描述
背景技術(shù)：
木質(zhì)纖維素原料可被轉(zhuǎn)化為有用的化合物例如生物燃料和生物化學(xué)制品，但是通常需要預(yù)處理來(lái)打破木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)以提高其中包含的碳水化合物的可接近性。迄今為止已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多水熱預(yù)處理，其在液態(tài)水或者蒸汽的存在下處理原料，全部是在加壓環(huán)境中發(fā)生的。壓力通常是通過(guò)水或者蒸汽注入而實(shí)現(xiàn)的。蒸汽爆炸是廣泛使用的預(yù)處理，其中蒸汽壓力快速釋放以導(dǎo)致木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的爆炸性破裂。
因此，干的接收到轉(zhuǎn)化設(shè)施中的原料必須從大氣壓輸送至工藝壓力。由于工業(yè)中的轉(zhuǎn)化工藝典型地以連續(xù)方式進(jìn)行，因此原料物流必須在防止災(zāi)難性的壓力損失的同時(shí)進(jìn)入加壓區(qū)，所述壓力損失可擾亂壓力條件，從而使設(shè)施操作停止，并且導(dǎo)致對(duì)操作者的嚴(yán)重傷害。加壓區(qū)可為加壓預(yù)處理反應(yīng)器或者在預(yù)處理反應(yīng)器上游的加壓區(qū)。雖然已經(jīng)實(shí)施了不同的解決方案以在中試規(guī)模上將原料連續(xù)地輸送至加壓反應(yīng)器，但是在工業(yè)規(guī)模上穩(wěn)定的連續(xù)輸送仍然是嚴(yán)重問(wèn)題，因?yàn)樵媳仨氁苑浅８叩馁|(zhì)量流量(典型地好幾十或者幾百公噸/小時(shí))輸送。
在工業(yè)規(guī)模上輸送粉碎的低密度生物質(zhì)例如秸稈原料方面產(chǎn)生另外的問(wèn)題。由于原料的低密度，因此輸送高的質(zhì)量流量意味著搬運(yùn)(裝卸、操縱，handling)驚人的體積流量(以立方米/小時(shí)計(jì))。在使用容積式(volumetric)裝置例如生物質(zhì)壓縮機(jī)來(lái)將輕質(zhì)原料輸送至所述設(shè)施的加壓段的情況下，該問(wèn)題變得關(guān)鍵。在這些條件下，容積式裝置在輸送速率方面呈現(xiàn)出瓶頸。
迄今為止已經(jīng)開(kāi)發(fā)了不同的策略來(lái)在處于漸增壓力的區(qū)之間輸送原料。
根據(jù)第一種策略，將連續(xù)的原料物流劃分成等分部分(aliquot)，各等分部分被相繼地輸送至高壓區(qū)，從而將兩個(gè)區(qū)保持為隔離的。
作為一個(gè)實(shí)例，us7600960公開(kāi)了基于閘門(mén)(sluice)系統(tǒng)的方法，根據(jù)該方法，首先將產(chǎn)物傳送通過(guò)計(jì)量(portioning)裝置，其產(chǎn)生相隔均勻的顆粒自由空間的一序列均勻的產(chǎn)物部分，隨后將產(chǎn)物部分各個(gè)地傳送通過(guò)閘門(mén)裝置。所述裝置包括至少一個(gè)閘門(mén)腔室和兩個(gè)壓力栓，所述壓力栓的至少一個(gè)在任何時(shí)刻保證兩個(gè)壓力區(qū)之間的氣密阻隔，并且通過(guò)活塞螺桿將產(chǎn)物部分從第一區(qū)強(qiáng)制加載到閘門(mén)腔室中，所述活塞螺桿的軸實(shí)際上與閘門(mén)腔室的軸成一直線；和通過(guò)活塞螺桿或活塞或者通過(guò)以比第二壓力區(qū)的壓力高的壓力供應(yīng)的氣體、蒸汽或者液體將產(chǎn)物部分從閘門(mén)腔室強(qiáng)制卸載并且進(jìn)入到第二壓力區(qū)中。
us7600960的方法本質(zhì)上是復(fù)雜的，需要長(zhǎng)序列的操作來(lái)輸送少部分的原料，從而限制了原料輸送速率。此外，壓力栓在長(zhǎng)的操作時(shí)間時(shí)經(jīng)歷故障，并且可被堵塞，尤其是在輸送以高的速率操作時(shí)。
根據(jù)用于將原料物流輸送至高壓區(qū)的第二種策略，首先將原料與水或者其它液體混合以形成稀釋的漿料，其更容易被傳送通過(guò)在壓力下的不同的預(yù)處理工藝步驟。由此，將原料以漿料形式從低壓區(qū)輸送至高壓區(qū)。水的添加促進(jìn)了在預(yù)處理反應(yīng)器上游和預(yù)處理反應(yīng)器內(nèi)的單元操作中木質(zhì)纖維素原料的運(yùn)輸和機(jī)械搬運(yùn)。
可使用一系列專門(mén)設(shè)計(jì)的泵將木質(zhì)纖維素原料的漿料加壓至高于高壓區(qū)中的壓力。
在一些情況下，為了被輸送至高壓區(qū)，將稀釋的原料漿料通過(guò)漿料泵而泵至中間壓力和進(jìn)料至高壓進(jìn)料裝置，其可為旋轉(zhuǎn)輸送裝置或者柱塞物(栓狀物、栓塞物，plug)形成裝置。這些解決方案(特別是針對(duì)紙漿和造紙工業(yè)中使用的木片原料)的實(shí)例公開(kāi)于us5476572、us5622598和us5635025及us5766418中。如這些專利中描述的，使用漿料泵將漿料進(jìn)料至高壓輸送裝置使所需要的系統(tǒng)的復(fù)雜性和物理尺寸顯著地減小，并且提高了可操作性和可維護(hù)性的容易性。
us6325890公開(kāi)了用于將粉碎的纖維素纖維材料例如木片進(jìn)料至處理容器例如連續(xù)蒸煮器(digester)的頂部系統(tǒng)和方法。所公開(kāi)的方法和系統(tǒng)通過(guò)消除us5476572、us5622598和us5635025及us5766418中使用的高壓輸送裝置而提供提升的簡(jiǎn)單性、可操作性和可維護(hù)性。代替高壓輸送裝置，使用位于處理容器頂部以下至少30英尺并且用于將漿料加壓至至少約10巴表壓的壓力的一個(gè)或多個(gè)漿料泵將經(jīng)汽蒸并且漿料化的木片加壓。us6325890由此公開(kāi)了通過(guò)使用高壓漿料泵將粉碎的纖維素纖維材料直接輸送至蒸煮器的方法。
所提及的用于輸送漿料形式的原料的解決方案存在許多缺點(diǎn)。首先，將原料漿料稀釋并且所存在的液體的質(zhì)量通常為所存在的原料固體的至少5-25倍以使?jié){料均勻地流動(dòng)。這暗示著，在工業(yè)規(guī)模上應(yīng)當(dāng)管理可觀量的液體，其可容易地達(dá)到數(shù)千公噸/小時(shí)的流速。由于在大氣壓下這可能不是嚴(yán)重問(wèn)題，因此通過(guò)高壓漿料泵對(duì)這樣的流速進(jìn)行加壓和泵送是不合理的。其次，高壓區(qū)典型地是通過(guò)在高溫下的蒸汽注入以加熱原料而加壓的。該加熱所需要的蒸汽的量是漿料的總質(zhì)量(包括用于漿料的運(yùn)輸?shù)乃砑?的直接函數(shù)。因此，大量水的存在需要大量的蒸汽來(lái)用于所述加熱。
