(57)【要約】      （修正有）【課題】バイオマスの水蒸気爆発処理における反応槽と分離装置との間の閉塞を防止する。【解決手段】バイオマス材料および水蒸気を受け取るための加圧反応槽２０、加圧反応槽２０を分離装置３０に連結する排出ライン２４を有し、該排出ライン２４は、バイオマス材料の水蒸気爆発を可能にするための大きさ、および位置にされており、排出ライン２４の出口端に、排出ライン２４のそれぞれの出口端を捕集ライン２８に連結するための捕集膨張マニホールド２６を設け、前記捕集ライン２８が、排出ライン２４から流れるバイオマス材料および水蒸気のための通路を提供し、捕集ライン２８の通路は、１つの排出ライン２４の横断面積より実質的により大きい横断面積を有して分離装置３０に連結され、それによって分離装置３０は捕集ライン２８からバイオマス材料および水蒸気を分離する。【選択図】図１
2014094372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマス材料の水蒸気爆発処理のための装置であって、
バイオマス材料および水蒸気を含有するために構成された加圧反応槽；
加圧反応槽の出口に連結された少なくとも１つの排出ライン；
少なくとも１つの排出ラインの出口端に連結された捕集膨張マニホールド；
捕集膨張マニホールドに連結された入口を有する捕集ライン；
捕集ラインからバイオマス材料および水蒸気を受け取るために捕集ラインの出口端に連結された分離装置；
を含み
前記少なくとも１つの排出ラインは横断面積を有し、該少なくとも１つの排出ラインは加圧反応槽から排出されたバイオマス材料および水蒸気を受け取るために構成され、
前記捕集ラインは、少なくとも１つの排出ラインの出口端から流れるバイオマス材料および水蒸気を受け取るために構成され、
前記捕集ラインは、少なくとも１つの排出ラインの累積する横断面積（cumulative cross-sectional area）より実質的に大きい横断面積を有し、
前記分離装置は気体出口およびバイオマス材料出口を含むことを特徴とするバイオマス材料の水蒸気爆発処理のための装置。
【請求項２】
少なくとも１つの排出ラインの長さが、捕集ラインの長さより実質的に短い請求項１の装置。
【請求項３】
捕集ラインの横断面積が、少なくとも１つの排出ラインのいずれの１つの横断面積の少なくとも２倍から４００倍である請求項１の装置。
【請求項４】
捕集ラインの入口における圧力が、排出ラインの出口端における圧力より実質的に低い請求項１の装置。
【請求項５】
少なくとも１つの排出ラインのそれぞれのためのバルブをさらに含み、
前記それぞれのバルブが反応槽と少なくとも１つの排出ラインの入口との間に位置されている請求項１の装置。
【請求項６】
それぞれのバルブが、完全に開放された操作位置および完全に閉鎖された操作位置を有する請求項５の装置。
【請求項７】
排出ラインの数が少なくとも２つである請求項１の装置。
【請求項８】
排出ラインのそれぞれの内部直径が、排出ラインのそれぞれに渡って実質的に均一である請求項７の装置。
【請求項９】
排出ラインの少なくとも１つの内部直径が、排出ラインのもう１つの横断面積より大きい横断面積を有する請求項７の装置。
【請求項１０】
複数の排出ラインの少なくとも１つの内部直径が、複数の排出ラインにおいて少なくとも１つの他の排出ラインの横断面積より小さい横断面積を有する請求項１の装置。
【請求項１１】
複数の捕集ラインをさらに含み、前記それぞれの捕集ラインが、少なくとも１つの排出ラインからバイオマス材料および水蒸気を受け取るために構成されている請求項１の装置。
【請求項１２】
水蒸気爆発処理のための方法であって、
加圧反応槽でバイオマス材料を蒸気で加圧し、吹き込み、加圧、吹き込みされたバイオマス材料を作る工程；
加圧反応槽からの加圧、吹き込みされたバイオマス材料および水蒸気を、複数の反応槽出口の少なくとも１つを通過させ、複数の排出ラインの少なくとも１つに入れる工程；
排出ラインの少なくとも１つからの加圧、吹き込みされたバイオマス材料を、捕集膨張マニホールドを通過させ、捕集ラインに入れる工程；
加圧、吹き込みされたバイオマス材料が、捕集膨張マニホールドから捕集ラインに入るとき、水蒸気爆発されたバイオマス材料を作るために、加圧、吹き込みされたバイオマス材料上の圧力を急激に減少させる工程；
水蒸気爆発したバイオマス材料を、捕集ラインを通じて分離装置に搬送し、該分離装置内で、水蒸気爆発したバイオマス材料を、捕集ライン中を水蒸気爆発したバイオマス材料と共に流れる気体から分離する工程；
を含むことを特徴とする水蒸気爆発処理のための方法。
【請求項１３】
複数の排出ラインを通る加圧、吹き込みされたバイオマス材料が移動する距離が、捕集ラインの長さより実質的に短い請求項１２の方法。
【請求項１４】
排出ラインの少なくとも１つが、加圧反応槽と排出ラインの少なくとも１つの入口との間に位置するバルブによって、加圧、吹き込みされたバイオマス材料に対して閉鎖され、一方、排出ラインの他の少なくとも１つが開放され、バイオマス材料を受け取っている請求項１２の方法。
【請求項１５】
捕集膨張マニホールドを通るバイオマス材料および水蒸気のある組み合わされた流量を達成するために、複数の排出ラインの少なくとも１つを選択的に開放する工程をさらに含む請求項１２の方法。
【請求項１６】
排出ラインの少なくとも１つ、または複数の排出ラインの少なくとも１つの入口に近接して挿入されたノズルが、複数の排出ラインの少なくとも１つの他の排出ラインの横断面積より実質的に小さい横断面積を有する流路を規定する請求項１２の方法。
【請求項１７】
バイオマス材料の水蒸気爆発処理のための装置であって、
加圧反応槽の出口において加圧反応槽から延びる少なくとも１つの排出ライン；
少なくとも１つの排出ラインの出口端に連結された捕集膨張マニホールド；
捕集膨張マニホールドに連結された入口を有する捕集ライン；
捕集ラインの出口端に連結された分離装置；
を含み、
前記少なくとも１つの排出ラインは横断面積を有し、該少なくとも１つの排出ラインは加圧反応槽から排出されたバイオマス材料及び水蒸気を受け取るために構成され、
前記捕集ラインは、少なくとも１つの排出ラインから流れるバイオマス材料および水蒸気を受け取るために構成され、
前記捕集ラインは、少なくとも１つの排出ラインの横断面積より実質的に大きい横断面積を有し、
前記分離装置は、捕集ラインからのバイオマス材料および水蒸気を受け取るために構成されていることを特徴とするイオマス材料の水蒸気爆発処理のための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
現行の水蒸気爆発システムは、通常、反応槽、配管システムおよび分離装置からなる。反応槽は、水蒸気が吹き込まれたバイオ材料（steam-infused biomaterial）を加圧下で保持する。水蒸気が吹き込まれたバイオマス材料（biomass material）は、反応槽から分離装置に運ばれるとき、配管システム内で急速に減圧される。分離装置は、水蒸気および他の所望の気体を回収する。
【背景技術】
【０００２】
配管システムは、配管システムを通って流れるバイオマス材料によって詰まり、遮断または閉塞を従来起こしやすかった。閉塞したとき、従来の水蒸気爆発システムは、メンテナンスのために一般に操業が停止されていたが、これは生産の損失となる。多くの配管システムは、この問題に貢献する特徴を有している。
【発明の開示】
【０００３】
水蒸気爆発システムにおいて、過度の水蒸気の使用は生産コストを増大させるので、水蒸気消費を最小化するために、これらの配管システムにおけるパイプは小さい直径を有することが望ましく、一般的である。小さいパイプ直径は、この目標を達成するのに役立つが、残念ながら、この小さい直径は遮断の原因にもなる。
【０００４】
配管システムにおけるパイプは、いくつかの制限となる部品、例えばバルブ、曲がり部(bends)、ひじ状部(elbows)、および非常に長い通路(lengthy passages)を典型的に含む。バルブは、バイオマス材料および水蒸気の異なる所望の流量を達成するため、部分的に開放された位置に時にはセットされることもある。これらの部分的に開放されたバルブが、バイオマス材料の沈積物(deposits)を捕捉しやすい傾向にあるパイプ内にバルブエッジ(valve edges)を現出させる。これらのバイオマスの沈積物が蓄積すると、パイプは詰まり、遮断され、または閉塞する。
【０００５】
さらに、反応槽から分離装置への高い圧力降下で稼働するシステムにおいては、流れの速度が音速に近くなるのが一般的であり、その結果として、配管システム内のバルブおよび他の可動部品は消耗し、修理または交換が頻繁に必要となる。
【０００６】
配管システムにおいて、詰まり、遮断、または閉塞の量を減少させるための取り組みは、反応槽と分離装置との間の配管の長さを短くすることに一般に関係してきた。配管の直径も増大されるが、これは水蒸気の使用量の増大を必要とすることがある。配管を短くすることは、バイオマスの沈積物が捕捉される表面積およびエッジ（edges）を減少させる。配管を短くするために、反応槽および分離装置は、互いに物理的に近くなければならない。スペースの制限や他の設備が、反応槽と分離装置とを近くに位置させることを困難にすることもある。
【０００７】
反応槽から分離装置への水蒸気の流れを調節するための手段も確保しつつ、バイオマスの沈積を受けにくく、損耗しやすい構成部材を比較的に少ししか有さない水蒸気爆発システムにおいて使用される配管システムの必要性が長い間認識されていた。
【０００８】
