欢迎光临小豌豆知识网!
当前位置:首页 > 化学技术 > 石油煤气> 用于生产纤维素基燃料粒料的方法和设备独创技术20041字

用于生产纤维素基燃料粒料的方法和设备

2021-02-14 07:49:51

用于生产纤维素基燃料粒料的方法和设备

  技术领域

  本发明涉及如权利要求1的前序部分所述的燃料粒料的生产。根据另一方面,本发明涉及一种如权利要求10的前序部分所述的用于生产纤维素基燃料粒料的设备。

  背景技术

  纤维素基燃料粒料已经知道了几十年。由于越来越关注能源生产的可持续性,已经提出并尝试在主要用于煤炭的工业燃烧装置中使用纤维素基粒料。十多年来,人们进行了各种尝试来增加这种纤维素基燃料粒料的能量含量,以使其与煤相比更具竞争力,并且因此更适合与煤结合使用或替代用于发电的工业燃烧装置中的煤。

  已经开发出一些替代方法来生产能量增强的纤维素基燃料粒料,也称为黑色粒料,其中将含纤维素的材料(主要是木材和来自木材工业的废物)粉碎,进行热处理并以受控的低湿含量进行粒化。用于这种热处理的一种非常令人感兴趣的方法称为蒸汽爆炸。

  对纤维素材料进行粉碎的方法是受到关注较少的领域,但是对于纤维素基粒料的生产,特别是对于高能量的黑色粒料而言,这一领域很重要。重要的是,粉碎以能量高效的方式、时间高效的方式、以受控的颗粒尺寸而进行,并且优选以减少对保持连续生产能力的大存储量的需要的方式进行。

  在先前的方法中,几乎没有控制颗粒尺寸,特别是用于蒸汽爆破过程或在分包之前对于热处理的其他适当过程的含纤维素材料的颗粒尺寸分布。这是由于多种因素造成的,部分因素是在热处理之前已混合了不同来源和不同物理特性的纤维素材料,各种类型的设备被用于粉碎不同种类的材料,部分原因是很少强调过程的这一部分。

  当颗粒尺寸高度变化时,很难知道为了获得材料所需的性能,热处理应该有多严格。应用于大颗粒的中等条件可能导致木质素材料的软化不足,而应用于小颗粒的更严格的条件可能导致材料的不期望的分解、不期望的高能量消耗以及有毒气体或带有令人不愉快气味的气体的释放。

  WO 2006/006863描述了一种使用蒸汽爆炸技术由例如锯末、木料或类似物的生物材料生产燃料粒料的方法。在该公布文献中没有详细评论或讨论产生锯末或类似物的方式。

  用于生产适合从原木粒化的颗粒的标准方法是两步缩小尺寸,包括:

  -通过盘式或鼓式削片机进行原木削片,获得典型尺寸为20-50mm x 20-50mm x3-15mm的木片,

  -借助于锤式粉碎机或刀环式粉碎机进行木片粉碎,获得的典型颗粒尺寸为5-50mm×0.2-5mm×0.2-5mm。

  木料切碎的方法例如从美国专利号1 942 675、3 061 207、4 317 544和2 299248获知。

  发明内容

  目的

  本发明的目的是提供一种以技术上和经济上高效的方式从原木生产木质燃料粒料、特别是黑色粒料的方法。

  另一个目的是提供一种方法,其能够改善对纤维素原料的颗粒尺寸和颗粒尺寸分布的控制。

  一个特别的目的是提供一种允许直接使用整个原木进行生产的方法和设备。

  另一个目的是提供一种方法和设备,该方法和设备允许使用热处理和随后的木料纤维分离来生产高能黑色粒料。

  一个特别的目的是在生产设备所需的空间方面获得更高的效率。

  另一个目的是提供一种如上所述的环境友好的方法。

  1步小型化的优点是能耗更低、占地面积更小、用于蒸汽爆炸的PSD更均匀、颗粒形状更好、更适合在用于煤炭的典型球磨机中进行研磨。

  上述目的通过代表本发明第一方面的权利要求1所限定的方法来实现。

  根据另一方面,本发明涉及如权利要求10所限定的设备。

  从属权利要求公开了优选实施例。

  本发明是一种用于从整个原木生产木质燃料粒料、更具体地是高能黑粒料的方法,其中整个原木在单一操作中被现场粉碎,具有相对较低的能源成本、低粉尘排放、颗粒尺寸的严格控制以及存储体积和运输成本的减少。