根據(jù)用于將原料物流輸送至高壓區(qū)的第三種策略，通過(guò)連接至例如螺旋壓榨機(jī)、螺旋進(jìn)料器、壓縮機(jī)、擠出機(jī)和類似裝置的柱塞物形成裝置將原料輸送至高壓區(qū)。將原料處理成達(dá)到合適的水分含量，然后插入到柱塞物形成裝置中，在柱塞物形成裝置中其被推進(jìn)和連續(xù)地壓縮以在連接至高壓區(qū)的柱塞物形成裝置出口處形成原料柱塞物。同時(shí)，由于在柱塞物形成裝置中的機(jī)械作用，將液體從原料除去。原料柱塞物原則上能夠動(dòng)態(tài)地密封高壓區(qū)，從而防止蒸汽損失，但是由于頻繁的柱塞物不均勻性，其無(wú)法在工業(yè)規(guī)模上的高的流速下工作。該解決方案的主要缺點(diǎn)是如下事實(shí)：該密封用柱塞物通常無(wú)法連續(xù)地工作，并且柱塞物損失極其頻繁。此外，在高的流速下，柱塞物損失頻率增加。另一問(wèn)題由如下所呈現(xiàn)：這樣的用于壓縮原料的裝置的高能耗，這也暗示著耗散所產(chǎn)生的熱。另外的問(wèn)題是，液體從柱塞物形成裝置的有效除去，以防止不可壓縮的流體的積聚。
us8691050公開(kāi)了用于通過(guò)“流動(dòng)進(jìn)料器”將粒狀材料連續(xù)地輸送到加壓蒸汽反應(yīng)器中的方法和裝置。材料例如木質(zhì)纖維素生物質(zhì)原料被壓實(shí)為<700kg/m3的“低密度”柱塞物，其通過(guò)利用蒸汽冷凝區(qū)而提供對(duì)加壓蒸汽的動(dòng)態(tài)密封。蒸汽冷凝區(qū)移動(dòng)到“低密度”柱塞物中的速率被將壓實(shí)的材料進(jìn)料到加壓反應(yīng)器中的速率所抵消。優(yōu)選的裝置通過(guò)使用反抗由卸載裝置提供的反壓力工作的加載裝置而在流動(dòng)進(jìn)料器腔室內(nèi)將材料壓實(shí)。壓實(shí)的材料被卸載裝置主動(dòng)地瓦解和進(jìn)料到反應(yīng)器中。在優(yōu)選實(shí)施方式中，壓實(shí)的材料是在其中蒸汽冷凝區(qū)和低壓入口區(qū)之間的界面在流動(dòng)進(jìn)料器腔室內(nèi)保持靜止的穩(wěn)態(tài)操作中進(jìn)料的。即使us8691050公開(kāi)的解決方案減少了形成柱塞物所需要的能量，其也無(wú)法在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中工作，因?yàn)橥昝赖姆€(wěn)態(tài)是不可能長(zhǎng)期保持的并且柱塞物損失增加。
us8328947公開(kāi)了用于將木質(zhì)纖維素原料中的多糖水解以產(chǎn)生單糖或者用于預(yù)處理木質(zhì)纖維素原料的方法，其中將木質(zhì)纖維素原料的含水漿料進(jìn)料到加壓脫水區(qū)中，在所述加壓脫水區(qū)中將原料部分地脫水，然后壓縮成柱塞物。所述柱塞物提供脫水區(qū)的出口和反應(yīng)區(qū)之間的壓力密封。
在us8328947中，提供用于將木質(zhì)纖維素原料中的多糖水解以產(chǎn)生單糖或者用于預(yù)處理木質(zhì)纖維素原料的方法，其中將木質(zhì)纖維素原料的含水漿料通過(guò)高壓漿料泵進(jìn)料到加壓脫水區(qū)中，在所述加壓脫水區(qū)中將原料部分地脫水。所述脫水區(qū)包括用于在壓力下從所述含水原料漿料除水的一個(gè)或多個(gè)裝置。適合用于該發(fā)明中的脫水裝置包括加壓螺旋壓榨機(jī)(如下文中更詳細(xì)地描述的)和加壓過(guò)濾器。將來(lái)自所述脫水區(qū)的出口區(qū)的經(jīng)部分脫水的木質(zhì)纖維素原料物流移動(dòng)至柱塞物形成區(qū)的入口區(qū)。在這樣的區(qū)中，所述經(jīng)部分脫水的木質(zhì)纖維素原料物流形成柱塞物，所述柱塞物起到所述脫水區(qū)的出口區(qū)和反應(yīng)區(qū)的入口區(qū)之間的連續(xù)壓力密封物的作用。將所述柱塞物引入到在等于大于約90psia的壓力(pr)下和在合適的溫度和ph條件下操作的反應(yīng)區(qū)中以水解所述多糖或者預(yù)處理所述原料。所述柱塞物提供所述脫水區(qū)的出口和所述反應(yīng)區(qū)之間的壓力密封物。在所述脫水裝置的入口處的所述木質(zhì)纖維素原料的含水漿料的壓力通過(guò)該專利中所指示的微分?jǐn)?shù)學(xué)公式與pr關(guān)聯(lián)，全部意味著，所述含水漿料的壓力通過(guò)高壓漿料泵從起始?jí)毫ι咧粮咏趐r的中間壓力，從而減小原料柱塞物必須連續(xù)地經(jīng)受的壓力差。
us8328947中公開(kāi)的方法呈現(xiàn)出已經(jīng)提及的用高壓漿料泵以高的流速泵送稀釋的漿料的缺點(diǎn)。此外，將其在高的流速下從加壓脫水區(qū)除去可變成重要的問(wèn)題。
在工業(yè)規(guī)模上對(duì)木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理中，存在與漿料形式的原料的輸送有關(guān)的許多問(wèn)題，其在現(xiàn)有技術(shù)中未被解決。
所要解決的一個(gè)首要問(wèn)題是防止原料堵塞到經(jīng)加壓的輸送導(dǎo)管(conduit)例如經(jīng)加壓的管道(pipe)中，特別是在粉碎的秸稈的情況下。
另一問(wèn)題是大量的漿料化木質(zhì)纖維素原料的加工，這暗示著在短的時(shí)間內(nèi)脫水和除去大量的液體。即，在工業(yè)規(guī)模上，每小時(shí)加工好幾十或者幾百噸生物質(zhì)并且需要防止從所述漿料除去的液體在脫水裝置中積聚，因?yàn)椴豢蓧嚎s的流體的積聚將使脫水是低效率的。
該問(wèn)題的一種解決方案是使用如us8328947中描述的并行的輸送系統(tǒng)和裝置，但是該簡(jiǎn)單的解決方案使成本增加。而且，其會(huì)引入復(fù)雜性，因?yàn)槠鋾?huì)暗示管理處于不同壓力下的區(qū)之間的多個(gè)界面，從而提高在高壓區(qū)的加壓方面的頻繁故障的風(fēng)險(xiǎn)。
所要解決的另一問(wèn)題是在工業(yè)規(guī)模上將所述漿料脫水所需要的能量。一方面，由于成本原因，需要減少能量消耗，另一方面，如果在脫水裝置中耗散了大的功率，則溫度會(huì)顯著升高，從而提高了機(jī)械故障的風(fēng)險(xiǎn)。
進(jìn)一步的問(wèn)題與其中原料為秸稈例如小麥秸稈的木質(zhì)纖維素漿料的輸送有關(guān)。秸稈原料典型地具有非常低的水分含量；當(dāng)漿料化時(shí)，其在游離水出現(xiàn)之前吸附大量的水。該吸附的水或液體(其為毛細(xì)管液體)然后難以被除去，因?yàn)槠涫切纬赡軌蛎芊庠诓煌瑝毫ο碌墓に噮^(qū)的原料柱塞物所需要的。
在通過(guò)涉及將木質(zhì)纖維素原料、特別是秸稈原料在處于不同壓力下的區(qū)之間輸送的預(yù)處理工藝預(yù)處理木質(zhì)纖維素原料方面產(chǎn)生的上述問(wèn)題沒(méi)有一個(gè)被現(xiàn)有技術(shù)所解決，特別是在如工業(yè)應(yīng)用所需要的高流速的情況下。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，公開(kāi)了將木質(zhì)纖維素原料從低壓區(qū)輸送至高壓區(qū)的連續(xù)工藝。將所述木質(zhì)纖維素原料通過(guò)柱塞物形成裝置引入到所述高壓區(qū)中，所述柱塞物形成裝置從連接至所述低壓區(qū)的入口接收所述木質(zhì)纖維素原料，通過(guò)賦予剪切和壓縮力而從所述木質(zhì)纖維素原料除去液體，同時(shí)推進(jìn)所述木質(zhì)纖維素原料通過(guò)內(nèi)部腔室以在連接至所述高壓區(qū)的柱塞物形成裝置出口處形成原料柱塞物。所述原料柱塞物能夠連續(xù)地保持所述低壓區(qū)和所述高壓區(qū)之間的壓力差，條件是所述原料柱塞物的原料的水分含量在特定目標(biāo)范圍內(nèi)。
