СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ БИОМАССЫ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ И СПОСОБ СЖИГАНИЯ
METHOD FOR PLANT ORIGIN BIOMASS PROCESSING AND METHOD FOR COMBUSTION

Настоящее изобретение относится к способу переработки биомассы, в котором биомасса имеет растительное происхождение. Настоящее изобретение также относится к способу сжигания, причем данный способ сжигания включает получение переработанной биомассы из биомассы растительного происхождения и сжигание переработанной биомассы.
Производство возобновляемой энергии остается предметом многочисленных исследований в течение последних десятилетий. Возобновляемая энергия может поступать в разнообразных формах, например в форме биомассы, в частности биомассы растительного происхождения. Биомассу растительного происхождения можно сжигать, непосредственно получая энергию в форме тепла, или ее можно перерабатывать в удобные энергоносители, например горючие жидкости, такие как углеводороды или спирты, и горючие газы, такие как метан.
Сбор и переработку биомассы растительного происхождения, однако, затруднены вследствие ее физических характеристик, в частности морфологии, и тем, что биомасса включает компоненты, которые создают препятствия или наносят вред в процессе сжигания или переработки. Нежелательные компоненты биомассы растительного происхождения включают, например, углеводы, хлориды, соли щелочных металлов и щелочноземельных металлов, в частности соли калия, кальция и магния, соли аммония, азот и серу в форме, связанной в пептидах или белках, предшественники золы и воду. Неприятные запахи могут воздействовать на окружающую среду при работе с биомассой, в частности, в процессе высушивания сжигания биомассы.
Были сделаны многочисленные попытки переработки биомассы для превращения ее в форму, подходящую для производства энергии или энергоносители. Эти способы переработки включали ряд стадий, таких как:
- измельчение, нарезка, помол или другая механическая обработка для цели уменьшения размера частиц;
- экструзия, прессование или термическая обработка для цели разложения или раскрытия клеточной структуры биомассы или удаления воды;
- продолжительное нагревание или обжигание с целью плавления или пиролиза для получения горючих материалов, такие как древесный уголь, смола или газ; и
- обработка сильной кислотой или сильным основанием или окислителями для цели переработки лигноцеллюлозных компонентов биомассы и превращения их в разложимую ферментами форму.
Способ переработки скошенной травы известен из отчета ECN-C-1-050 Нидерландского энергетического центра (ECN) под заголовком «Предварительная обработка скошенного материала», авторы J. van Doom, E. R. P. Keijser и H. W. Elbersen (Нидерландский энергетический центр, Westduinweg 3, NL-1755ZG, Петтен, Нидерланды). Известный способ включает следующие стадии:
- обработка скошенной травы путем экструзии или паровая обработка и экструзия,
- вымачивание обработанной скошенной травы в воде, и
- выделение из полученной смеси твердой фазы с получением травяного продукта.
Согласно отчету ECN цель обработки скошенной травы путем экструзии или паровой обработки и экструзии представляет собой разрушение клеточной структуры травы, таким образом, чтобы компоненты, присутствующие в клеточной структуре, становились доступными посредством экстракции в процессе вымачивания.
Известный способ избегает лишь некоторые из трудностей, которые связаны со сбором и переработкой биомассы растительного происхождения. В частности, отмечено, что отделение азота составляет максимально 50% от полного количества, причем иногда оказывается затруднительным отделение какого-либо азота, и что недостаточное отделение азота вызвано, вероятно, тем, что исследованные образцы скошенной травы перерабатывали не в свежем состоянии, а только после выдерживания. Отмечено, что отделение влаги от травяного продукта является недостаточным, вероятно, делая необходимой стадию дополнительного высушивания. Проблема, связанная с известным способом, заключается в том, что стадии экструзии и паровой обработки потребляют много энергии.