  根据本发明,原木在粒化生产设备的位置处被粉碎,并且以与粒料生产的速率相对应的速率进行粉碎,从而消除了对于用于颗粒状纤维素基材料的大型储藏室的需要。

  粉碎还以确保控制材料的颗粒尺寸分布的方式进行,从而使得对于加入到方法中的颗粒而言,在温度、压力和热处理持续时间方面的条件得以优化。

  粉碎也以将产生的粉尘向环境的释放最小化的方式进行。

  最终,以高度节能和省时的方式进行粉碎。

  根据本发明的方法是其中粉碎工位是粒化设备的集成部分的方法,该粉碎工位允许在需要的时候以期望的均匀颗粒尺寸高效地生产颗粒状纤维素原料,使大体积的存储空间变得多余。

  通过窄的原料颗粒尺寸分布,可以针对所述颗粒尺寸而优化热处理的温度、湿度和停留时间,并且节能,而不会损害最终产品的性能,也不会使原料的某些部分过热,造成材料损失并产生难闻或有毒的气体。热处理通常使用加压蒸汽进行。

  最大的颗粒尺寸被理解为颗粒的最大线性“长度”。可能会发生偏差,但要满足给定的尺寸标准,至少95%数量的颗粒应满足标准。

  本发明的切割鼓设想具有切割齿的整体圆柱形鼓,所述切割齿通常是可更换的齿,所述圆柱形鼓可选地具有除其齿之外的整体的、不可分割的结构。

  另一种构造是切割鼓由多个单独的锯片以堆叠的形式组装而成,每个锯片通常具有侧向凸起和凹槽的中央区域,这些侧向凸起和凹槽布置成与相邻的锯片相配合,使得它们互锁,并且两个相邻锯片之间的相邻齿彼此略有偏移。实际上,这意味着相邻锯片上的齿不会彼此对准。因此,锯片n上的(任何)齿和锯片n+1上最近的齿不会在同一时间碰到原木,并且因此不会充当具有两倍宽度的一个齿。当切割鼓是由单个锯片组装而成时,自然可以单独更换每个单独锯片。

  通常,来自切割工位的颗粒状原材料尽管变化,但是具有10mm的最大线性尺寸,更优选为5mm,并且对于一些实施例更优选为约3mm。为了获得该效果,切齿具有与颗粒材料的最大线性尺寸相对应的最大线性尺寸。

  切割鼓的直径可以在很宽的范围内变化。如果切割工位只有一个鼓,其直径应至少是要装入该工位的最大原木直径的两倍。然而,生产大直径的切割鼓是非常昂贵的,并且布置两个或多或少标准直径的切割鼓比生产一个具有两倍直径的切割鼓更经济。典型的切割鼓的直径在250至500mm的范围内。

  鼓的转速也是关注的因素,或更具体地,鼓的表面速度相对于要粉碎的原木的装料速度。

  切割鼓的转速是在给定的颗粒尺寸方面获得期望结果的重要参数,尤其是鼓的表面速度与被鼓粉碎的原木的线性前进速度之比。如果原木的线性前进运动为1m/s,则原木的每个部分都需要至少切割200次,以实现不超过5mm的长度。当沿着圆周线的齿之间的距离是已知的时,可以计算鼓表面速度。如果线性距离为2.5cm,则表面速度至少应为200x2.5cm=500cm/s。如果鼓直径为50厘米,则周长为157厘米,所需的转速变为60乘以500/157=191rpm。速度的提高自然会提供较小的颗粒。使用较小直径的鼓需要较高的速度以获得相同尺寸的颗粒。当设置其他参数时,本领域技术人员可以容易地计算对于给定颗粒尺寸的所需转速。