發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，連續(xù)地進(jìn)入所述柱塞物形成裝置的木質(zhì)纖維素原料必須具有在窄的目標(biāo)范圍內(nèi)的水分含量。即，在水分含量太高的情況下，所述柱塞物形成裝置將從所述木質(zhì)纖維素原料除去相關(guān)(相應(yīng)、成比例，relevant)量的不可壓縮的液體并且難以將其從所述柱塞物形成裝置的內(nèi)部腔室取出。另一方面，在進(jìn)入所述柱塞物形成裝置的木質(zhì)纖維素原料的水分含量太低的情況下，所述原料柱塞物將不能保持低壓區(qū)和高壓區(qū)之間的壓力差。
由于所述原料被連續(xù)地、從而以物流形式引入到所述柱塞物形成裝置中，發(fā)明人還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如下是必要的：進(jìn)入所述柱塞物形成裝置的木質(zhì)纖維素原料的等分部分的水分含量在窄的目標(biāo)范圍內(nèi)，其中所述等分部分具有與所述柱塞物形成裝置的內(nèi)部腔室的容積相當(dāng)?shù)捏w積。
發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了達(dá)到該嚴(yán)格的要求，所述木質(zhì)纖維素原料必須是以漿料形式以這樣的方式提供的：所述漿料中的木質(zhì)纖維素原料的水分含量大于進(jìn)入所述柱塞物形成裝置的原料的窄的水分含量目標(biāo)范圍。然后通過(guò)在多步驟脫水過(guò)程中逐漸除去液體而將所述原料漿料脫水。首先，通過(guò)重力將至少相關(guān)部分的游離液體排泄(排流，排水，drain)以產(chǎn)生包括毛細(xì)管液體的經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料，所述毛細(xì)管液體為不是作為游離液體存在的液體。然后，通過(guò)壓縮除去第一部分的毛細(xì)管液體。由于所述第一部分的毛細(xì)管液體容易被除去，因此大量的液體在該壓縮步驟中被除去，所述壓縮步驟在低壓區(qū)中進(jìn)行，所述低壓區(qū)優(yōu)選地處于大氣壓下。然后通過(guò)所述柱塞物形成裝置通過(guò)賦予剪切和壓縮力而除去較難以除去的第二部分的毛細(xì)管液體。
發(fā)明人還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，除去所述第一部分的毛細(xì)管液體的步驟可便利地通過(guò)如下而進(jìn)行：將所述木質(zhì)纖維素原料的物流以在特定范圍內(nèi)的壓縮率(compressionrate)連續(xù)地壓縮，由此所述壓縮不是對(duì)整個(gè)原料，而是對(duì)所述原料的等分部分開(kāi)動(dòng)的(actuate)。進(jìn)入所述壓縮步驟的原料物流可隨著時(shí)間而變化，因?yàn)榱魉偈菚r(shí)變的(time-variable)，或者因?yàn)樗趾渴菚r(shí)變的、或者不是均勻的。在這些情況下，壓縮率可在所述壓縮率范圍內(nèi)隨著時(shí)間而變化，以達(dá)到進(jìn)入所述柱塞物形成裝置的木質(zhì)纖維素原料的均勻的水分含量。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將所述木質(zhì)纖維素原料連續(xù)地壓縮到至少一種控制壓力，進(jìn)入所述柱塞物形成裝置的木質(zhì)纖維素原料的水分含量的均勻性大幅改善，并且該特征使在所述柱塞物形成裝置的出口處的原料柱塞物的穩(wěn)定性提高。
進(jìn)行所述連續(xù)壓縮步驟到所述至少一種控制壓力的優(yōu)選方式是使用帶式壓濾機(jī)，其中在將所述木質(zhì)纖維素原料的物流在所述帶式壓濾機(jī)的流動(dòng)方向上傳送的同時(shí)開(kāi)動(dòng)所述壓縮到至少一種控制壓力。如現(xiàn)有技術(shù)中已知的，在帶式壓濾機(jī)中，兩個(gè)環(huán)形帶耦合以限定壓縮區(qū)域。所述控制壓力可通過(guò)作用于所述帶式壓濾機(jī)的至少一個(gè)帶的合適的壓縮裝置例如活塞或者彈簧而實(shí)現(xiàn)。所述壓縮裝置強(qiáng)制所述帶沿著所述流動(dòng)方向在至少一個(gè)位置處上下移動(dòng)，直至施加了所述控制壓力。優(yōu)選地，存在多個(gè)沿著所述流動(dòng)方向分布的壓縮裝置，各自具有特定的控制壓力，并且所述壓縮裝置的所述控制壓力更優(yōu)選地沿著所述流動(dòng)方向而升高。由此，連續(xù)地壓縮所述木質(zhì)纖維素原料以除去所述第一部分的毛細(xì)管液體的優(yōu)選方式是具有可變的壓縮區(qū)域輪廓(profile)的帶式壓濾機(jī)。以此方式，使所述木質(zhì)纖維素原料的物流的水分含量逐漸均等(equalize)以在進(jìn)入所述柱塞物形成裝置之前達(dá)到均勻的水分含量。
因此，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開(kāi)了從木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的漿料逐漸地除去液體的工藝，其中所述液體除去是分布在不同的區(qū)中的。分布的液體除去可在短時(shí)間內(nèi)除去大量的總液體，從而如工業(yè)應(yīng)用中所需要的那樣防止液體積聚。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還公開(kāi)了用于提供木質(zhì)纖維素原料的漿料的不同工藝。然后可根據(jù)所公開(kāi)的輸送工藝將木質(zhì)纖維素原料的漿料輸送至高壓區(qū)。
在用于提供木質(zhì)纖維素原料的漿料的第一工藝中，使具有起始液體保持能力的木質(zhì)纖維素原料在包括水的浸泡液體中經(jīng)歷浸泡步驟以提供木質(zhì)纖維素原料的漿料，其包括游離液體和經(jīng)浸泡的木質(zhì)纖維素原料。所述液體保持能力描述所述原料保持毛細(xì)管液體的能力。所述液體保持能力是在通過(guò)重力從所述漿料排泄所有的游離液體之后所述木質(zhì)纖維素原料的以重量計(jì)的最大百分比水分含量。優(yōu)選地，所述浸泡步驟進(jìn)行足以將所述木質(zhì)纖維素的水分含量提高至或者接近于起始液體保持能力的時(shí)間。在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，所述浸泡步驟以連續(xù)方式進(jìn)行并且所述浸泡液體進(jìn)一步包括得自所述木質(zhì)纖維素原料的非木質(zhì)纖維素組分并且在所述浸泡步驟中溶解的水溶性化合物例如溶解的鹽和酸、或者蠟。在另一優(yōu)選實(shí)施方式中，在所述浸泡步驟期間將外部污染物例如石頭或者金屬物體從所述木質(zhì)纖維素原料分離。