Настоящее изобретение предлагает способ переработки биомассы в переработанную биомассу, которая является подходящей для применения в качестве топлива, в котором биомасса имеет растительное происхождение и включает микроорганизмы, встречающиеся в природной биомассе, причем данный способ включает
- приготовление суспензии диспергированием биомассы, включающей встречающиеся в природе микроорганизмы, в жидкости на водной основе,
- выдерживание суспензии в условиях, подходящих для аэробного разложения микроорганизмами, чтобы получить суспензию, включающую переработанную биомассу в виде диспергированной твердой фазы, и
- выделение переработанной биомассы.
Способ согласно настоящему изобретению включает выделение из суспензии твердой фазы, образующей переработанную биомассу. Способ согласно настоящему изобретению может дополнительно включать выделение из суспензии жидкой фазы, образующей экстракт биомассы.
В вариант осуществления способа согласно настоящему изобретению жидкость на водной основе может представлять собой воду. В еще одном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению жидкость на водной основе может включать, по меньшей мере, часть экстракта биомассы, который был получен предварительно способом согласно настоящему изобретению.
Настоящее изобретение также предлагает способ сжигания, причем данный способ сжигания включает следующие стадии:
- приготовление суспензии диспергированием биомассы в жидкости на водной основе, где биомасса имеет растительное происхождение и включает микроорганизмы, встречающиеся в природной биомассе,
- выдерживание суспензии в условиях, подходящих для аэробного разложения микроорганизмами, чтобы получить суспензию, включающую переработанную биомассу в виде диспергированной твердой фазы, и
- сжигание переработанной биомассы.
Было обнаружено, что способ согласно настоящему изобретению является энергетически эффективным и благоприятным для окружающей среды, поскольку он осуществляется в мягких условиях и допускает использование рециркуляционных потоков. Способ согласно настоящему изобретению является эффективным для отделения нежелательных компонентов от биомассы. Например, углеводы, такие как моно- или дисахариды, соли щелочных металлов и щелочноземельных металлов, в частности соли калия, кальция и магния, соли аммония, хлориды, другие соли, серу и азот, а также их сочетания можно отделять в высокой степени. Кроме того, переработанная биомасса имеет такую морфологию, что жидкости, например экстракт биомассы или воду, можно отделять относительно легко от переработанной биомассы, что также повышает эффективность способа, в частности энергетическую эффективность.
Без намерения следовать теории, считается, что воздействие значительного механического усилия и нагревания на биомассу в процессе экструзии и паровой обработки, как описано в литературе предшествующего уровня техники, процитированной выше, производит неблагоприятный эффект на пригодность биомассы к извлечению и обработке. Например, оно может вызывать денатурацию белков, присутствующих в биомассе, в результате чего эти белки становятся практически нерастворимыми в водной фазе, и, таким образом, белки приобретают сильную склонность к тому, чтобы оставаться в твердой фазе. Кроме того, считается, что воздействие значительного механического усилия и нагревания на биомассу может приводить к тому, что частицы биомассы становятся чрезвычайно малыми по размеру для эффективной обработки. Например, в процессе отделения жидкости от биомассы путем прессования скопление частиц в объеме биомассы может ограничивать или прекращать поток жидкости, выходящей из биомассы. Кроме того, мелкие частицы могут закупоривать фильтры и мембраны оборудования, которое можно использовать для извлечения биомассы и жидких продуктов. Настоящее изобретение предлагает усовершенствование в отношении этих проблем.
Специалист в данной области техники понимает, что вместе с разрушением клеточной структуры биомассы, согласно описанию в цитированной выше литературе предшествующего уровня техники, воздействие значительного механического усилия и нагревания на биомассу также вызывает разрушение микроорганизмов, встречающихся в природной биомассе, образуя стерильную биомассу.
Таким образом, несмотря на описанное в литературе предшествующего уровня техники разрушение клеточной структуры биомассы и встречающихся в природе микроорганизмов биомассы, настоящее изобретение неожиданно показывает, что можно получать обладающие преимуществом результаты, используя живые микроорганизмы и ферменты в обработке биомассы, которая включает неповрежденные клеточные структуры. Без намерения следовать теории, считается, что микроорганизмы и/или ферменты, связанные с микроорганизмами, способны разлагать растительные компоненты, такие как мембраны и оболочки клеток, делая компоненты биомассы, присутствующие в клеточной структуре, доступными для извлечения. Это извлечение включает перенос компонентов из биомассы в жидкую фазу суспензии. Микроорганизмы можно также переносить из биомассы в жидкую фазу. Выделенные компоненты можно подвергать или не подвергать дальнейшему разложению.