本件実施形態は、加圧反応槽から流れる水蒸気とバイオマス材料との混合物のための配管システムに一般に関し、特に、水蒸気爆発プロセスのための加圧反応槽と分離装置との間の配管システムに関する。この実施形態は、水蒸気およびバイオマス材料が配管システムを流れることを可能にするが、これは配管の長さを変化させ、加圧反応槽の排出ラインに対する捕集膨張マニホールド(collection-expansion manifold)の位置を調節することによって調節される。
【０００９】
配管によって分離装置に連結された加圧反応装置からの水蒸気の流れを制御または制限するための方法およびシステムが発明された。本出願において、「配管」または「パイプ」は、水蒸気爆発システムにおいて使用される任意の導管を意味する。水蒸気爆発システムは、加圧反応槽、例えば少なくとも１つの排出ラインを有する水蒸気爆発加圧反応槽を含み、この排出ラインは、加圧反応槽からのバイオマス材料および水蒸気を、複数の排出ラインが１つの導管に連結している1つの地点に流れるのを可能にする。この導管は「捕集ライン」として知られ、複数の排出ラインが連結する地点は「捕集膨張マニホールド」として知られている。バイオマス材料および水蒸気が、捕集膨張マニホールドを通って流れるとき、急激な圧力解放が起こり、この急激な圧力解放は、バイオマス材料が捕集ラインを通って分離装置に流入するとき、バイオマス材料が水蒸気爆発プロセスを受けることを引き起こす。
【００１０】
それぞれ個々の排出ラインは、他の個々の排出ラインと異なる半径を有することがある。他の実施形態において、２以上の排出ラインが実質的に同じ直径を有することがある。それぞれ個々の排出ラインは、入口端にバルブも有することがある。これらのバルブは、それぞれ個々の排出ラインへのバイオマス材料および水蒸気の流量を制御するために使用されることがある。これらのバルブおよび異なる直径を有する排出ラインを使用することによって、運転者は加圧反応槽からのバイオマス材料および水蒸気の流量を調節する。
【００１１】
排出ラインの長さも、排出ラインを通るバイオマス材料および水蒸気の流量の調節を可能にするために変えることがある。反応槽の出口への捕集膨張マニホールドの近接性は、配管の長さを付加したり、除去したりすることによって調節することができ、それによって通常の稼働条件下で、加圧反応槽から出るバイオマス材料および水蒸気の量を調整する。さらに、所望ならば、排出ラインを通るバイオマス材料および水蒸気の流量を調節するために必要に応じて使用される他の任意の構成部品、例えばノズルインサート、オリフィスプレート、およびバルブを設けてもよい。さらに、排出ラインの入口端のための１つ以上の開口におけるバルブは、流路を規定することがある。この「流路」は、排出ラインの内部直径を意味し、与えられたバルブの直径と変わらない。流路は、他の排出ラインの他の入口端に設置された他のバルブの横断面積より大きいか、または小さい横断面積を有することがある。例えば、バルブの１つまたは２つが、他のバルブによって規定された流路の横断面積の２分の１の横断面積を有する流路を規定することがある。
【００１２】
バイオマス材料の水蒸気爆発処理のための装置が発明され、この装置は、
バイオマス材料および水蒸気を含有するために構成された加圧反応槽；
加圧反応槽の出口に連結された少なくとも１つの排出ライン；
少なくとも１つの排出ラインの出口端に連結された捕集膨張マニホールド；
捕集膨張マニホールドに連結された入口を有する捕集ライン；
捕集ラインからバイオマス材料および水蒸気を受け取るために捕集ラインの出口端に連結された分離装置；
を含み
前記少なくとも１つの排出ラインは横断面積を有し、該少なくとも１つの排出ラインは加圧反応槽から排出されたバイオマス材料および水蒸気を受け取るために構成され、
前記捕集ラインは、少なくとも１つの排出ラインの出口端から流れるバイオマス材料および水蒸気を受け取るために構成され、
前記捕集ラインは、少なくとも１つの排出ラインの累積する横断面積（cumulative cross-sectional area）より実質的に大きい横断面積を有し、
前記分離装置は気体出口およびバイオマス材料出口を含むことを特徴とする。
【００１３】
排出ラインのそれぞれの長さは、捕集ラインの長さより実質的に短く、より一般には、排出ラインのそれぞれの長さは、従来のシステムにおける加圧反応槽出口から分離装置入口までのラインの全長より実質的に短い。従来のシステムにおいて、排出ラインは、加圧反応槽を分離装置に連結している。いくつかの実施形態において、排出ラインのそれぞれの通路の内部直径は、排出ラインの全長に渡って均一である。排出ラインンのそれぞれの通路の内部直径は、大きく変化することもある。しかしながら、いくつかの実施形態において、通路の内部直径は０．１２５〜１２０インチの範囲以内におさまる。さらに、２メートル×３メートルの寸法である加圧反応槽の場合、通路の内部直径は、０．２５〜６．０インチまたは０．１２５〜０．７５インチまたは１．０〜２．５インチの範囲、または上限が４．０インチの範囲である。
【００１４】
捕集膨張マニホールドに関して、捕集膨張マニホールドは、排出ラインに連結された捕集膨張マニホールドの第１サイドと、捕集ラインに連結された反対サイドとを有し、捕集膨張マニホールドを通して開口している平らなプレートであり、捕集膨張マニホールドのそれぞれは排出ラインの１つと位置合わせされている。
【００１５】
捕集ラインに関して、捕集ラインにおける通路の内部直径は、単一の排出ラインの通路の横断面積の少なくとも２倍から４００倍である。捕集ラインの入口における圧力は、排出ラインの出口における圧力より実質的に低く、例えば４分の３未満、さらに２分の１未満である。バルブ、例えば完全開放のバルブが、加圧反応槽と排出ラインのそれぞれの入口との間、または排出ラインに配置されることがある。排出ラインの数は少なくとも２つ若しくは３つ、またはそれより多い排出ラインである。万一、単一の排出ラインが単一の捕集ラインに供給する場合に、複数の分離した捕集ラインを有することも可能である。個々の捕集ライン同士が、合わさって、配管システムの下流で、他の捕集ラインになることもある。
【００１６】
他の実施形態において、バイオマス材料の水蒸気爆発処理のための装置が発明され、この装置は、
加圧反応槽の出口において加圧反応槽から延びる少なくとも１つの排出ライン；
少なくとも１つの排出ラインの出口端に連結された捕集膨張マニホールド；
捕集膨張マニホールドに連結された入口を有する捕集ライン；
捕集ラインの出口端に連結された分離装置；
を含み、
前記少なくとも１つの排出ラインは横断面積を有し、該少なくとも１つの排出ラインは加圧反応槽から排出されたバイオマス材料及び水蒸気を受け取るために構成され、
前記捕集ラインは、少なくとも１つの排出ラインから流れるバイオマス材料および水蒸気を受け取るために構成され、
前記捕集ラインは、少なくとも１つの排出ラインの横断面積より実質的に大きい横断面積を有し、
前記分離装置は、捕集ラインからのバイオマス材料および水蒸気を受け取るために構成されている。
【００１７】
水蒸気爆発処理のための方法が発明され、この方法は、
水蒸気で、バイオマス材料を加圧し、吹き込みする工程；
加圧、吹き込みされたバイオマス材料および水蒸気を、複数の排出ラインを通じて排出ラインのそれぞれから通過させる工程；
加圧、吹き込みされたバイオマス材料を、捕集膨張マニホールドを通じて、捕集ラインに通過させる工程；
吹き込みされたバイオマス材料が、捕集膨張マニホールドから捕集ラインに入るとき、吹き込みされたバイオマス材料上の圧力を急激に減少させる工程；
急激な圧力減少による水蒸気爆発プロセスで、吹き込みされたバイオマスを処理する工程；および
水蒸気爆発したバイオマス材料を、捕集ラインを通じて分離装置に搬送し、該分離装置内で、水蒸気爆発したバイオマス材料を、捕集ライン中を水蒸気爆発したバイオマス材料と共に流れる気体から分離する工程；
を含む。
この分離装置は、サイクロンセパレーター、重力セトラー、衝突セパレーター、または混合物から気体を回収するために使用される他の分離装置である。
【００１８】
排出ラインをバイオマス材料が移動する距離は、バイオマス材料が捕集ラインを移動する距離より実質的に短い。さらに、排出ラインをバイオマス材料および水蒸気が移動する距離は、従来のシステムにおいて、反応槽の出口から分離装置の入口までの配管の全長よりも実質的により短い。例えば、排出ラインは、そのプロジェクトに特定の設備レイアウトに依存して、反応槽の出口から分離装置の入口まで走る配管の全長の１０％〜６０％である。排出ラインの少なくとも１つは、少なくとも１つの他の排出ラインがバイオマス材料および水蒸気に対して開放されている間は、加圧反応槽と少なくとも１つの排出ライン
の入口端との間のバルブによって、バイオマス材料に対して閉鎖されることがある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、加圧反応槽、排出ライン、捕集膨張マニホールド、捕集ラインおよび分離装置の側面を示すプロセスフロー図である。
【００２０】
【図２】図２は、加圧反応槽、排出ライン、捕集膨張マニホールド、捕集ラインおよび分離装置の平面を示すプロセスフロー図である。
【００２１】
【図３】図３は、加圧反応槽、ノズルインサート、バルブ、オリフィスプレートおよび排出ラインへの入口端の部分の実施例の概略図である。
【００２２】
【図４】図４は、捕集膨張マニホールドの端面の概略図である。
【００２３】