發(fā)明人還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，所述木質(zhì)纖維素原料的起始液體保持能力可通過(guò)溫和的水熱處理而提高。因此，在用于提供木質(zhì)纖維素原料的漿料的第二工藝中，使所述木質(zhì)纖維素原料在包括水的處理液體中在60℃-160℃的溫度下經(jīng)歷處理達(dá)足以提高起始液體保持能力的時(shí)間。通過(guò)提高所述木質(zhì)纖維素原料的液體保持能力，就進(jìn)入所述柱塞物形成裝置的所述木質(zhì)纖維素原料的物流中的水分含量更好的均勻性而言，下游脫水工藝可得以改善。任選地，所述溫和的水熱處理之前可為用于將所述木質(zhì)纖維素的水分含量提高至或者接近于起始液體保持力的所公開(kāi)的浸泡工藝。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開(kāi)了預(yù)處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的工藝，所述工藝是以如工業(yè)應(yīng)用所需要的高流速連續(xù)地操作的，其中首先以包括游離液體和包含毛細(xì)管液體的木質(zhì)纖維素原料的漿料形式提供木質(zhì)纖維素原料。所述漿料可通過(guò)如下工藝提供：其包括用于提高木質(zhì)纖維素原料的水分含量而不顯著地改變起始液體保持能力的所公開(kāi)的浸泡步驟、或者用于提高起始液體保持能力的所公開(kāi)的溫和的水熱步驟、或者這兩種工藝步驟。然后通過(guò)所公開(kāi)的輸送工藝將所述木質(zhì)纖維素原料輸送至高壓反應(yīng)器，其中將游離液體和毛細(xì)管液體通過(guò)如下的序列而逐漸除去：通過(guò)重力而排泄、壓縮、以及壓縮和剪切。在所述高壓反應(yīng)器中，使所述木質(zhì)纖維素原料經(jīng)歷在160℃-250℃范圍內(nèi)的溫度下的水熱處理(其對(duì)應(yīng)于高苛刻度處理)，以產(chǎn)生經(jīng)預(yù)處理的木質(zhì)纖維素原料，其然后優(yōu)選地通過(guò)快速釋放在所述高壓反應(yīng)器中施加至所述原料的壓力而蒸汽爆炸。
所公開(kāi)的預(yù)處理工藝防止所述原料堵塞裝備(例如，輸送裝置中的裝備)，并且同時(shí)降低在將所述原料輸送至加壓反應(yīng)器期間來(lái)自加壓反應(yīng)器的危險(xiǎn)的壓力損失的風(fēng)險(xiǎn)。這些問(wèn)題特別是在秸稈原料的情況下出現(xiàn)，因此秸稈原料是優(yōu)選的原料。
在所述加壓反應(yīng)器中，使所述木質(zhì)纖維素原料在處于液相或者蒸汽相、或者其組合的水的存在下在高壓下經(jīng)歷水熱處理。優(yōu)選地，通過(guò)快速釋放施加所述原料的壓力，使所述木質(zhì)纖維素原料進(jìn)一步經(jīng)歷蒸汽爆炸。
具體實(shí)施方式
所公開(kāi)的工藝為用于預(yù)處理木質(zhì)纖維素原料的工藝。優(yōu)選地，所述木質(zhì)纖維素原料的尺寸已經(jīng)被減小(例如通過(guò)切割、劈砍或者其它手段)，并且其作為粉碎的木質(zhì)纖維素原料進(jìn)入所公開(kāi)的工藝。
木質(zhì)纖維素原料的描述可參見(jiàn)w02013098789第5-10頁(yè)。即使所公開(kāi)的工藝可用于任何種類的木質(zhì)纖維素原料，在秸稈原料例如小麥秸稈的情況下其是特別合適的。本領(lǐng)域中已知，粉碎的秸稈原料在其被傳送或者壓縮時(shí)形成粘性的漿料，其呈現(xiàn)出很多搬運(yùn)問(wèn)題例如堵塞管線。而且，在將所述原料以高的流速加工的情況下(這是最令人感興趣的實(shí)際應(yīng)用)，這些搬運(yùn)問(wèn)題被放大。
因此，優(yōu)選的木質(zhì)纖維素原料為秸稈，優(yōu)選地小麥秸稈、水稻秸稈、或者大麥秸稈。蔗渣(bagasse)、特別是甘蔗渣(sugarcanebagasse)是另一優(yōu)選原料。
所公開(kāi)的工藝為連續(xù)工藝。為了使工藝是連續(xù)的，如下不是必要的：將木質(zhì)纖維素生物質(zhì)物流連續(xù)地引入到所述工藝中，但是可將其以穩(wěn)定的等分部分或者脈沖引入。因此，可存在可沒(méi)有木質(zhì)纖維素原料進(jìn)入所述工藝時(shí)的時(shí)刻。但是，隨著時(shí)間推移，引入到所述工藝中的總質(zhì)量等于從所述工藝除去的總質(zhì)量。連續(xù)和間歇工藝之間的一個(gè)區(qū)別特征是，在連續(xù)工藝中，所述工藝在將所述木質(zhì)纖維素原料引入到所述工藝中和/或?qū)⑵鋸乃龉に嚦サ耐瑫r(shí)發(fā)生或者進(jìn)行。其另一種表述方式是，所述工藝在同步地或者同時(shí)除去所述木質(zhì)纖維素原料時(shí)發(fā)生。這樣的除去以包括等分部分或者脈沖除去的連續(xù)方式進(jìn)行。
如典型地在轉(zhuǎn)化設(shè)施中接收的木質(zhì)纖維素原料典型地為干燥的原料。此情況下的水分含量?jī)?yōu)選地小于50％、更優(yōu)選地小于30％、甚至更優(yōu)選地小于20％、和最優(yōu)選地小于10％。
所述木質(zhì)纖維素原料具有起始液體保持能力，其可通過(guò)如下測(cè)量：將所述原料用過(guò)量的水、優(yōu)選地在產(chǎn)生包括游離液體的均勻漿料的攪拌下、在大氣壓和25℃下漿料化足以將所述木質(zhì)纖維素原料用水飽和的時(shí)間。例如，可將漿料保持1小時(shí)。然后通過(guò)潷析從用水浸泡的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)分離游離液體，所述木質(zhì)纖維素生物質(zhì)因此保留最大量的不是游離水的水。所述液體保持能力是在將所有游離液體通過(guò)重力排泄之后的以濕重計(jì)的水的百分比量。液體保持能力(其表示為在除去游離液體之后的木質(zhì)纖維素原料的重量％水)可取決于原料的種類在寬的范圍內(nèi)變化；例如，其可為50％-90％、或者60％-90％、或者65％-80％、或者70％-75％，以濕重計(jì)。
所公開(kāi)的工藝的第一步驟是提供木質(zhì)纖維素原料的漿料。
在提供木質(zhì)纖維素原料的漿料的第一優(yōu)選實(shí)施方式中，將所述木質(zhì)纖維素原料在包括水的浸泡液體中在30℃-100℃的浸泡溫度下浸泡。
所述浸泡溫度可為40℃-99℃、優(yōu)選地40℃-90℃、和最優(yōu)選地50℃-85℃。
選擇浸泡時(shí)間(其為在一個(gè)浸泡容器中或者在連續(xù)工藝的情況下系列的浸泡容器中的停留時(shí)間)以將所述木質(zhì)纖維素原料的水分含量提高至起始液體保持能力的至少80％、優(yōu)選地起始液體保持能力的至少90％、和最優(yōu)選地起始液體保持能力的95％。浸泡時(shí)間可為30秒-300分鐘、優(yōu)選地1分鐘-20分鐘、更優(yōu)選地2分鐘-20分鐘、甚至更優(yōu)選地2分鐘-15分鐘、甚至還更優(yōu)選地3-10分鐘、和最優(yōu)選地1-3分鐘。所述浸泡時(shí)間是在不改變所述木質(zhì)纖維素原料的液體保持能力的條件下進(jìn)行的。
除了碳水化合物(主要為葡聚糖和木聚糖)和木質(zhì)素之外，所述木質(zhì)纖維素原料還包括非木質(zhì)纖維素水溶性化合物。所述非木質(zhì)纖維素水溶性化合物包括不同于碳水化合物并且在所述木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中自然存在的化合物，其中包括：包含鈉、鈣、鉀、銨、鎂的陽(yáng)離子和陰離子的有機(jī)和無(wú)機(jī)鹽；通常的蠟和提取物。在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，將這些化合物的至少一部分溶解在所述漿料液體中，因?yàn)樗鼈兛稍谙掠喂に嚥襟E中產(chǎn)生許多問(wèn)題。