В способе согласно настоящему изобретению используют биомассу растительного происхождения. Как правило, такая биомасса включает лигноцеллюлозные материалы. Биомасса может включать водную биомассу, такую как водоросли, морские водоросли и ряска. Предпочтительно биомасса может включать наземную биомассу, в частности древесные отходы или сельскохозяйственные отходы. Биомасса может представлять собой части растений, такие как части деревьев, листья и корни. Примеры подходящей наземной биомассы могут представлять собой, в частности, древесные стружки, листья, тростник, солома, растения кукурузы или их части, растения капусты или их части, листья сахарного тростника, растения льна или их части, выжимки (багасса) от сахарного тростника, растения помидоров после сбора урожая, рисовая солома и скошенная трава, а также из смеси. Биомасса для использования в настоящем изобретении может быть высушенной или невысушенной, или биомасса может быть силосованной или несилосованной.
Биомассу для использования в настоящем изобретении можно применять в неизменном виде. Однако для простоты работы и с учетом конкретного используемого технологического оборудования может оказаться желательным уменьшение размера частиц биомассы, например, путем измельчения, помола или нарезки. Наибольшее измерение частиц может составлять предпочтительно от 0,1 см до 5 см, предпочтительнее от 0,5 см до 3 см. Соответственно, биомассу можно смешивать со второй биомассой, причем эта вторая биомасса может также иметь растительное происхождение. Эта вторая биомасса может не включать микроорганизмы, естественно присутствующие в биомассе. Подходящая вторая биомасса может включать, например, отфильтрованные осадки или другие вторичные технологические продукты, получаемые в сельском хозяйстве и/или пищевой промышленности, такие как остатки от процессов производства растительных масел и отходы от пивоварения.
Биомасса может включать микроорганизмы внутри своих частиц или на поверхности частиц. Как правило, микроорганизмы, естественно присутствующие в биомассе, включают микроорганизмы, которые способны перерабатывать сахариды в молочную кислоту, соли молочной кислоты, этанол или другие органические спирты, кислоты или соли, как правило, в мезофильных или психрофильных условиях роста. Примеры таких микроорганизмов могут представлять собой бактерии, дрожжи, плесенные грибки и их сочетания.
Примеры видов могут представлять собой молочнокислые бактерии, такие как лактобациллы (Lactobacillus), лактококки (Lactococcus) и стрептококки (Streptococcus), дрожжи, такие как сахаромицеты (Saccharomyces), и плесенные грибки, такие как аспергиллы (Aspergillus).
Процесс сохранения дисперсии в условиях, подходящих для разложения, можно осуществлять в периодическом режиме или в непрерывном режиме. В периодическом режиме процесс можно осуществлять в резервуарном реакторе, таком как, например, сосуд, открытая ванна или контейнер. В непрерывном режиме процесс можно осуществлять, используя резервуарный реактор или реактор идеального вытеснения в форме, например, трубы или желоба. Можно использовать множество реакторов, установленных последовательно или параллельно. Биомассу можно диспергировать в жидкости на водной основе, например, добавляя жидкость на водной основе в биомассу.
В качестве альтернативы, биомассу можно добавлять в жидкость на водной основе, или биомасса и жидкость на водной основе могут поступать одновременно. Механическое воздействие, такое как медленное перемешивание, может способствовать образованию суспензии. В непрерывном режиме процесс можно осуществлять, направляя непрерывный поток биомассы через один резервуар или через множество резервуаров, содержащих жидкость на водной основе. Соответственно, массовое соотношение жидкости на водной основе и биомассы может находиться в интервале от 1:1 до 50:1, предпочтительнее от 2:1 до 20:1, где в качестве массы биомассы учитывают массу твердого вещества биомассы, и в качестве массы жидкости на водной основе учитывают суммарную массу поступающей жидкости на водной основе и массу влаги, присутствующей в биомассе. Массу твердого вещества биомассы и массу влаги, присутствующей в биомассе, вычисляют на основе влагосодержания биомассы.