  现代锯木厂中最有效的切割技术几乎不用能量而产生锯末。通过专注于锯末和更精确的颗粒,大约90%的颗粒的最大长度小于5毫米,可以看到这些部分以非常小的能量产生。来自锯木厂的关于圆锯的典型数据如下:

  锯片宽度=2.0mm。

  马达=32hp=24kW

  进给速度=100m/min(6km/h)

  切割高度=150毫米

  切割体积=0.002m*0.15m*100m/min*60min/h=1.8m3/h

  能耗=24kW/1.8m3/h=13.2kWh/m3或25-28kWh/吨干木(基于每m3约430千克干木的木料)。

  芬兰锯木厂使用以下公式计算锯切能耗:

  P(W)=50x(体积流量)cm3/s。

  体积流量=进料速度(cm/s)x切割高度(cm)x切割宽度(锯片)(cm)

  这确认了13.9kWh/m3实木或大约25kWh/m3干吨木的能耗,其变成锯末,这是该专利的目标。

  附图说明

  下面以附图所示的实施例的形式进一步详细地描述本发明,其中:

  图1是可以应用本发明的方法的流程图。

  图2是本发明的实施例的核心元件的示意性简化侧视图。

  图3是与图2的实施例不同的本发明的实施例的核心元件的示意性简化侧视图。

  图4是图3所示实施例的示意性简化正视图。

  图5是图2的实施例的示意性简化侧视图,示出了额外元件。

  图6是图1的步骤13的优选实施例的流程图。

  具体实施方式

  图1是从原木生产黑色粒料的方法的简单流程图。将原木从存储部11装入粉碎工位12,在该处以单步操作将原木粉碎成所需大小的颗粒。将颗粒(有时也称为锯末)装入反应器系统13,以在压力下热处理颗粒并随后释放压力。简化了流程图,因为反应器系统通常包括多个步骤,通常是干燥、在压力下加热、(突然)压力释放以及将物料喷出到不同的反应器中,随后进一步干燥,包括物料在不同干燥器和反应器之间的移动。最后,将所获得的纤维材料在粒化机14中粒化。

  尽管所有这些步骤都在整个过程中引起关注,但是本方法的一个重点和关注点是以比先前描述的步骤(即图1的步骤12)效率更高的方式将木料原木粉碎为颗粒物的步骤。木料原木可以在未分割的情况下被装料粉碎或在被切成大段(例如2-5米的部段)之后而被装料粉碎。

  图2以简化的方式示出了具有壳体21的粉碎工位12,其中主工具是切割鼓22,所述切割鼓22沿其宽度和圆周设有多个切割齿。示出了从右侧到左侧以线性方式装填到粉碎工位中的原木23。可以采用不同的机构来装填原木;在图2中,指示在原木下面的传送带24对此做出贡献。沿原木装填路径线性间隔开的多个可旋转的支撑轮或鼓25布置成从上方支撑原木,一旦切割鼓开始切割原木,这尤其重要。支撑轮通常可上下移动以适应不同的原木直径,并且通常还设有弹簧元件以允许补偿沿每个单独的原木的长度的直径变化。

  一般地板水平高度用线26表示,而地板可以显示出具有由虚线27表示的最低水平高度的线槽,沿着该线槽装填原木。槽提供了侧向稳定性。侧向稳定性也可以由特别设计的传送带来提供,该传送带具有用于侧向支撑原木的构件以及用于迫使原木沿鼓的方向向前的构件。

  离开粉碎工位的颗粒材料可以通过竖向滑道27离开,以便进行重力辅助。另外,优选地使用风扇或类似物来辅助运动并确保粉碎工位中的压力与环境压力相比有所降低,以防止灰尘逸出工位,或者至少减少灰尘从其释放。