取決于浸泡溫度和浸泡時(shí)間，所述木質(zhì)纖維素組分的少量碳水化合物可溶解于所述漿料液體中的可溶性糖。優(yōu)選地，浸泡條件使得所述水溶性化合物的大部分溶解在提取水中，同時(shí)未發(fā)生所述碳水化合物的顯著溶解。
所述浸泡步驟優(yōu)選地在容器、系列容器、或者池或系列池中在大氣壓下以連續(xù)方式進(jìn)行?？蓪⑺瞿举|(zhì)纖維素原料連續(xù)地或者以等分部分在所述浸泡容器的入口處引入到所述浸泡容器中，和可將其通過(guò)傳送手段、優(yōu)選地在促進(jìn)所述原料的浸泡的攪拌下傳送至所述浸泡容器的出口。
所述浸泡步驟優(yōu)選地在相對(duì)于所述浸泡容器中存在的木質(zhì)纖維素原料的量大幅過(guò)量的液體中進(jìn)行?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入和離開(kāi)分離容器的物流的流量而控制所述浸泡容器中的液體的量。
所述浸泡步驟由此提供所述木質(zhì)纖維素原料的漿料，其包括游離液體和經(jīng)浸泡的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)。
在提供木質(zhì)纖維素原料的漿料的另一優(yōu)選實(shí)施方式中，使所述木質(zhì)纖維素原料在水的存在下在60℃-160℃的溫度下經(jīng)歷處理。水可以液相或蒸汽相存在。水可作為蒸汽或者液體存在于所述反應(yīng)器中或者添加至所述反應(yīng)器。在一個(gè)實(shí)施方式中，在所述木質(zhì)纖維素原料進(jìn)入所述處理反應(yīng)器之前或者同時(shí)，將蒸汽添加至所述木質(zhì)纖維素原料。在另一實(shí)施方式中，將水添加至所述處理反應(yīng)器。所公開(kāi)的處理進(jìn)行足以產(chǎn)生包括游離液體和經(jīng)處理的木質(zhì)纖維素原料的漿料的時(shí)間，其中所述經(jīng)處理的木質(zhì)纖維素原料具有大于起始液體保持能力的液體保持能力。所述經(jīng)處理的木質(zhì)纖維素原料的液體保持能力可比起始液體保持能力大至少5％、優(yōu)選地比起始液體保持能力大至少10％、和最優(yōu)選地比起始液體保持能力大至少20％。在保持能力方面的該百分比增加是通過(guò)如下確定的：將提高的液體保持能力除以起始液體保持能力減去1并且乘以100以獲得在液體保持能力方面的百分比增加。所述經(jīng)處理的木質(zhì)纖維素原料的液體保持能力可為50％-99％、或者60％-95％、或者65％-95％、或者80％-85％，以濕重計(jì)。處理時(shí)間可為5分鐘-3小時(shí)、優(yōu)選地10分鐘-2小時(shí)、和最優(yōu)選地30分鐘-1小時(shí)。由此，所公開(kāi)的處理是在溫和條件下操作的水熱處理。在所述處理期間可發(fā)生所述碳水化合物一定程度的溶解，但是其優(yōu)選地為低的。在所述熱處理中溶解的碳水化合物的百分比量可為進(jìn)入所述溫和的水熱處理的所述木質(zhì)纖維素原料的碳水化合物的小于10％、優(yōu)選地小于5％、更優(yōu)選地小于3％、甚至更優(yōu)選地小于2％和最優(yōu)選地小于1％重量。
所述溫和的水熱處理優(yōu)選地在可處于大氣壓下或者加壓條件下的反應(yīng)器容器中進(jìn)行。在一個(gè)實(shí)施方式中，處理溫度小于100℃并且所述反應(yīng)器容器處于大氣壓下。在另一實(shí)施方式中，處理溫度大于100℃并且反應(yīng)器壓力處于大于100kpa的壓力下。反應(yīng)器壓力可由飽和蒸汽平衡條件限定。反應(yīng)器壓力可小于600kpa、優(yōu)選地小于400kpa、和最優(yōu)選地小于200kpa。在一種進(jìn)一步的實(shí)施方式中，即使處理溫度小于100℃、優(yōu)選地大于80℃，反應(yīng)器壓力也大于100kpa，這可由于流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)特別是所述反應(yīng)器的操作模式而發(fā)生。
所述溫和的水熱處理之前可為先前公開(kāi)的浸泡工藝。在該實(shí)施方式中，優(yōu)選地將在所述浸泡步驟中產(chǎn)生的漿料的漿料液體的至少一部分從經(jīng)浸泡的木質(zhì)纖維素原料分離，然后使所述經(jīng)浸泡的木質(zhì)纖維素原料經(jīng)歷所述溫和的水熱處理。優(yōu)選地，將游離液體的至少一部分從經(jīng)浸泡的木質(zhì)纖維素原料分離。任選地，還可分離經(jīng)浸泡的木質(zhì)纖維素原料的一部分毛細(xì)管液體。所除去的液體包含對(duì)下游工藝步驟有害的化合物并且因此被優(yōu)選地從所述工藝取出。
所公開(kāi)的溫和的水熱處理由此提供優(yōu)選的木質(zhì)纖維素原料漿料，其包括游離液體和經(jīng)處理的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)。
然后使木質(zhì)纖維素原料的漿料經(jīng)歷包括許多步驟的相繼的液體除去工藝。
首先，通過(guò)在重力的作用下排泄而除去游離液體的至少一部分。所述排泄步驟產(chǎn)生包括毛細(xì)管液體的經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料。即使優(yōu)選的是不存在游離液體，也任選地可容許較少部分的游離液體。優(yōu)選地，所述經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料中的游離液體的百分比量為所述經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料的小于30％、更優(yōu)選地小于20％、甚至更優(yōu)選地小于10％和最優(yōu)選地小于5％重量，以濕重計(jì)。
游離液體的排泄優(yōu)選地以連續(xù)模式或者以間歇模式、在一個(gè)或多個(gè)步驟中、例如通過(guò)傳送帶、豎直排泄器、傾斜排泄器、潷析器、或者其組合進(jìn)行。
在一個(gè)實(shí)施方式中，在將經(jīng)浸泡的木質(zhì)纖維素原料從所述浸泡容器除去的同時(shí)排泄游離液體的至少一部分。優(yōu)選地，將經(jīng)浸泡的木質(zhì)纖維素原料從所述浸泡容器的出口傳送于具有用于取出所排泄的液體的手段的傾斜的帶傳送器上。
在另一實(shí)施方式中，在連接至或者集成于至少一個(gè)下游裝置中的水平的帶傳送器上排泄游離液體的至少一部分。所排泄的液體可通過(guò)分布在所述帶上的孔除去。
通過(guò)重力排泄可在大氣壓下或者在大于100kpa的壓力下發(fā)生。優(yōu)選地，排泄區(qū)中的壓力小于或等于提供所述漿料的上游工藝步驟的壓力。