【図５】図５は、捕集膨張マニホールドの側面の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１および図２は、加圧水蒸気がバイオマス材料、例えばリグノセルロース材料に吹き込まれる水蒸気爆発プロセスを示す。圧力を急激に開放することによって、水蒸気がバイオマス材料内で膨張し、バイオマス材料の細胞を破裂させ、バイオマス材料を解繊する。バイオマス材料はリグノセルロース材料でよい。リグのセルロース材料は、これに限定されないが、植物材料、例えば木材、木材チップ、製材工場廃材、製紙工場廃材、コーンストーバー、サトウキビバガス、他の農業残余物、エネルギー用の作物、都市の紙廃棄物、セルロースとヘミセルロースとリグニンとからなる他のバイオマス材料を含む。
【００２５】
水蒸気爆発処理のための装置のこの実施例において、加圧反応槽２０は、高圧搬送装置１２を経由して、バイオマス材料１０を受け取るが、高圧搬送装置１２は、バイオマス材料１０を加圧反応槽２０中の高圧環境下に運搬する。バイオマス材料１０は、加圧反応槽２０に連続的に流れる。他の実施例において、バイオマス材料１０は、バッチ、セミバッチまたはセミ連続プロセスで加圧反応槽２０に供給される。
【００２６】
水蒸気１４は、バイオマス材料１０にエネルギーを加えるために加圧反応槽２０に加えられる。エネルギーは、加圧反応槽２０内の温度およびバイオマス材料１０の圧力を高める。加圧反応槽２０内の温度は、１２０℃〜３００℃の範囲、あるいは１５０℃〜２６０℃の範囲、あるいは１６０℃〜２３０℃の範囲である。バイオマス材料１０の温度は、バイオマス材料のタイプおよびバイオマス材料が受ける水蒸気爆発プロセスに依存して、この範囲外となることもある。
【００２７】
加圧反応槽２０は、複数の反応槽出口２１を有することがある。それぞれの反応槽出口は、バルブ２２および少なくとも１つの排出ライン２４と連通している。それぞれの排出ライン２４は、捕集膨張マニホールド２６に連結されている排出ラインの出口端２７を有する。捕集膨張マニホールド２６は、それぞれの排出ラインの出口端２７と単一の大直径捕集ライン２８との間の連結を提供する。
【００２８】
複数の排出ライン２４からの水蒸気およびバイオマス材料の流れは、捕集膨張マニホールド２６を通過し、捕集ライン２８に入り、合流する。加圧反応槽２０を出るバイオマス材料および水蒸気に対する捕集膨張マニホールド２６の位置は、配管の長さを付加したり、除去したりすることによって調節することができ、それによって通常の稼働条件下で、加圧反応槽２０を出る水蒸気の量を調整する。捕集ライン２９の入口における圧力は、バイオマス材料および水蒸気の流れに対して開放されている排出ラインの出口端２７のそれぞれにおける圧力より実質的に低く、例えば、４分の３未満であり、２分の１未満でさえある。バイオマス材料および水蒸気が捕集膨張マニホールド２６を通過し、捕集ライン２８に入るとき、急激な圧力解放が起こる。急激な圧力解放は、バイオマス材料が捕集ライン２８に流入するとき、バイオマス材料が水蒸気爆発プロセスを受けることを引き起こす。
【００２９】
捕集ライン２８の横断面積は、１つ以上の排出ライン２４の横断面積のいずれの１つよりも実質的に大きく、複数の排出ライン２４の横断面積の合計よりも実質的に大きいことさえある。捕集ライン２８の横断面積は、少なくとも２倍、排出ライン２４のいずれの１つの横断面積より大きい。他の実施例において、捕集ライン２８の横断面積は、少なくとも５倍または少なくとも６倍、排出ラインのいずれの１つの横断面積より大きい。横断面積の変化は、パイプの急拡大、１つの段差または一連の段差（a step out or a series of step outs）、円錐状のパイプ部分、偏心パイプレジューサー、同心パイプレジューサー（eccentric and concentric pipe reducers）、パイプインクリーザー（pipe increasers）、またはパイプの直径を徐々に変えるための他の手段によって達成される。
【００３０】
捕集ライン２９の入口は、捕集膨張マニホールド２６にある。いかなる分離装置でも使用され得るが、この実施例においては、サイクロン分離装置３０が捕集ライン２８と連通する。サイクロン分離装置３０は、捕集ライン２８からの水蒸気爆発されたバイオマスおよび水蒸気を分離するために使用され、処理されたバイオマス３２および気体３４を生成する。複数のサイクロン分離装置３０および複数の捕集ライン２８があることもある。
【００３１】
排出ライン２４のそれぞれの長さは比較的短く、例えば０．４メートル〜３０メートルの範囲である。排出ライン２４の長さを制限することは、排出ライン２４のより小さい直径の通路において、「湿潤」表面積（“wetted” surface area）として知られる内部表面積を減少させ、排出ライン２４において、パイプの接続部（pipe fittings）、曲がり部、ひじ状部、および他の、バイオマスの沈積物の潜在的な捕集原因となるものが比較的に存在しないことを可能にする。さらに、少なくとも１つの排出ライン２４の通路の内部直径の横断面積は、加圧反応槽２０に連結された排出ライン２４の別の１つ以上の横断面積と、例えば５０パーセントまたは１００パーセントだけより大きく、異なることがある。
【００３２】
バルブ２２を介して個々に開放され、閉鎖される複数の排出ライン２４は、選択された開放された排出ラインを通るバイオマス材料および水蒸気の流量のある範囲を提供する。例えば、比較的低い流量は、１つのバルブ２２のみを開放し、残りのバルブ２２を閉鎖して、バイオマス材料および水蒸気が排出ライン２４の１つのみを流れることによって達成される。バイオマス材料および水蒸気の流量は、他の排出ライン２４のそれぞれに対するバルブ２２を開放することによって段階的に増加する。バルブ２２を選択的に開放したり閉鎖することによって選択される流量の数は、もし複数の排出ライン２４が通路の内部直径の異なる横断面積を有するならば、排出ライン２４の数より大きくなることがある。例えば、もし１つを除く全ての排出ライン２４が残りの１つの排出ライン２４の通路の内部直径の横断面積の２倍（１００パーセント大きい）のバイオマス材料および蒸気通路の横断面積を有するならば、その残りの１つの排出ライン２４は、バルブ２２が他の複数の排出ライン２４に対して開放されまたは閉鎖されたときに起こる流れに１／２段階の増加を提供するために開放されまたは閉鎖される。
【００３３】
１つ以上の排出ライン２４のそれぞれは、制御部品（control devices）、例えば絞りバルブ(throttling valves)、ノズルインサート、縮小ポートバルブ（reduced port valves）、オリフィスプレート、および他の制限部品（restriction devices）を比較的に有しない。反応槽の出口２１にあり、排出ラインの入口端にあるバルブ２２は、それぞれの排出ライン２４において唯一の制御部品である。加圧反応槽２０からの水蒸気およびバイオマス材料の流れを制御するために、バルブ２２が、完全に開放された操作位置、部分的に開放された操作位置、または完全に閉鎖された操作位置にあり、水蒸気およびバイオマス材料の通路として、１つ以上の排出ライン２４を選択する。排出ライン２４における制限部品を最小限にすることは、排出ライン２４がバイオマス材料および／またはトランプ材料（tramp material）で詰まり、遮断され、または閉塞する傾向を減少させ、損耗した制限部品による稼働不履行のリスクを減少させる。
【００３４】
捕集ライン２８は、バイオマス材料および水蒸気に曝された滑らかな湿潤表面を有する大きな直径の導管である。捕集ラインの大きな内部直径および大きな横断面積によって、捕集ライン２８は、捕集ライン２８の湿潤表面上に沈積するバイオマスによって、より詰まり、遮断され、閉塞されることが少ない。
【００３５】
その大きな直径によって、捕集ライン２８は、バイオマス沈積物により詰まり、遮断され、または閉塞されるという重大なリスクなしに、排出ライン２４より実質的に長い距離に延びている。捕集ライン２８の長さは、排出ライン２４のいずれの１つより実質的に長く、例えば1つ以上の排出ライン２４のそれぞれの長さの２〜２０倍である。
【００３６】
図３は、排出ライン２４の少なくとも１つ、あるいは２つ以上が加圧反応槽２４と連結していることを示す概略図である。排出ライン２４のそれぞれと加圧反応槽２０との間の連結は、図３に示される連結と実質的に同じである。加圧反応槽２０の側壁３６は、開口部である反応槽出口２１を有し、バイオマス材料および水蒸気が加圧反応槽２０を出て、排出ライン２４に入ることを可能にする。間柱出口（studding outlet）４０は、開口部である反応槽出口２１を囲み、側壁３６の外表面に固定される。間柱出口４０は、加圧反応槽２０と排出ライン２４との間の連結を提供するバルブ２２を支持する。任意のノズルインサート４２が、反応槽出口２１によって作られた開口部に取り付けられ、加圧反応槽２０から排出ライン２４への水蒸気およびバイオマス材料のための、滑らかで、低い抵抗の通路を提供する。ノズルインサート４２は、開口部である反応槽出口２１、または間柱出口４０にあることがある。ノズルインサート４２は、交換可能なインサートであり、反応槽出口２１によって作られた開口部のサイズを減少させるために使用され、開口部を排出ライン２４の流路の直径に合わせる。ノズルインサート４２は、もし排出ライン２４が異なる直径を有する排出ライン２４で交換されたならば、除去されて、異なるサイズの通路を有するノズルインサート４２で交換される。この用途のためのノズルインサート４２は、同時係属の米国出願第１３／０２９，８０１号に提示され、記載されたものと同様であり、この出願が参照として本明細書に包含され、かつその写しが添付される。
【００３７】