В варианте осуществления жидкость на водной основе может представлять собой воду. Вода может представлять собой водопроводную воду, или это может быть дистиллированная вода или деминерализованная вода. Воду можно выбирать в качестве жидкости на водной основе, когда процесс осуществляют в первый раз. С другой стороны, вода может также включать, по меньшей мере, часть воды, полученной в способе согласно настоящему изобретению, который осуществляли ранее, и в таком случае жидкость на водной основе включает воду в качестве рециркуляционного потока. Применение рециркуляционных потоков повышает технологическую эффективность.
В еще одном вариант осуществления жидкость на водной основе включает, по меньшей мере, часть экстракта биомассы, который был получен способом настоящего изобретения, осуществленным предварительно. В данном варианте осуществления жидкость на водной основе включает экстракт биомассы как рециркулирующий поток, который повышает технологическую эффективность, что будет обсуждаться ниже более подробно.
Подходящие условия для разложения микроорганизмами может включать температуру, составляющую, по меньшей мере, 2°C, предпочтительно, по меньшей мере, 5°C, предпочтительнее, по меньшей мере, 10°C. Как правило, температура составляет, максимально 65°C, типичнее, максимально 40°C, в частности, максимально 30°C. Давление не является важным для данного процесса. Соответственно, абсолютное давление может находиться в интервале от 0,08 МПа до 0,2 МПа, предпочтительно оно находится в интервале от 0,09 МПа до 0,15 МПа и предпочтительнее в интервале от 0,095 МПа до 0,12 МПа. В частности, давление может быть атмосферным. Достаточное количество кислорода может естественно присутствовать в биомассе и/или в жидкости на водной основе, применяемой в способе, чтобы содействовать аэробному разложению микроорганизмами и противодействовать анаэробному разложению. Может оказаться предпочтительной аэрация суспензии в мягких условиях. Специалист в данной области техники сможет принять решение об использовании или не использовании аэрации, а также о подходящих способах и условиях аэрации. Например, аэрацию можно осуществлять путем перемешивания, используя механическую мешалку, или путем циркуляции жидкой фазы, или путем продувания потока воздуха или другого газа.
Разложение микроорганизмами включает переработку моно- и/или дисахаридов, переведенных из биомассы в жидкую фазу, в молочную кислоту и/или соли молочной кислоты. Такая переработка может приводить к понижению pH жидкой фазы. Кроме того, в ходе разложения число микроорганизмов некоторых видов может увеличиваться в результате естественного роста, а другие микроорганизмы могут погибать вследствие понижения pH. В результате естественного отбора состав популяции микроорганизмов может изменяться в процессе разложения. Согласно общей практике настоящего изобретения, суммарный размер популяции может увеличиваться. За изменением состава жидкой фазы в процессе разложение можно следить, измеряя pH, показатель преломления и/или электрическую проводимость или сопротивление. Во всем тексте настоящего патентного документа pH определяют как значение pH, измеренное при 20°C. Разложение может завершаться в результате исчерпания разлагаемых компонентов, например, моно- и/или дисахаридов. Разложение моно- и/или дисахаридов может замедляться в результате понижения pH. Хотя разложение может замедляться, перенос компонентов из биомассы в жидкость на водной основе может продолжаться. Если это желательно, скорость разложения можно уменьшать, повышая pH добавлением в суспензию подходящего количества основания, например, водного раствора гидроксида, водного раствора гидроксида натрия или аммиака. Суспензию можно сохранять в условиях, подходящих для разложения микроорганизмами, до тех пор, пока это разложение не завершится, или, предпочтительнее, до тех пор, пока не снизится скорость изменения состава жидкой фазы.