然后使經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料經(jīng)歷用于除去相關(guān)部分的毛細(xì)管液體的至少兩個(gè)步驟。第一部分的毛細(xì)管液體相對(duì)容易從所述經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料除去，由此低強(qiáng)度機(jī)械作用可除去相關(guān)量的毛細(xì)管液體。為了進(jìn)一步除去毛細(xì)管液體，機(jī)械作用的強(qiáng)度必須顯著提高并且逐漸地，除去的液體的量減少。根據(jù)所公開(kāi)的工藝，第一部分的毛細(xì)管液體的除去通過(guò)如下而發(fā)生：壓縮所述經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料的物流以產(chǎn)生經(jīng)脫水的木質(zhì)纖維素原料物流，之后通過(guò)在柱塞物形成裝置中壓縮和剪切而除去第二部分的毛細(xì)管液體。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，壓縮必須作用于所述經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料的物流，以避免不可壓縮的液體的積聚。液體積聚將阻礙進(jìn)一步的液體除去，或者將需要人們提高壓縮強(qiáng)度。此外，所述壓縮應(yīng)優(yōu)選地分布在寬的壓縮表面上，以便減少所除去的液體的通量(表示為每單位表面每單位時(shí)間的液體的量)以防止液體積聚。
由此，第一部分的毛細(xì)管液體的除去在低壓區(qū)中發(fā)生，因?yàn)槿绻罅恳后w的除去在高壓區(qū)中發(fā)生的話，則所述除去難以在工業(yè)規(guī)模上操作。優(yōu)選地，所述低壓區(qū)處于大氣壓下。在某些情況下，所述低壓區(qū)可加壓為大于100kpa且小于600kpa、優(yōu)選地小于400kpa、和最優(yōu)選地小于200kpa的壓力。
優(yōu)選地，所述低壓區(qū)中的壓力小于或等于如下的上游工藝步驟的壓力：其包括提供木質(zhì)纖維素原料的漿料和將游離液體的至少一部分通過(guò)重力排泄的工藝。
第二部分的毛細(xì)管液體的除去在柱塞物形成裝置中在其強(qiáng)度典型地大于壓縮步驟中的壓縮力的壓縮和剪切力的作用下發(fā)生。合適的柱塞物形成裝置在本領(lǐng)域中作為螺桿壓縮機(jī)、蝸桿式壓縮機(jī)或類似裝置而已知。所述柱塞物形成裝置從作為低壓區(qū)或者連接至低壓區(qū)的柱塞物形成裝置入口接收所述經(jīng)脫水的木質(zhì)纖維素物流，通過(guò)圍繞位于內(nèi)部腔室內(nèi)的其主軸旋轉(zhuǎn)并且具有設(shè)計(jì)成對(duì)所述原料施加壓縮和剪切的輪廓的至少一個(gè)螺桿將所述原料傳送通過(guò)所述內(nèi)部腔室而去往所述柱塞物形成裝置的出口。所述柱塞物形成裝置的出口為高壓區(qū)或者連接至高壓區(qū)。液體除去在將所述木質(zhì)纖維素原料傳送至所述柱塞物形成裝置的出口的同時(shí)發(fā)生，其中所述原料形成能夠密封處于不同壓力下的區(qū)的壓實(shí)的柱塞物。將除去的液體通過(guò)篩濾器取出，所述篩濾器優(yōu)選地鄰近于所述內(nèi)部腔室與所述螺桿的旋轉(zhuǎn)軸共軸地設(shè)置。由此，在所述柱塞物形成裝置中存在流動(dòng)區(qū)域，其典型地在所述柱塞物流動(dòng)裝置的內(nèi)部腔室內(nèi)，其中容許所述木質(zhì)纖維素原料從所述低壓區(qū)流動(dòng)至所述高壓區(qū)。所述流動(dòng)區(qū)域具有作為所述柱塞物形成裝置的可接近容積的容積。
發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了有效地操作在高流速下的毛細(xì)管液體除去的整個(gè)工藝，如下是必要的：通過(guò)第一壓縮步驟產(chǎn)生的經(jīng)脫水的木質(zhì)纖維素原料物流必須具有在特定的第一目標(biāo)范圍內(nèi)的水分含量。還取決于所加工的特定木質(zhì)纖維素原料，所述水分含量可為65％-85％、優(yōu)選地70％-80％、和最優(yōu)選地75％-78％，以濕重計(jì)。
為了連續(xù)地操作所述工藝，防止在所述柱塞物形成裝置中壓力損失和液體積聚，如下是必要的：作為在所述柱塞物形成裝置的出口處的壓縮出口處的原料的木質(zhì)纖維素原料柱塞物的水分含量在優(yōu)選為窄的第二目標(biāo)范圍內(nèi)。由此，所述原料柱塞物優(yōu)選地具有在40％-60％、更優(yōu)選地45％-50％、和最優(yōu)選地47％-53％范圍內(nèi)的水分含量，以濕重計(jì)。
由此，首先提供經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料的物流，其可積聚在貯料倉(cāng)中。所述經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料的物流特征在于其流速，所述流速為每單位時(shí)間進(jìn)入所述壓縮步驟的木質(zhì)纖維素原料的量，以干料計(jì)。
將所述經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料的物流以在大于1:1至12:1范圍內(nèi)的壓縮比(compressionratio)壓縮，其中所述壓縮比為所使用的壓縮裝置的幾何壓縮率。優(yōu)選地，所述壓縮比為2:1-8:1、和最優(yōu)選地2.5:1-5:1。
在一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)壓縮將第一部分的毛細(xì)管液體除去包括使用至少一個(gè)在圓筒的內(nèi)部腔室中移動(dòng)的活塞，和將所述木質(zhì)纖維素原料的物流劃分成等分部分，所述等分部分被相繼地引入到所述圓筒中并且通過(guò)所述活塞壓縮。所除去的液體可通過(guò)位于所述圓筒上的孔從所述圓筒抽出。所述壓縮比為當(dāng)所述活塞進(jìn)入與所述原料接觸時(shí)被所述原料填充的體積對(duì)在壓縮結(jié)束時(shí)在壓縮被釋放之前所述原料的體積的比率。即，在壓縮被釋放之后，所述木質(zhì)纖維素原料可將在壓縮期間積聚的內(nèi)部應(yīng)力松弛，從而在一定程度上增大其體積。
在另一優(yōu)選實(shí)施方式中，通過(guò)壓縮將第一部分的毛細(xì)管液體除去包括使用至少一個(gè)帶式壓濾機(jī)。所述帶式壓濾機(jī)為食品和制漿工業(yè)用于將非常稀的有機(jī)固體懸浮液和淤渣脫水、或者增稠的設(shè)備。在所公開(kāi)的帶式壓濾機(jī)中，兩個(gè)閉環(huán)帶耦合以限定壓縮區(qū)域，所述壓縮區(qū)域具有：所述壓縮區(qū)域的入口，將進(jìn)來(lái)的物流即經(jīng)排泄的原料引入所述入口中；和所述壓縮區(qū)域的出口，在所述出口中將經(jīng)脫水的原料物流除去。通過(guò)用于使上部和下部帶過(guò)濾器以所選擇的方向環(huán)行的相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)手段(工具)使所述帶移動(dòng)。在操作條件下，所述帶在所述壓縮區(qū)域中具有共同的移動(dòng)方向。優(yōu)選的是，各帶以相同的速度移動(dòng)，使得液體除去通過(guò)壓縮力而發(fā)生。據(jù)信，如果存在的話，剪切力對(duì)液體除去具有可忽略的影響，但是它們可促進(jìn)所述原料在與所述帶的移動(dòng)方向平行的流動(dòng)方向上的移動(dòng)，由此防止在所述壓縮區(qū)域的入口處的原料積聚。優(yōu)選地，所述帶在所述壓縮區(qū)域中的移動(dòng)方向是相對(duì)于重力水平的，但是所述移動(dòng)方向也可相對(duì)于水平面形成小于60°、優(yōu)選地小于30°、最優(yōu)選地小于10°的角。