通常の稼働の間に、もし対応する排出ライン２４が使用されるように選択されたならば、バルブ２２は完全に開放された位置にされることがあり、バルブ２２を通るバイオマス材料および水蒸気の流れを制限しない。もし排出ラインが使用されないように選択されたならば、バルブ２２は、バイオマス材料および水蒸気が排出ライン２４に入ることを完全に遮断する完全に閉鎖された位置にされることがある。
【００３８】
オリフィスプレート４４は、バルブ２２と１つ以上の排出ライン２４との間に位置される。オリフィスプレート４４は環状であり、バイオマス材料および水蒸気が1つ以上の排出ライン２４に流れることを可能にする一般に円環の開口部４６を有する。オリフィスプレート４４における一般に円環の開口部４６は、排出ライン２４に流れるバイオマス材料および水蒸気に対して所望の流量制限を達成するための大きさにされる。種々のオリフィスプレート４４が、バルブ２２と排出ライン２４との間に設置可能である。種々のオリフィスプレート４４の１つが、排出ライン２４への入口で所望の流れの制限を達成するために選択される。オリフィスプレート４４、ノズルインサート４２、バルブ２２、排出ライン２４、捕集膨張マニホールド２６、および捕集ライン２８は、バイオマス材料中の化学物質や水蒸気に耐えるため、環境への配慮をするために選択され、例えば金属、硬質ポリマー材料またはセラミックのような材料で形成される。
【００３９】
図４および図５は、捕集膨張マニホールド２６の端面図（図４）および側面図（図５）の概略図である。捕集膨張マニホールド２６は、捕集ラインの入口でマッチングフランジ４８のための連結フランジとして機能する外側環状リング５２を有する円環金属プレートである。外側円環リング５２およびフランジ４８におけるボルト穴５０のマッチング円環列（Matching circular arrays）は、捕集膨張マニホールド２６を捕集ライン２８に締め付ける連結ボルトのための通路を提供する。他の実施例において、捕集膨張マニホールド２６は、他の手段、例えば溶接によって捕集ライン２８に連結されることがある。図４における円環の点線は、捕集ライン２８の通路の周囲を表す。
【００４０】
排出ラインの出口端２７は、捕集膨張マニホールド２６の一方のサイドに連結され、捕集ライン２８の入口は、捕集膨張マニホールド２６の他方のサイドに連結される。排出ライン２４は、捕集膨張マニホールド２６の表面を貫通して延びるボルト穴５０に位置合わせされる。排出ライン２４の排出ライン出口端２７は、（図５に示されるように）捕集膨張マニホールド２６に溶接されることによって、捕集膨張マニホールド２６に固定されたり、捕集膨張マニホールド２６にボルト付けされるそれぞれの排出ライン２４のフランジによって連結されたり、または他の方法で連結される。バイオマス材料および水蒸気が排出ライン２４を流れ、捕集膨張マニホールド２６を通過し、捕集ライン２８に入るとき、バイオマス材料および水蒸気の流れに対して制限となるものがない。捕集ライン２８に連結する捕集膨張マニホールド２６のサイドは、それぞれの排出ライン２４の出口においてウェアノズルまたはウェアインサート（wear nozzles or inserts）を包含することを可能にする窪みを含むことがある。この構成は、全体の捕集膨張マニホールド２６の交換を必要とすることなく、損耗した捕集膨張マニホールド２６の部品または複数の部品の交換を可能にする。
【００４１】
分離ノズルまたはノズルの組合せのためのオプションが、捕集膨張マニホールド２６やその近傍、または捕集膨張マニホールドの前後で、水または化学物質を注入するために使用されることがある。
【００４２】
捕集膨張マニホールド２６の位置および捕集ライン２８の長さは、比較的短い排出ライン２４を達成し、それによって捕集ラインにおけるバイオマスの沈積物および／またはトランプ材料による詰まり、遮断されまたは閉塞されるというリスクを減少させるためや、工場レイアウトおよび既存設備を収容するために選択される。さらに、捕集膨張マニホールド２６は、排出ライン２４の数の変更に合わせて取り換え可能であるである。他の実施例において、捕集膨張マニホールド２６は、捕集膨張マニホールド２６が最初に取り付けられた後に、付加されることがある予備の排出ライン２４のための連結を有することがある。
【００４３】
本発明は現在最も実用的で好ましい実施形態であると考えられているものとの関係で記述されたが、本発明は開示された実施形態に限られず、逆に添付の特許請求の範囲の主旨及び範囲内に含まれる多岐にわたる修正や等価の配置も網羅するものと理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
【TITLE OF INVENTION】
Piping System from Reactor to Separator and Method to Control Process Flow
【TECHNICAL FIELD】
【０００１】Current steam explosion systems usually consist of a reactor vessel, a piping system, and a separation device. The reactor vessel holds steam-infused biomaterial under pressure. The steam-infused biomass material rapidly depressurizes in the piping system as it is conveyed from the reactor vessel to the separation device. The separation device recaptures steam and other desirable gasses. 
【BACKGROUND ART】
【０００２】The piping systems have traditionally been susceptible to plugging, blocking, or obstruction by the biomass material that flows through them. When obstructed, traditional steam explosion systems are generally shut down for maintenance. This may result in a loss of production. Many piping system features that contribute to this problem.
【DISCLOSURE OF INVENTION】
【０００３】In steam explosion systems, it is desirable and typical for the pipes in these piping systems to have a small diameter to minimize steam consumption because excessive steam use increases production costs. Small pipe diameters may help accomplish this goal but unfortunately, these small diameters also contribute to blockage.
【０００４】The pipes in the piping systems typically contain several restriction devices such as valves, bends, elbows, and lengthy passages. The valves may sometimes be set to partially opened positions to achieve different desired flow rates of biomass material and steam. These partially opened valves may present valve edges within the pipes that are prone to catching deposits of biomass material. As these biomass deposits accumulate, the pipes become plugged, blocked, or obstructed. 
【０００５】Further, flow velocities approaching the speed of sound are typical in systems that operate with a high pressure drop from the reactor to the separation device. As a result, the valves and other movable parts within the piping systems can wear out frequently requiring repair or replacement. 