  图3示出了总体上类似于图2所示的粉碎工位12的粉碎工位12',其中布置了两个切割鼓32a、32b,以便处理大直径的原木,而不必使用极端尺寸的切割鼓。在所有其他方面,工位12'与工位12相似。此外,图3的实施例是以单个步骤或单个单元操作对原木进行粉碎的示例,因为全部发生在原木的简单线性运动过程中。

  图4是粉碎工位的前视图,该粉碎工位总体上类似于工位12',因为它包括两个切割鼓。除了支撑轮或鼓25,图4还示出了横向地在原木的每一侧处的支撑轮45。作为保持和稳定原木的另一种措施,所示的传送带设置有沿传送带均匀分布的爪46,以支撑原木而防止横向运动。

  图4显示了原木稳定装置的“完整套件”。也许不用说,用于原木的输送器系统不必具有所有这些稳定措施,而应包括竖向和水平方向的稳定措施。

  在图4中,前切割鼓32a被示出处于升高的位置,以便使其与切割鼓32b更好地区别。在实践中,如图3中更好地示出的,切割鼓通常将在竖向方向上在很大程度上彼此“重叠”,而不使切割鼓32b切割整个原木。

  图5示出与图2大致相同的图,然而是将原木实际上切成颗粒物的情况。第二根原木紧跟第一根原木的后面移动。

  来自原木的木料颗粒通过滑道27落向下一个处理步骤,在滑道27中布置了具有风扇53和灰尘过滤器52的向上倾斜的管51。风扇53将空气从滑道27和上方的切割工位泵出,使切割工位处于略低于环境压力的压力下,从而减少了来自切割工位的粉尘排放。风扇的功率被调节到这样的水平,使得来自切割的典型颗粒下落经过管道51并进一步沿滑道下落,而最细的颗粒和灰尘将被灰尘过滤器52收集。管51也可以延伸并弯曲到竖向方向,以便使风扇53和过滤器52进一步远离具有经过的颗粒54的滑道27。

  图5还显示了另一个可选特征。滑道27可以分成两个不同的管55和56,并布置有筛子57,以便仅允许细颗粒进入管56,而较粗颗粒进入管55。可以在管56中布置风扇58以确保大多数足够小的颗粒穿过筛57而实际上进入管56。以这种方式或类似的方式,确保了管55中的颗粒(在重量上将是颗粒物的大部分)在期望的颗粒范围内。从管56收集的细颗粒部分可以经过与从管55得到的粗颗粒部分相似或不同的处理。如果用于生产粒料,则通常将使用比用于粗颗粒部分的条件更宽松的条件进行用于细颗粒部分的热处理。应该强调的是,图5仅提供了颗粒划分的简化图示,其可以用任何已知的和可用的颗粒划分技术而进行。期望的尺寸范围在2mm与10mm之间,更优选地在2mm与5mm之间。

  图6是示出图1的步骤13的优选实施例的流程图。

  图6在左上方示出了容器60,用于将颗粒材料干燥至期望的水分含量,例如,重量水分含量在20%至50%或30%至40%之间。接下来,示出了用于对粒状木料进行热处理的反应器61。在反应器61中,在水蒸气和空气的存在下在压力下加热粒状木料。水蒸气和空气之间的混合比可以变化,并且反应器的填充水平同样可以变化。

  反应器中的温度和停留时间可以变化,并且通常在180至250℃和1至15分钟的范围内。较高的温度和较长的处理时间通常是不希望的,因为它们会导致更大的降解、更多的质量损失以及以不希望的量的不可冷凝气体、具有强烈气味的气体等形式存在于下游方法操作中的问题。

  反应器61通常包括用于控制和监测过程的设备和装置,包括用于控制压力的阀、分别用于加热和冷却反应器的装置等。由于详细的反应器操作不是本发明的核心,因此未示出。反应器61中的处理使木料中木质素变软,使其在随后的粒化过程中可用作粘合剂。