В варианте осуществления настоящего изобретения, в котором жидкость на водной основе представляет собой воду, pH используемой воды может быть практически нейтральным, например, составлять приблизительно от 6 до 8,5. Чаще pH находится в интервале от 6,5 до 8,5 или даже находится в интервале от 7 до 8. Как разъясняется выше, в ходе разложения pH жидкой фазы понижается. Значение pH может понижаться до тех пор, пока оно находится в интервале от 5,5 до 7, и в этой точке разлагаемые компоненты могут истощаться. Согласно практике данного варианта осуществления, суспензию можно сохранять в условиях, подходящих для разложения микроорганизмами, в течение времени, составляющего от 100 часов до 500 часов, предпочтительнее в течение от 150 часов до 300 часов.
В варианте осуществления, в котором жидкость на водной основе включает, по меньшей мере, часть экстракта биомассы, который был получен ранее, значение pH используемой жидкости на водной основе может составлять, как правило, максимально 6,7; оно находится предпочтительно в интервале от 3 до 6, предпочтительнее в интервале от 4 до 6. В ходе разложения pH жидкой фазы может понижаться. Значение pH может понижаться до тех пор, пока оно находится в интервале от 3 до 5, предпочтительнее в интервале от 3,2 до 4,5. Согласно практике данного варианта осуществления, суспензию можно сохранять в условиях, подходящих для разложения микроорганизмами, в течение периода времени, составляющего, по меньшей мере, 0,5 часа; более подходящий период составляет, по меньшей мере, 1 час, в частности, он находится в интервале от 0,5 часа до 150 часов, более конкретно, в интервале от 1 часа до 100 часов. Как правило, время может предпочтительно находиться в интервале от 10 часов до 150 часов; предпочтительнее оно находится в интервале от 20 часов до 100 часов. В непрерывном процессе, включающем направление непрерывного потока биомассы через один резервуар или через множество резервуаров, содержащих жидкость на водной основе, это время может предпочтительно находиться в интервале от 0,5 часа до 20 часов; предпочтительнее оно составляет от 1 часа до 10 часов, например, 2 часа для каждого резервуара.
Применение экстракта биомассы в качестве рециркуляционного потока, в соответствии с последним вариантом осуществления, имеет несколько преимуществ. Применение рециркуляционного потока уменьшает количество жидкости, используемой в ходе множества периодических операций данного способа. В ходе такого множества операций количество микроорганизмов, присутствующих в последующих рециркуляционных потоках, увеличивается в результате естественного роста и в результате введения множества партий биомассы. Следовательно, в ходе последующих операций данного способа можно наблюдать увеличение скорости разложения. Кроме того, в ходе множества операций может происходить увеличение концентрации продуктов разложения, например, молочной кислоты и лактатов, в последующих экстрактах биомассы. Кроме того, в ходе такого множества операций может происходить увеличение концентрации материалов, которые выделились из биомассы, но избежали разложения, таких как, например, сахариды, соли щелочных металлов, соли щелочноземельных металлов, пептиды, белки и аминокислоты. Концентрация выделяющихся компонентов и продуктов разложения может увеличиваться до такой степени, что экстракт биомассы становится экономически привлекательным исходным материалом для дальнейшей переработки. Специалист в данной области техники понимает, что такие же преимущества существуют аналогичным образом при осуществлении данного процесса непрерывном режиме.
При осуществлении данного процесса в периодическом режиме экстракт биомассы, полученный в первой операции процесса, можно использовать от 1 до 6 раз (включительно) в последующих операциях процесса. Предпочтительно экстракт биомассы, полученный в первой операции процесса, можно использовать от 3 до 5 раз (включительно) в последующих операциях процесса. В качестве альтернативы, устойчивое состояние во множестве операций можно достигнуть, удаляя часть рециркулирующего экстракта биомассы и заменяя эту часть водой. Аналогичным образом, устойчивое состояние можно достигнуть и в непрерывном режиме.