【０００６】Efforts to reduce the amount of plugging, blocking, or obstruction in a piping system have generally involved shortening the length of piping between the reactor vessel and the separation device.  The diameter of the piping may also be increased, but this may require an increased quantity of steam usage.  Shortening the piping reduces the surface area and edges on which biomass deposits may become caught. To shorten the piping, the reactor vessel and separation device must be physically close to each other. Space limitations and other equipment can impose difficulties in proximally locating a reactor vessel and separation device.
【０００７】There is a long felt need for piping systems used in steam explosion systems that are less susceptible to biomass deposits and that have relatively few components that are prone to wear, while also allowing for a means to adjust the steam flow from the reactor vessel to the separation device.
【０００８】The present embodiment generally relates to piping systems for mixtures of steam and biomass material flowing from a pressurized reactor vessel, and particularly relates to piping systems between a pressurized reactor vessel for a steam explosion process and a separation device.  This embodiment allows for steam and biomass material to flow through the piping system, which may be adjusted by changing the piping lengths and adjusting the location of the collection-expansion manifold relative to the discharge lines of the pressurized reactor vessel.
【０００９】A method and a system have been conceived to control or limit steam flow out of the pressurized reactor vessel where a pressurized reactor vessel is connected by piping to a separation device. For the purposes of this application, “piping” or “pipe” refers to any conduit that may be used in a steam explosion system. The steam explosion system includes a pressurized reactor vessel, such as a steam explosion pressurized reactor vessel that has at least one discharge line that allows the biomass material and steam from the pressurized reactor vessel to flow to a point where the discharge lines connect to a single conduit. This conduit is known as the “collection line” and the point at which the discharge lines connect is known as the “collection-expansion manifold.” As the biomass material and steam flow through the collection-expansion manifold, a rapid pressure release occurs. This rapid pressure release causes the biomass material to undergo a steam explosion process as it flows through the collection line and into the separation device. 
【００１０】Each individual discharge line may have a different diameter from each other individual discharge line. In other embodiments, two or more discharge lines may share substantially the same diameter. Each individual discharge line may also have a valve at an inlet end. These valves may be used to control the flow rate of biomass material and steam into each individual discharge line. By using these valves and discharge lines with different diameters, operators may adjust the flow rate of biomass material and steam from the pressurized reactor vessel. 
【００１１】The length of the discharge lines may also be changed to allow for adjustment of the flow rate of biomass material and steam through the discharge lines.  The proximity of the collection-expansion manifold to reactor vessel outlets can be adjusted by adding or removing piping length, to thereby regulate the amount of biomass material and steam exiting the pressurized reactor vessel under normal operating conditions. Additionally, if desired, there are other optional components such as nozzle inserts, orifice plates, and valves that can be used as needed to adjust the flow rate of biomass material and steam through the discharge lines. Further, the valve in one or more of the openings for the inlet end of the discharge lines may define a flow passage. This “flow passage” refers to the internal diameter of a discharge line, which may be constant with the diameter of a given valve. The flow passage may have a cross-sectional area that is larger or smaller than the cross-sectional area of another valve located in another inlet end of another discharge line. For example, one or two of the valves may define a flow passage having a cross-sectional area that is one half the cross-sectional area of the flow passage defined by the other valves.
