятиуглеродных (С5) сахаров и фурфураля, содержащихся в варочном реакторе (100, 100').
2. Устройство для варки по п. 1, отличающееся тем, что нагревательное устройство (106) выполнено с возможностью регулирования количества присутствующих пятиуглеродных (С5) сахаров и фурфураля в зависимости от желаемой делигнификации в процессе варки посредством регулирования передачи тепловой энергии в каждый варочный реактор (100, 100').
3. Устройство для варки по п. 1, отличающееся тем, что нагревательное устройство (106) выполнено с возможностью повышения температуры варочного химиката до уровня, превышающего температуру варки, используемую для варки в одном или более варочных реакторах (100, 100').
4. Устройство для варки по п. 1, отличающееся тем, что устройство (10) для варки содержит циркуляционное устройство (102), которое выполнено с возможностью перемещения варочного химиката по трубам (104) от одного или более варочных реакторов (100, 100') к нагревательному устройству (106) и перемещения варочного химиката, отрегулированного с точки зрения передачи тепловой энергии, обратно к по меньшей мере одному из одного или более варочных реакторов (100, 100').
5. Устройство для варки по п. 1, отличающееся тем, что по меньшей мере один из одного или более варочных реакторов (100) содержит по меньшей мере одно сито (108), выполненное с возможностью регулирования потока варочного химиката, отрегулированного с точки зрения передачи тепловой энергии, посредством регулирования передачи тепловой энергии для оптимизации времени варки и/или качества конечного продукта.
6. Устройство для варки по п. 4, отличающееся тем, что по меньшей мере один из одного или более варочных реакторов (100) содержит совокупность сит (108) в различных точках (110, 112) варочного реактора (100); и тем, что циркуляционное устройство (102) выполнено с возможностью перемещения варочного химиката от по меньшей мере одного варочного реактора (100) через различные сита (108) к нагревательному устройству (106).
7. Устройство для варки по п. 6, отличающееся тем, что циркуляционное устройство (102) выполнено с возможностью возвращения варочного химиката с отрегулированной температурой в нагревательное устройство (106) и пропускания его через различные сита (108) в различные впускные точки варочного реактора (100, 100').
8. Устройство для варки по п. 6, отличающееся тем, что нагревательное устройство (106) содержит совокупность нагревателей (114, 116), а циркуляционное устройство (102) выполнено с возможностью перемещения по трубам (104) варочного химиката через два различных сита (108), расположенных в двух различных точках (110, 112), к по меньшей мере двум различным нагревателям (114, 116).
9. Устройство для варки по п. 1, отличающееся тем, что нагревательное устройство (106) выполнено с возможностью регулирования передачи тепла варочного химиката в зависимости от теплоемкости и температуры варки вещества, которое подвергается варке в одном или более варочных реакторах (100, 100').
10. Устройство для варки по п. 1, отличающееся тем, что устройство (10) для варки содержит по меньшей мере один контейнер (150) для варочного химиката, и каждый контейнер (150) для варочного химиката выполнен с возможностью загрузки в него по меньшей мере части варочного химиката, используемого в по меньшей мере одном или более варочных реакторах (100, 100'), нагревательное устройство (106, 156) выполнено с возможностью регулирования температуры варочного химиката, загружаемого в контейнер (150) для варочного химиката, и контейнер (150) для варочного химиката выполнен с возможностью подачи варочного химиката с отрегулированной температурой в один или более варочных реакторов (100, 100') после загрузки порции биомассы в один или более варочных реакторов (100, 100').
11. Устройство для варки по п. 10, отличающееся тем, что один или более варочных реакторов (100) выполнены с возможностью загрузки в них варочного химиката с отрегулированной температурой из по меньшей мере одного отдельного контейнера (150) для варочного химиката для кальцинирования биомассы.
12. Устройство для варки по п. 10, отличающееся тем, что устройство (10) для варки содержит первый варочный реактор (100) и второй варочный реактор (100'), и буферный бак (160) первого варочного реактора выполнен с возможностью выгрузки преобразованного в пар варочного химиката по трубам (104) в генератор (200) тепла, который выполнен с возможностью регулирования температуры варочного химиката и подачи варочного химиката с отрегулированной температурой во второй варочный реактор (100').
13. Способ варки биомассы, содержащей лигноцеллюлозу, в котором осуществляют варку (1000) биомассы в одном или более варочных реакторах (100, 100'), работающих по периодическому принципу, в температурном диапазоне от 116°С до 170°C с использованием варочного химиката, который содержит от 30% до 75% муравьиной кислоты, от 6% до 55% уксусной кислоты, от 13% до 22% воды и от 0,01% до 3% фурфураля, отличающийся тем, что
регулируют (1002) количество пятиуглеродных (С5) сахаров и фурфураля, содержащихся в варочном реакторе (100, 100'), посредством регулирования передачи тепловой энергии в каждый варочный реактор (100, 100') и температуры варочного химиката как функции времени; и
подают (1004) варочный химикат с отрегулированной температурой в один или более варочных реакторов (100, 100').
14. Способ варки по п. 13, отличающийся регулированием с использованием нагревательного устройства (106) количества пятиуглеродных (С5) сахаров и фурфураля, содержащихся в варочном реакторе (100, 100'), в зависимости от желаемой делигнификации в процессе варки посредством регулирования передачи тепловой энергии в каждый варочный реактор (100, 100').