由此，可相對(duì)于重力限定上部帶和下部帶。所述帶上的至少一個(gè)是穿孔的以促進(jìn)從所述壓縮區(qū)域取出除去的液體。在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，至少所述下部帶呈現(xiàn)出分布的孔，其被成型為限制原料損失，同時(shí)避免堵塞。所述帶可通過(guò)復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)，并且可包括塑料材料例如聚乙烯或聚丙烯、橡膠、或其混合物。優(yōu)選地，所述帶為模塊式的，由連接在一起以形成閉環(huán)帶的剛性模塊構(gòu)成。相鄰的模塊優(yōu)選地以非剛性方式連接在一起，使得它們分別圍繞接頭(joint)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
所述帶式壓濾機(jī)可在所述壓縮區(qū)域中包括連接至所述帶以促進(jìn)所述帶的移動(dòng)的多個(gè)導(dǎo)輥。所述導(dǎo)輥的至少一些可配置成形成對(duì)所述帶的剛性機(jī)械約束。由此，在一種實(shí)施方式中，所述壓縮區(qū)域可具有在所述移動(dòng)方向上固定的輪廓，即，所述壓縮區(qū)域的縱界面不隨時(shí)間而改變。所述壓縮區(qū)域的輪廓優(yōu)選地具有收斂的輪廓以逐漸地除去液體，使得液體除去是沿著所述壓縮區(qū)域分布的，由此限制所除去的液體的局部通量以防止液體積聚。所除去的液體優(yōu)選地通過(guò)重力收集在相對(duì)于重力位于所述壓縮區(qū)域下方的液體收集器中。
在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，下部帶的一部分從所述壓縮區(qū)的入口在與所述移動(dòng)方向的相反方向上延伸以限定用于接收所述經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料的進(jìn)來(lái)的木質(zhì)纖維素物流的接收區(qū)。進(jìn)來(lái)的物流中包含的剩余部分的游離液體可因此在被傳送至所述壓縮區(qū)域的同時(shí)通過(guò)重力通過(guò)穿孔的底部帶被排泄。在另一優(yōu)選實(shí)施方式中，木質(zhì)纖維素原料的漿料被作為物流接收到穿孔的底部帶上并且游離液體的至少一部分的排泄發(fā)生在該穿孔的底部帶上。由此，所述帶式壓濾機(jī)可集成排泄和壓縮步驟兩者。
所述帶式壓濾機(jī)可進(jìn)一步包括用于將進(jìn)來(lái)的木質(zhì)纖維素物流在與帶的移動(dòng)方向垂直的方向上分布在底部帶上和使進(jìn)入所述壓縮區(qū)的所述木質(zhì)纖維素原料物流的厚度均等的手段(工具)。這些手段可包括靜態(tài)約束物例如障礙物(barrier)。優(yōu)選地，使用圍繞與帶的移動(dòng)方向垂直的軸旋轉(zhuǎn)的分布螺桿。所述軸位于距離底部帶的合適距離處以在所述螺桿和底部帶之間限定開(kāi)口。
壓縮比為所述帶之間在其中進(jìn)來(lái)的物流進(jìn)入與上部帶接觸的位置中的距離對(duì)在壓縮期間所述帶之間的最小距離的比率。距離是在所述壓縮區(qū)域中在與所述帶的移動(dòng)方向垂直的方向上測(cè)量的。
所述帶式壓濾機(jī)是在第一壓力區(qū)中、優(yōu)選地在大氣壓下操作的。在一些實(shí)施方式中，所述帶式壓濾機(jī)可被圍封在密封的容器中，所述容器可具有大于100kpa的內(nèi)部壓力。在該配置中，為了從第一壓力區(qū)取出所除去的液體，提供密封的連接。
由于所述經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料的物流來(lái)自通常在小于160℃的溫度下進(jìn)行，但是可以在大于160℃的溫度下進(jìn)行的漿料化步驟，因此所述壓縮步驟優(yōu)選地對(duì)熱的木質(zhì)纖維素原料物流進(jìn)行，因?yàn)楦邷卮龠M(jìn)液體除去。由此，在壓縮期間所述經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料的溫度可為10℃-160℃、優(yōu)選地50℃-100℃、和最優(yōu)選地60℃-90℃。
發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在所述柱塞物形成裝置的入口處保持所述經(jīng)脫水的木質(zhì)纖維素原料物流的水分的時(shí)間穩(wěn)定性對(duì)于防止柱塞物損失和因此而來(lái)的壓力下降是必要的。即，在所述柱塞物形成裝置中在某一瞬間存在的經(jīng)脫水的木質(zhì)纖維素原料的等分部分在所述第一目標(biāo)范圍的水分含量之外足以使柱塞物故障的風(fēng)險(xiǎn)急劇增加。由此，為了將所述經(jīng)脫水的木質(zhì)纖維素原料物流認(rèn)為是時(shí)間穩(wěn)定的，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了如下的嚴(yán)格要求：具有與所述柱塞物形成裝置的可接近容積相當(dāng)?shù)牡确植糠煮w積的所述經(jīng)脫水的木質(zhì)纖維素原料的任何等分部分的平均水分含量必須在第一目標(biāo)范圍內(nèi)。所述等分部分體積可小于所述柱塞物形成裝置的可接近容積的4倍、優(yōu)選地小于所述柱塞物形成裝置的可接近容積的2倍、優(yōu)選地小于所述柱塞物形成裝置的可接近容積。
另一方面，對(duì)于無(wú)窮小的等分部分體積保持所述經(jīng)脫水的木質(zhì)纖維素原料物流的水分含量的時(shí)間穩(wěn)定性是不必要的，因?yàn)樗值牟▌?dòng)可在某種程度上在所述柱塞物形成裝置中補(bǔ)償，條件是所述經(jīng)脫水的木質(zhì)纖維素原料物流的平均水分含量在關(guān)于作為所述柱塞物形成裝置的可接近容積的至少10％、優(yōu)選地所述柱塞物形成裝置的可接近容積的至少20％、更優(yōu)選地所述柱塞物形成裝置的可接近容積的至少50％、和最優(yōu)選地所述柱塞物形成裝置的可接近容積的至少80％的等分部分體積的第一目標(biāo)范圍內(nèi)。
所述經(jīng)脫水的木質(zhì)纖維素原料物流的水分含量隨時(shí)間的穩(wěn)定性將特別地受進(jìn)入所述壓縮步驟的經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料的流量的影響，所述流量為每單位時(shí)間進(jìn)入所述壓縮步驟的經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料的以干料計(jì)的量。在某些情況下，所述經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料的流量將隨著時(shí)間而變化，因?yàn)殡y以連續(xù)地將恒定體積的木質(zhì)纖維素原料引入到所述壓縮裝置中，尤其是當(dāng)所述工藝以高的流速進(jìn)行時(shí)。在另外的情況下，所述經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料物流的水分含量是不均勻的、或者不恒定的。