【００１２】An apparatus has been conceived for steam explosion treatment of biomass material comprising: a pressurized reactor vessel configured to contain biomass material and steam at least one discharge line coupled to an outlet of the pressurized reactor vessel, wherein the at least one discharge line has a cross-sectional area, and wherein the at least one discharge line is configured to receive the biomass material and the steam discharged from the pressurized reactor vessel, a collection-expansion manifold connected to an outlet end of the at least one discharge line, a collection line having an inlet connected to the collection-expansion manifold, wherein the collection line is configured to receive the biomass material and the steam flowing from the outlet end of the at least one discharge line, and wherein the collection line has a cross-sectional area that is substantially larger than the cumulative cross-sectional area of the at least one discharge line, and a separation device coupled to an outlet end of the collection line to receive the biomass material and the steam from the collection line, and the separation device includes a gas outlet and a biomass material outlet. 
【００１３】The length of each of the discharge lines may be substantially shorter than the length of the collection line. More commonly, the length of each of the discharge lines is substantially shorter than the total length of the line from the pressurized reactor vessel outlet to the separation device inlet in a conventional system. In conventional systems, the discharge line connects the pressurized reactor vessel to the separation device. In some embodiments, the internal passage diameter of each of the discharge lines is uniform through the discharge line. The internal passage diameters of each of the discharge lines may vary widely. However, in some embodiments, the internal passage diameters may fall within a range from 0.125 inches to 120 inches. Moreover, for pressurized reactor vessels that measure two meters by three meters, the internal passage diameters may have a range of 0.25 inches to 6.0 inches, or 0.125 inches to 0.75 inches, or 1.0 inches to 2.5 inches, or a range where the upper limit is 4.0 inches. 
【００１４】With regard to the collection-expansion manifold, the collection-expansion manifold may be a flat plate having a first side of the collection-expansion manifold connected to the discharge lines and an opposite side connected to the collection line with opening throughout the collection-expansion manifold, each of which is aligned with one of the discharge lines. 
【００１５】With regard to the collection line, the internal passage diameter in the collection line may be at least twice to four-hundred times the cross-sectional areas of the passages of a single discharge line.  The pressure in the inlet of the collection line may be substantially less, such as less than three-quarters, even less than one-half, than the pressure in the exit of the discharge line. A valve, such as a fully-open valve, may be placed between the pressurized reactor vessel and the inlet of each of the discharge lines or in the discharge line. The number of discharge lines is at least two or three, or more discharge lines. Should a single discharge line feed a single collection line, it may be possible to have multiple separate collection lines. The individual collection lines could combine into yet another collection line further down the piping system.  
【００１６】In another embodiment, an apparatus has been conceived for steam explosion treatment of biomass material comprising: at least one discharge line extending from the pressurized reactor vessel at reactor vessel outlets, wherein the at least one discharge line has a cross-sectional area, and wherein the at least one discharge line is configured to receive the biomass material and the steam discharged from the pressurized reactor vessel, a collection-expansion manifold connected to an outlet end of  the at least one discharge line, a collection line having an inlet connected to the collection-expansion manifold, wherein the collection line is configured to receive the biomass material and the steam flowing from the at least one discharge line, and wherein the collection line has a cross-sectional area that is substantially larger than the cross-sectional area of the at least one discharge line and a separation device coupled to an outlet end of the collection line, wherein the separation device is configured to receive the biomass material and the steam from the collection line. 
【００１７】A method for steam explosion treatment has been conceived comprising: pressurizing and infusing biomass material with steam, passing the pressurized and infused biomass material and steam through a number of discharge lines, from each of the discharge lines, passing the pressurized and infused biomass material through a collection-expansion manifold and into a collection line, rapidly reducing pressure on the infused biomass material as the infused biomass material enters the collection line from the collection-expansion manifold, treating the infused biomass material with a steam explosion process due to the rapid reduction in pressure, and transporting the steam exploded biomass material through the collection line to a separation device in which the steam exploded biomass material is separated from gases flowing with the steam exploded biomass material in the collection line. This separation device may be a cyclone separator, a gravity settler, an impingement separator, or any other separation device used to recover gas from mixtures.
【００１８】The distance travelled by the biomass material through the discharge lines may be substantially shorter than the distance the biomass material travels through the collection line. Additionally, the distance travelled by the biomass material and steam through the discharge lines is substantially shorter than the total length of the piping from the reactor outlets to the separation device inlet in a conventional system. For example, the discharge lines may be 10% to 60% of the total length of piping running from the reactor outlets to the separation device inlet depending on project-specific equipment layouts. At least one of the discharge lines may be closed to biomass material by a valve between the pressurized reactor vessel and the inlet end of the at least one discharge line while at least one other discharge line is open to biomass material and steam. 
【BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS】
【００１９】FIG. 1 is process flow diagram showing a side view of a pressurized reactor vessel, discharge lines, a collection-expansion manifold, a collection line, and a separation device.
【００２０】FIG. 2 is a process flow diagram showing a top view of the pressurized reactor vessel, discharge lines, a collection-expansion manifold, the collection line and the separation device.
【００２１】FIG. 3 is a schematic diagram of an example embodiment of portion of the pressurized reactor vessel, a nozzle insert, valve, orifice plate, and inlet end to a discharge line.
【００２２】FIG. 4 is a schematic view of an end view of the collection-expansion manifold. 
【００２３】FIG. 5 is a schematic diagram of a side view of the collection-expansion manifold.
【MODE FOR CARRYING OUT INVENTION】
【００２４】Figs. 1 and 2 illustrate a steam explosion process in which pressurized steam is infused into a biomass material, such as lignocellulosic material. By rapidly releasing the pressure, the steam expands within the biomass material and bursts the cells of the biomass material or defibrillates the biomass material. The biomass material may be lignocellulosic material. Lignocellulosic material includes, but is not limited to: plant material such as wood, wood chips, sawmill and paper mill discards, corn stover, sugarcane bagasse, and other agricultural residues, dedicated energy crops, municipal paper waste, and any other biomass material composed of cellulose, hemicellulose, and lignin.
【００２５】In this example embodiment of an apparatus for steam explosion treatment, a pressurized reactor vessel 20 receives the biomass material 10 via a high pressure transfer device 12 which conveys the biomass material 10 into a high pressure environment in the pressurized reactor vessel 20. The biomass material 10 may flow continually to the pressurized reactor vessel 20. In other example embodiments, the biomass material 10 may be fed into the pressurized reactor vessel 20 in a batch, semi-batch, or semi-continuous process. 
【００２６】Steam 14 is added to the pressurized reactor vessel 20 to add energy to the biomass material 10. The energy increases the temperature and pressure of the biomass material 10 in the pressurized reactor vessel 20. The temperature in the pressurized reactor vessel 20 may be in a range of 120oC to 300oC, possibly 150oC to 260oC, possibly 160oC to 230oC. The temperature of the biomass material 10 may also be outside this range, depending on the type of biomass material and the steam explosion process the biomass material is to undergo.
【００２７】The pressurized reactor vessel 20 may have multiple reactor vessel outlets 21. Each reactor vessel outlet may communicate with a valve 22 and at least one discharge line 24. Each discharge line 24 may have a discharge line outlet end 27 connected to a collection-expansion manifold 26. The collection-expansion manifold 26 may provide a connection between each discharge line outlet end 27 and a single large diameter collection line 28.  