Можно использовать любой способ разделения твердых и жидких фаз для извлечение переработанной биомассы и экстракта биомассы из суспензии, например, осаждение, фильтрование или центрифугирование. В типичном процессе для этой цели можно использовать фильтровальную пластину или сито. Для этой цели суспензию можно помещать поверх фильтровальной пластины, расположенной вблизи дна резервуара, который содержит суспензию, причем отверстия фильтровальной пластины должны быть достаточно мелкими, чтобы оказывать существенное сопротивление прохождению твердых веществ суспензии через фильтровальную пластину, в то время как экстракт биомассы способен проходить через фильтр, в частности, под действием силы тяжести или нагнетания, оставляя переработанную биомассу на стороне фильтровальной пластины, к которой прилегает суспензия. В качестве альтернативы, можно использовать сито, в частности, встроенное сито, отверстия которого являются достаточно мелкими, чтобы оказывать существенное сопротивление прохождению твердых веществ суспензии через сито, и отверстия которого являются достаточно мелкими, чтобы оказывать существенное сопротивление прохождению твердых веществ суспензии через фильтровальную пластину, в то время как экстракт биомассы способен проходить через фильтр, в частности, под действием силы тяжести или нагнетания, оставляя переработанную биомассу на стороне сита, к которой прилегает суспензия. В качестве еще одной альтернативы, дно резервуара может иметь одно или несколько сливных отверстий или сливных каналов подходящих размеров, таким образом, чтобы экстракт биомассы был способен проходить через эти сливные отверстия или сливные каналы и выходить из резервуара, в то время как твердые вещества суспензии в существенной степени остаются в резервуаре. Данный способ можно упростить, прилагая давление к суспензии, например, путем нагнетания, используя поршень, или путем сжатия атмосферы над суспензией. Как правило, давление, прилагаемое к суспензии, следует поддерживать на низком уровне, который, например, находится в интервале от 0,0001 МПа до 0,05 МПа, предпочтительнее находится в интервале от 0,0005 МПа до 0,02 МПа, предпочтительно находится в интервале от 0,001 МПа до 0,015 МПа. Предпочтительный способ мягкого приложения давления к суспензии заключается в том, чтобы на поверхности суспензии плавал пакет, содержащий воду, причем данный пакет должен иметь определенный размер и форму, и его следует изготавливать из гибкого материала, например, пластмассы или каучука, таким образом, чтобы пакет имел возможность приспосабливать свою форму к форме резервуара для полного покрытия суспензии. Если это желательно, можно использовать комплект, включающий два, три или четыре пакета. Суммарная высота одного или более пакетов может, как правило, находиться в интервале от 0,1 м до 2 м, типичнее от 0,2 м до 1,5 м, составляя, например, 0,5 м или 1 м. Как правило, резервуар имеет цилиндрическую форму, предпочтительно представляя собой цилиндр с круглым, эллиптическим, прямоугольным или квадратным сечением. Резервуар может быть расположен таким образом, что ось имеющего цилиндрическую форму резервуара проходит в горизонтальном или вертикальном направлении.
Согласно нормальной практике способа извлечения, описанного в предшествующем параграфе, может оказаться, что часть экстракта биомассы склонна оставаться в переработанной биомассе. В таком случае может быть предпочтительным отделение большего количества экстракта биомассы от переработанной биомассы, увеличивая содержание твердых веществ в переработанной биомассе. Было обнаружено, что это можно осуществлять эффективным и сберегающим энергию способом, медленно увеличивая механическое усилие, приложенное к переработанной биомассе. Например, можно загружать переработанную биомассу в пресс и медленно увеличивать давление в прессе. Медленно увеличивая давление, можно сводить к минимуму или предотвращать образование пробки или скопления в объеме переработанной биомассы, поскольку в противном случае данное образование пробки или скопление тормозило или останавливало бы выход экстракта биомассы из переработанной биомассы.