由于無(wú)法連續(xù)地控制所述經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料流量的波動(dòng)，因此在一種優(yōu)選實(shí)施方式中將所述經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料的物流連續(xù)地壓縮到至少一種控制壓力以達(dá)到在所述柱塞物形成裝置的入口處所需要的經(jīng)脫水的木質(zhì)纖維素原料物流的水分含量的時(shí)間穩(wěn)定性。由此，所述壓縮裝置將所述經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料的物流的水分含量降低至在第一目標(biāo)范圍內(nèi)的值，即使向其進(jìn)料具有在寬范圍內(nèi)可變的水分含量的經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料的物流也是如此，所述壓縮一直施加至所施加的壓力達(dá)到控制壓力，并且對(duì)應(yīng)于在大于1:1-12:1、優(yōu)選地2:1-8:1、和最優(yōu)選地2.5:1-5:1范圍內(nèi)的壓縮比。即，不被任何解釋所限制，通過(guò)對(duì)通常具有可變流量的原料物流施加固定的壓力，可達(dá)到均勻的水分含量，其對(duì)應(yīng)于所除去液體的可變量?？稍谶M(jìn)行所公開(kāi)的連續(xù)工藝的同時(shí)隨時(shí)間而改變或者調(diào)節(jié)所述控制壓力，以考慮上游工藝條件的變化。由此，在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，獲得使所述脫水的木質(zhì)纖維素原料的水分含量均等的進(jìn)一步特征。所述控制壓力可在100kpa-10,000kpa、優(yōu)選地200kpa和9,000kpa、和最優(yōu)選地500kpa-8,000kpa的范圍內(nèi)。
在一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)壓縮除去第一部分的毛細(xì)管液體包括使用至少一個(gè)活塞，其將引入到活塞腔室中的所述原料的等分部分連續(xù)地壓縮到至少一種控制壓力。所述活塞可將活塞腔室中的原料逐漸地壓縮至超過(guò)一種控制壓力。
在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，通過(guò)壓縮除去第一部分的毛細(xì)管液體包括使用帶式壓濾機(jī)并且至少一個(gè)第一壓縮裝置在將所述經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料的物流在所述帶式壓濾機(jī)的流動(dòng)方向上傳送的同時(shí)將所述經(jīng)排泄的木質(zhì)纖維素原料的物流連續(xù)地壓縮至所述控制壓力。在控制壓力下的壓縮優(yōu)選地是在其中施加所述控制壓力的位置中在垂直于所述流動(dòng)方向的方向上施加的，即使可容許一定的傾斜也是如此。優(yōu)選地，存在許多沿著所述流動(dòng)方向分布的壓縮裝置，各自具有特定的控制壓力。更優(yōu)選地，所述壓縮裝置的控制壓力沿著所述流動(dòng)方向增大以獲得沿著所述帶過(guò)濾器的壓縮區(qū)域分布的液體除去。所述壓縮可由此由所述帶沿著整個(gè)壓縮區(qū)域施加，其中將所述壓縮裝置在所述位置處的壓力保持為各壓縮裝置的恒定壓力。所述壓縮區(qū)域可由此具有時(shí)變性輪廓以使在所述帶過(guò)濾器的出口處的原料的水分含量均等。
所述壓縮裝置可為彈簧，其最終被預(yù)負(fù)載以施加所述控制壓力。優(yōu)選地，所述壓縮裝置為活塞并且所述控制壓力可容易地通過(guò)控制所述活塞的液壓而控制。
所述壓縮裝置位于所述壓縮區(qū)域的固定位置處并且可直接在至少一個(gè)帶上、優(yōu)選地在上部帶上直接、或者通過(guò)機(jī)械手段間接地施加所述控制壓力。所述帶(一個(gè)或多個(gè))將所施加的控制壓力傳遞給所述原料。在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，所述壓縮裝置連接至多個(gè)導(dǎo)輥，其然后連接至所述帶以促進(jìn)所述帶的移動(dòng)。
然后將具有均勻的水分含量的經(jīng)脫水的原料物流引入到連接至所述高壓區(qū)的柱塞物形成裝置中。所述柱塞物形成裝置具有可在大于1:1至8:1、優(yōu)選地1.1:1-5:1、更優(yōu)選地1.5:1-3:1、和最優(yōu)選地1.5:1-2.5:1范圍內(nèi)的壓縮比。柱塞物形成裝置的壓縮比是根據(jù)公知的工程方法定義的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。其可表示為在不存在所述原料的滯后行為的情況下在所述裝置的入口處被原料占據(jù)的體積(容積)對(duì)在所述裝置的出口處被經(jīng)壓縮的原料占據(jù)的體積(容積)的比率。
所述高壓區(qū)的壓力優(yōu)選地在大于600kpa至4,000kpa、更優(yōu)選地1,000kpa-2,600kpa、和最優(yōu)選地1,200kpa-2,000kpa的范圍內(nèi)。
在所述柱塞物形成裝置的出口處的原料柱塞物然后被正在所述柱塞物形成裝置中推進(jìn)的原料強(qiáng)制連續(xù)地進(jìn)入到高壓區(qū)中。在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，所述高壓區(qū)為高壓反應(yīng)器，其中使所述原料經(jīng)歷在苛刻的條件下的水熱處理，以產(chǎn)生經(jīng)預(yù)處理的木質(zhì)纖維素原料。與起始原料相比，所述經(jīng)預(yù)處理的原料對(duì)于生物試劑或化學(xué)試劑例如酶或者無(wú)機(jī)酸具有提高的可接近性。在另一實(shí)施方式中，所述高壓區(qū)連接至可處于大于所述高壓區(qū)的壓力下的高壓反應(yīng)器，并且將所述原料進(jìn)一步地傳送至所述高壓反應(yīng)器。優(yōu)選地將所述原料柱塞物在重力的作用下或者通過(guò)機(jī)械手段碎裂以使暴露于水的表面增加。
所述苛刻的水熱處理在可為170℃-230℃和優(yōu)選地180℃-210℃的水熱溫度下進(jìn)行可為30秒-1小時(shí)、優(yōu)選地30秒-30分鐘和最優(yōu)選地1分鐘-10分鐘的水熱時(shí)間。所述水熱處理在液體或者蒸汽形式的水或者其混合物的存在下進(jìn)行。水可作為經(jīng)加壓的液態(tài)水添加。優(yōu)選地，使用蒸汽，其優(yōu)選為飽和的，但是可為過(guò)熱的。所述水熱處理可為間歇或者連續(xù)的、使用或者不使用攪拌的。優(yōu)選地，所述水熱處理連續(xù)地進(jìn)行，其中將經(jīng)預(yù)處理的木質(zhì)纖維素原料以連續(xù)方式從所述高壓反應(yīng)器的出口除去。
在一種最優(yōu)選的實(shí)施方式，通過(guò)如下而使所述經(jīng)預(yù)處理的木質(zhì)纖維素原料進(jìn)一步經(jīng)歷蒸汽爆炸：將施加至所述原料的壓力在所述高壓反應(yīng)器的出口處快速釋放。蒸汽爆炸是生物質(zhì)領(lǐng)域中的公知技術(shù)并且現(xiàn)在和將來(lái)可獲得的任何系統(tǒng)均被認(rèn)為適合用于該步驟。蒸汽爆炸的苛刻度在文獻(xiàn)中被稱作ro，并且是時(shí)間和溫度的函數(shù)并且表示為ro＝t×exp[(t-100)/14.75]，
其中溫度t以攝氏度表示和時(shí)間t以分鐘表示。該公式也表示為log(ro)，即log(ro)＝ln(t)+[(t-100)/14.75]。log(ro)優(yōu)選地在2.8-5.3、3-5.3、3-5.0和3-4.3的范圍內(nèi)。