【００２８】The flows of steam and biomass material from the discharge lines 24 pass through the collection-expansion manifold 26, and enter and merge at the collection line 28. The position of the collection-expansion manifold 26 to the biomass material and steam exiting the pressurized reactor vessel 20 can be adjusted by adding or removing piping length, to thereby regulate the amount of steam exiting the pressurized reactor vessel 20 under normal operating conditions. The pressure at the inlet of the collection line 29 may be substantially less, such as less than three-quarters, even less than one-half, than the pressure at each of the discharge line outlet ends 27 that are open to the flow of biomass material and steam. A rapid pressure release occurs as the biomass material and steam pass through the collection-expansion manifold 26 and into the collection line 28.  The rapid pressure release causes the biomass material to undergo a steam explosion process as it flows into the collection line 28. 
【００２９】The cross-sectional area of the collection line 28 may be substantially greater than any one of the cross-sectional areas of the one or more discharge lines 24 and may even be substantially greater than the sum of the cross-sectional areas of the discharge lines 24. The cross-sectional area of the collection line 28 may be greater than the cross-sectional area of any one of the discharge lines 24 by at least a factor of two. In other example embodiments, the cross-sectional area of the collection line 28 may be greater than the cross-sectional area of any one of the discharge lines by at least a factor of five or at least a factor of six. The cross-sectional area change can be accomplished by a sudden pipe enlargement, a step out or a series of step outs, conical pipe sections, eccentric and concentric pipe reducers, pipe increasers or other gradual means to change pipe diameter.
【００３０】The inlet of the collection line 29 is at the collection-expansion manifold 26. Although any separation device may be used, in this example embodiment a cyclone separator 30 communicates with the collection line 28. The cyclone separator 30 may be used to separate the steam exploded biomass and steam from collection line 28 to produce the processed biomass 32 and gas 34. There may be multiple cyclone separators 30 and multiple collection lines 28. 
【００３１】The length of each of the discharge lines 24 may be relatively short, such as in a range of 0.4 meter to 30 meters. Limiting the length of the discharge lines 24 reduces the internal surface area, known as the “wetted” surface area, in the smaller diameter passages of the discharge lines 24 and allows the discharge lines 24 to be relatively free of pipe fittings, bends, elbows and other potential sources for collecting biomass deposits. In addition, the cross-sectional area of the internal passage diameter for at least one discharge line 24 may differ, e.g., greater by 50 percent or 100 percent, from a cross-sectional area of another one or more of the discharge lines 24 connected to the pressurized reactor vessel 20.
【００３２】The multiple discharge lines 24, which can be individually opened or closed via the valves 22 provide a range of biomass material and steam flow rates through the open discharge lines that can be selected.  For example, a relatively low flow rate may be achieved by opening just one valve 22 and closing the remaining valves 22 such that biomass material and steam flow through just one of the discharge lines 24.  The flow rate of biomass material and steam may be increased incrementally by opening valves 22 for each of the other discharge lines 24. The number of flow rates that may be selected by selectively opening and closing the valves 22 may be greater than the number of discharge lines 24 if the discharge lines 24 have different internal passage diameter cross-sectional areas. For example, if at least all but one of the discharge lines 24 have a biomass material and steam passage cross-sectional area that is twice (100 percent greater) than the cross-sectional area of the internal passage diameter of the remaining discharge line 24, the remaining discharge line 24 may be opened or closed to provide a half-step increment in the flow that occurs when the valves 22 are opened or closed to the other discharge lines 24. 
【００３３】The one or more discharge lines 24 may each be relatively free of control devices such as throttling valves, nozzle inserts, reduced port valves, orifice plates, and other restriction devices.  The valves 22 at the inlet end the discharge lines at the reactor vessel outlets 21 may be the only control device in each discharge line 24. To control the flow of steam and biomass material from the pressurized reactor vessel 20 the valves 22 are in a fully opened, partially opened, or fully closed operating position to select one or more of the discharge lines 24 as passages for the steam and biomass material. Minimizing the restriction devices in the discharge lines 24 reduces the tendency of the discharge lines 24 to become plugged, blocked, or obstructed with biomass material and/or tramp material and reduces the risk of failure due to worn restriction devices. 
【００３４】The collection line 28 is a large diameter conduit that may have a smooth wetted surface that is exposed to the biomass material and steam. Due to the collection line’s large internal diameter and large cross-sectional area, the collection line 28 may be less prone to being plugged, blocked, or obstructed by biomass depositing on the wetted surface of the collection line 28. 
【００３５】Due to its large diameter, the collection line 28 may extend a substantially longer distance than the discharge lines 24 without a significant risk of becoming plugged, blocked, or obstructed with biomass deposits. The length of the collection line 28 may be substantially longer than any one of the discharge lines 24, such as two to twenty times the length of each of the one or more discharge lines 24. 
【００３６】Fig. 3 is a schematic diagram showing the coupling of at least one, possibly two or more, of the discharge lines 24 to the pressurized reactor vessel 20. The coupling between each of the discharge lines 24 and the pressurized reactor vessel 20 may be substantially the same as the coupling shown in Fig. 3. The sidewall 36 of the pressurized reactor vessel 20 has an opening, reactor vessel outlet 21, to allow biomass material and steam to exit the pressurized reactor vessel 20 and pass into the discharge line 24. A studding outlet 40 surrounds the opening, reactor vessel outlet 21, and is fixed to the outer surface of the sidewall 36. The studding outlet 40 supports the valve 22 that provides the coupling between the pressurized reactor vessel 20 and the discharge line 24. An optional nozzle insert 42 may fit in the opening created by reactor vessel outlet 21 and provide a smooth, low resistance path for the steam and biomass material from the pressurized reactor vessel 20 to the discharge line 24. The nozzle insert 42 may be in the opening, reactor vessel outlet 21, or in the studding outlet 40. The nozzle insert 42 may be a replaceable insert and used to reduce the size of the opening created by reactor vessel outlet 21 to conform the opening to the diameter of the flow passage in the discharge line 24. The nozzle insert 42 may be either removed or replaced with a nozzle insert 42 having a different sized passage if the discharge line 24 is replaced with a discharge line 24 having a different diameter. Nozzle inserts 42 for this use can be similar to those presented and described in co-pending US application 13/029,801, incorporated herein by reference and a copy of which is attached. 
【００３７】During normal operation and if the corresponding discharge line 24 is selected to be active, the valve 22 may have a fully open position, which does not restrict the flow of biomass material and steam through the valve 22. If the discharge line is selected to be inactive, the valve 22 may have a fully closed position that entirely blocks biomass material and steam from entering the discharge line 24.
【００３８】An orifice plate 44 may be positioned between the valve 22 and the one or more discharge lines 24. The orifice plate 44 may be annular and have a generally circular opening 46 which allows biomass material and steam to flow into the one or more discharge lines 24. The generally circular opening 46 in the orifice plate 44 may be sized to achieve a desired flow rate restriction to the biomass material and steam flowing into the discharge line 24. Various orifice plates 44 may be available for placement between the valve 22 and the discharge line 24. One of the orifice plates 44 may be selected to achieve a desired flow restriction at the inlet to the discharge line 24. The orifice plate 44, nozzle insert 42, valve 22, discharge lines 24, collection-expansion manifold 26, and collection line 28 may be formed of a material, such as a metal, hard polymer material, or ceramic selected to withstand the chemicals of the biomass material, steam, and other environmental considerations. 