Независимо от того, была ли переработанная биомасса подвергнута обработке, описанной в предшествующем параграфе, или нет, переработанную биомассу можно промывать для дополнительного удаления экстракта биомассы. Промывание можно осуществлять в одной стадии промывания. Может оказаться предпочтительным использование множества стадий промывания, например, вплоть до 5 (включительно) стадий промывания. Любая жидкость, которая не смешивается с экстрактом биомассы, может быть подходящей в качестве промывочной жидкости. Вода представляет собой весьма подходящую промывочную жидкость. Считается предпочтительным использование множества стадий промывания в противоточном режиме. В частности, в противоточном режиме воду используют в качестве промывочной жидкости на последней стадии промывания. В непрерывном процессе, включающем направление непрерывного потока биомассы через множество резервуаров, содержащих жидкость на водной основе, эти резервуары могут находиться в гидравлическом соединении друг с другом, образуя последовательную конфигурацию резервуаров, и поток жидкости на водной основе можно поддерживать противоположно направлению движения потока биомассы. В этом случае вода может поступать в первый резервуар данной последовательной конфигурации, и экстракт биомассы можно выводить из последнего резервуара в данной конфигурации. Подходящее число резервуаров в последовательной конфигурации может составлять от 3 до 6 (включительно).
В связи с каждой стадией промывания выходящий поток можно отделять от переработанной биомассы способом, аналогичным извлечению переработанной биомассы и экстракта биомассы из суспензии, как описано выше, включая способы отделения экстракта биомассы от переработанной биомассы, которые описаны выше. Выходящие потоки после одной или нескольких стадий промывания, в частности, выходящий поток после первой стадии промывания из множества стадий противоточного промывания, можно добавлять в экстракт биомассы. В качестве альтернативы, выходящие потоки можно использовать в качестве жидкости на водной основе или в качестве части жидкости на водной основе.
Промытую переработанную биомассу можно сушить для достижения низкого влагосодержания. Можно надлежащим образом использовать широкое разнообразие сушильных устройств, работающих при высокой температуре или при низкой температуре; работающих в непрерывном режиме или в периодическом режиме; использующих вакуум или действующих при повышенном давлении, таких как паровая сушилка; в которых биомасса присутствует в виде уплотненного слоя или в виде псевдоожиженного слоя. Высушивание можно осуществлять, как правило, при температуре, составляющей, максимально 600°C, типичнее, максимально 400°C. Предпочтительно высушивание можно осуществлять при температуре, составляющей от 25°C до 600°C, типичнее от 30°C до 400°C. Для эффективного использования энергии сушильное оборудование может включать сушильное устройство, нагревательную систему для нагревания переработанной биомассы, поступающей в сушильное устройство, систему холодильника и теплового насоса для рециркуляции энергии, которая высвобождается в холодильнике, к нагревательной системе. Сконденсировавшуюся воду, полученную на стадии высушивания, можно использовать любым путем в данном процессе, например, в качестве промывочной жидкости или ее части, или в качестве жидкости на водной основе или ее части. Было обнаружено, что отходящие газы от стадии высушивания отличаются низким содержанием имеющих неприятный запах компонентов и низким содержанием пыли; таким образом, с ними можно легко обращаться, и они являются относительно благоприятными для окружающей среды. Таким образом, в качестве альтернативы, высушивание можно осуществлять, открыто располагая переработанную биомассу для воздействия на нее погодных условий окружающей среды, в частности, для высушивания под действием солнечного тепла. Считается преимуществом настоящего изобретения, что при желании переработанную биомассу можно оставлять в открытом состоянии в течение продолжительного периода времени, например, в течение нескольких недель или даже месяцев, в рассыпанном или уложенном виде, без появления заметных признаков гниения или выделения тепла. Это представляет собой удобный способ хранения вне помещения в качестве привлекательной альтернативы силосованию.