  容器62是压力释放容器,反应器61在处理结束时向其中释放反应混合物。反应器61中的至少一部分压力突然释放,从而将反应混合物从反应器排出到压力释放容器62中。

  技术人员将理解,蒸汽和空气以外的气体可以存在于反应器中,只要它们不会对工艺质量产生负面影响即可。例如,反应器中氧气和氮气之间的比例不同于空气中的情况,例如通过富氧空气的添加或过程中消耗的氧气。

  反应处理完成后,将反应混合物通过导管71从反应器61排出到压力释放容器62。这以本领域公知的方式进行。具有一定量的水分的固体颗粒材料通常在后干燥的步骤66之后被移动到压力释放罐62并且经由导管72转移到粒化步骤。

  包含可冷凝成分以及在主要条件下不可冷凝的成分的气体在压力释放容器62的顶部处或顶部附近通过导管73,并直接从那里引导至至少一个热交换器63。

  热交换器63冷却气流并且确保气体的可冷凝成分冷凝,从而减小气流的量。由制冷剂接收的冷凝热以任何合适的方式在当前过程之内或之外被用作能量。通常,该能量用于预热用于干燥单元或用于燃烧的空气。除水之外,来自热交换器63的冷凝物还包含在被排放或再循环以再利用之前应除去的成分。冷凝物通过导管75排出,而气体则通过导管76进入方法的下一步骤。

  关于所述一个或多个热交换器63,其可以是间接热交换器,其中制冷剂与排放气体保持独立,或者可以是直接热交换器,其中冷却水与排放气体混合。直接和间接热交换的组合也是一种选择,其中热交换主要是间接的,但是其中水74以有限的速率被喷射到进入热交换器63的排出气体流中以引起导管73中排出气体的骤冷,从而在随后的间接热交换步骤中更容易冷凝所有可冷凝成分。

  如果选择仅使用直接热交换,则需要在热交换器的下游处理大量的流体。因此,优选的是,热交换至少部分地作为间接热交换进行。

  该方法的下一步骤包括具有柔性容积的容器64,通常为“球囊”,其与其他球囊一样具有柔软的壁,并且其尺寸使得它能够接收由于来自在正常操作条件下运行的间歇反应器的排出而产生的不可冷凝气体的“阵喷(puff)”。

  通过导管77离开容器64的气体可以在最后步骤中进行后处理,例如燃烧器65,用于在释放无毒成分之前燃烧掉可燃气体。

  应当注意,根据图6的详细步骤本身并不是新颖的,但是代表了图1的步骤13的有利方法,因为它们结合了合理的经济性和合理的环保性。

  此外要注意的是,也可以使用连续且较慢的压力降低作为蒸汽爆破技术的替代方案来获得纤维分离步骤。可以使用螺旋输送机从反应器连续且相对缓慢地排出加热的材料来获得这种连续的压力降低。在某些情况下,连续过程可能比蒸汽爆炸更可取。

  图1的最后的粒化步骤14可以任何本领域已知的方式进行,它们的共同点是施加压力和使用木料中加热的木质素作为粘合剂,从而使粒料具有较低的可控水分含量、优异的机械性能和高能量含量。

  本发明的核心是要求较小占地面积的浓缩方法,因为将原料的存储减少为紧凑的原木的存储、对颗粒尺寸的良好控制和较窄的颗粒尺寸分布。

  本发明的优点是较低的能量消耗、较小的占地面积、更均匀的颗粒尺寸分布,而就较短的纤维而言还具有更好的颗粒形状,更适合在用于煤炭、生物质等的典型磨机中进行磨碎。

《用于生产纤维素基燃料粒料的方法和设备.doc》
将本文的Word文档下载到电脑,方便收藏和打印
推荐度:
点击下载文档

文档为doc格式(或pdf格式)