【００３９】Figs. 4 and 5 are schematic diagrams of an end view (Fig. 4) and a side view (Fig. 5) of the collection-expansion manifold 26. The collection-expansion manifold 26 may be a circular metal plate having an outer annular ring 52 that serves as a coupling flange for a matching flange 48 at the inlet of the collection line 28. Matching circular arrays of bolt holes 50 in the outer annular ring 52 and flange 48 provide passages for connecting bolts that secure the collection-expansion manifold 26 to the collection line 28. In other example embodiments, the collection-expansion manifold 26 may be connected to the collection line 28 by other means, such as welding. The circular dotted line in Fig. 4 represents the perimeter of the passage through the collection line 28. 
【００４０】The discharge line outlet ends 27 may be connected to one side of the collection-expansion manifold 26 and the inlet of the collection line 28 is connected to the other side of the collection-expansion manifold 26. The discharge lines 24 are aligned with bolt holes 50 that extend through the surface of the collection-expansion manifold 26. The discharge line outlet ends 27 of the discharge lines 24 may be fixed to the collection-expansion manifold 26 by being welded to the collection-expansion manifold 26 (as shown in Fig. 5), coupled by a flange on each discharge line 24 that bolts to the collection-expansion manifold 26, or coupled in some other manner. There may be no restriction to the flow of biomass material and steam as they flow through the discharge lines 24, pass through the collection-expansion manifold 26 and into the collection line 28. The side of the collection-expansion manifold 26 that connects to the collection line 28 may include recesses that allow for the inclusion of wear nozzles or inserts at the exit of each discharge line 24. This arrangement would allow replacement of worn collection-expansion manifold 26 part or parts without requiring the replacement of the entire collection-expansion manifold 26.  
【００４１】An option for a separate nozzle or combination of nozzles may be used to inject water or chemicals before, in, near, or after the collection-expansion manifold 26.
【００４２】The position of the collection-expansion manifold 26 and the length of the collection line 28 may be selected to achieve relatively short discharge lines 24 and thereby reduce the risk of plugging, blocking, or obstruction in the lines due to biomass deposits and/or tramp material, and to accommodate the plant layout and existing equipment. Further, the collection-expansion manifold 26 may be replaceable to allow for changes in number of discharge lines 24. In other example embodiments, the collection-expansion manifold 26 may have connections for extra discharge lines 24 that potentially may be added after the collection-expansion manifold 26 is initially installed.
【００４３】While the invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not to be limited to the disclosed embodiment, but on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. 
1.  An apparatus for steam explosion treatment of biomass material comprising:
a pressurized reactor vessel configured to contain biomass material and steam;
at least one discharge line coupled to an outlet of the pressurized reactor vessel, wherein the at least one discharge line has a cross-sectional area and wherein the at least one discharge line is configured to receive the biomass material and the steam discharged from the pressurized reactor vessel;
a collection-expansion manifold connected to an outlet end of the at least one discharge line;
a collection line having an inlet connected to the collection-expansion manifold, wherein the collection line is configured to receive the biomass material and the steam flowing from the outlet end of the at least one discharge line, and wherein the collection line has a cross-sectional area that is substantially larger than the cumulative cross-sectional area of the at least one discharge line; and
a separation device coupled to an outlet end of the collection line to receive the biomass material and the steam from the collection line, and the separation device includes a gas outlet and a biomass material outlet.
2.    The apparatus of Claim 1, wherein a length of the at least one discharge line is substantially shorter than a length of the collection line. 
3.    The apparatus of Claim 1, wherein the cross-sectional area of the collection line is at least twice to four-hundred times the cross-sectional area of any one of the at least one discharge lines. 
4.    The apparatus of Claim 1, wherein a pressure in the inlet of the collection line is substantially less than a pressure in the outlet end of the discharge line. 
5.    The apparatus of Claim 1, further comprising a valve for each of the at least one discharge lines, wherein each valve is positioned between the reactor vessel and an inlet of the at least one discharge line.
6.    The apparatus of Claim 5, wherein each valve has a fully-open and a fully-closed operating position.
7.    The apparatus of Claim 1, wherein the number of discharge lines is at least two.
8.    The apparatus of Claim 7, wherein an internal diameter of each of the discharge lines is substantially uniform throughout each of the discharge lines.
9.    The apparatus of Claim 7, wherein the internal diameter of at least one of the discharge lines has a cross-sectional area that is larger than a cross-sectional area of another one of the discharge lines. 
10. The apparatus of Claim 1, wherein the internal diameter of at least one of the plurality of discharge lines has a cross-sectional area that is smaller than a cross-sectional area of at least one other discharge line in the plurality of discharge lines.
11. The apparatus of Claim 1 further comprising a plurality of collection lines, wherein each collection line is configured to receive the biomass material and the steam from at least one discharge line.
12.   A method for steam explosion treatment comprising:
pressurizing and infusing biomass material with steam in a pressurized reactor vessel to create a pressurized and infused biomass material;
passing the pressurized and infused biomass material and the steam from the pressurized reactor vessel through at least one of a plurality of reactor vessel outlets into at least one of a plurality of discharge lines;
passing the pressurized and infused biomass material from the at least one of the discharge lines through an expansion manifold and into a collection line;
rapidly reducing pressure on the pressurized and infused biomass material as the pressurized and infused biomass material enters the collection line from the collection-expansion manifold to create steam exploded biomass material;
transporting the steam exploded biomass material through the collection line to a separation device, in which the steam exploded biomass material is separated from gases flowing with the steam exploded biomass material in the collection line.
13.   The method of Claim 12, wherein a distance travelled by the pressurized and infused biomass material through the plurality of discharge lines is substantially shorter than a length of the collection line.
14.   The method of Claim 12, wherein at least one of the discharge lines is closed to the pressurized and infused biomass material by a valve positioned between the pressurized reactor vessel and an inlet of the at least one of the discharge lines while at least one other one of the discharge lines is open to and is receiving biomass material.
15.   The method of Claim 12 further comprising selectively opening at least one of the plurality of discharge lines to achieve a certain combined flow rate of the biomass material and the steam through the expansion manifold.
16.   The method of Claim 12, wherein at least one of the discharge lines or a nozzle inserted proximate to an inlet of the at least one of the plurality of discharge line defines a flow passage having a cross-sectional area that is substantially less than the cross-sectional area of at least one other discharge line of the plurality of discharge.
17. An apparatus for steam explosion treatment of biomass material comprising:
At least one discharge line extending from the pressurized reactor vessel at reactor vessel outlets, wherein the at least one discharge line has a cross-sectional area and wherein the at least one discharge line is configured to receive the biomass material and the steam discharged from the pressurized reactor vessel;
a collection-expansion manifold connected to an outlet end of the at least one discharge line;
a collection line having an inlet connected to the collection-expansion manifold, wherein the collection line is configured to receive the biomass material and the steam flowing from the at least one discharge line, and wherein the collection line has a cross-sectional area that is substantially larger than the cross-sectional area of the at least one discharge line; and
a separation device coupled to an outlet end of the collection line, wherein the separation device is configured to receive the biomass material and the steam from the collection line.
1. ABSTRACT
An apparatus, for the steam explosion treatment of biomass, having a pressurized reactor vessel to receive a biomass material and steam, discharge lines connecting the pressurized reactor vessel to the separation device, the lines sized and positioned to allow for the steam explosion of biomass material. At the outlet end of the discharge lines is a collection-expansion manifold to connect the outlet end of each of the discharge lines to a collection line, wherein the collection line provides a passage for biomass material and steam flowing from the discharge lines. The collection line passage has a substantially larger cross-sectional area than the cross-sectional area of a single discharge line.  The collection line is coupled to a separation device such that the separation device receives the biomass material and steam from the collection line.
2. SELECTED DRAWING
Fig. 1
【Fig.1】
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【Fig.2】
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【Fig.3】
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【Fig.4】
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【Fig.5】
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