Содержание твердых веществ в переработанной биомассе, полученной в соответствии с настоящим изобретением, может составлять, по меньшей мере, 25 масс.%, как правило, по меньшей мере, 50 масс.%, типичнее, по меньшей мере, 60 масс.%, предпочтительно, по меньшей мере, 70 масс.%, предпочтительнее, по меньшей мере, 80 масс.%, в частности, по меньшей мере, 90 масс.%. Согласно нормальной практике настоящего изобретения, влагосодержание переработанной биомассы может составлять максимально 99 масс.%, чаще, максимально 95 масс.%. Влагосодержание переработанной биомассы может составлять максимально 75 масс.%, как правило, максимально 50 масс.%, типичнее, максимально 40 масс.%, предпочтительно, максимально 30 масс.%, предпочтительнее, максимально 20 масс.%, в частности, максимально 10 масс.%. Согласно нормальной практике настоящего изобретения, влагосодержание переработанной биомассы может составлять, по меньшей мере, 1 масс.%, чаще, по меньшей мере, 5 масс.%. Во всем тексте настоящего патентного документа влагосодержание определяется как массовое процентное влагосодержание, измеряемое согласно стандарту ISO 11722, и содержание твердого вещества определяется как 100 масс.% минус влагосодержание.
Переработанная биомасса, полученная в соответствии с настоящим изобретением, имеет высокое содержание лигноцеллюлозных материалов. Переработанная биомасса имеет низкое содержание щелочных металлов, щелочноземельных металлов, азота, фосфатов, сульфатов, хлоридов, белков и сахаридов. Как правило, переработанная биомасса может иметь содержание калия, составляющее, максимально 0,1 масс.%, типичнее, максимально 0,05 масс.%, в частности, максимально 0,03 масс.%, по отношению к массе твердого вещества. Согласно нормальной практике настоящего изобретения, содержание калия составляет часто, по меньшей мере, 0,001 масс.%, чаще, по меньшей мере, 0,005 масс.%, по отношению к массе твердого вещества. Как правило, биомасса может иметь содержание хлоридов, составляющее, максимально 0,1 масс.%, типичнее, максимально 0,05 масс.%, в частности, максимально 0,03 масс.%, по отношению к массе твердого вещества. Согласно нормальной практике настоящего изобретения, содержание хлоридов составляет часто, по меньшей мере, 0,001 масс.%, чаще, по меньшей мере, 0,005 масс.%, по отношению к массе твердого вещества.
Переработанная биомасса превосходно подходит в качестве топлива или исходного материала для сжигания или процессов переработки, таких как газификация и пиролиз, потому что она имеет низкую зольность, высокую температуру плавления золы, низкую склонность вызывать коррозию и низкую склонность вызывать выбросы оксидов азота и оксидов серы. Переработанную биомассу можно использовать в чистом виде или вместе с другим горючим или исходным материалом.
Было обнаружено, что переработанная биомасса имеет высокую теплотворную способность. Например, путем использования настоящего изобретения можно получать больше тепла в расчете на массу скошенной травы при сжигании переработанной биомассы, полученной из скошенной травы, по сравнению с количеством тепла, которое можно производить путем сжигания метана, полученного анаэробным разложением (ферментацией) скошенной травы, даже учитывая тепло, которое можно дополнительно получать путем сжигания продуктов разложения, образующихся попутно в процессе ферментации.
Переработанную биомассу можно использовать в качестве топлива, независимо от ее влагосодержания и независимо о того, была ли переработанная биомасса высушена или нет. Другими словами, вода, присутствующая в переработанной биомассе, может испаряться в процессе высушивания или в процессе сжигания; именно такой выбор может сделать оператор. Благоприятный для окружающей среды вариант может представлять собой высушивание вне помещения, в частности, воздушно-солнечное высушивание переработанной биомассы перед ее использованием в качестве топлива, поскольку в этом случае теплота испарения воды обеспечивается за счет солнца, а не за счет тепла, выделяющегося в процессе сжигания.
Кроме того, переработанная биомасса, полученная в соответствии с настоящим изобретением, превосходно подходит для использования в качестве исходного материала в анаэробном разложении для производства газообразного метана. Переработанная биомасса, полученная в соответствии с настоящим изобретением, также превосходно подходит для использования, например, в качестве материала-наполнителя для пластмасс, бетона или битума, или в производстве листового материала для строительных целей.
Экстракт биомассы, полученный в соответствии с настоящим изобретением, может иметь высокое содержание солей, таких как соли щелочных металлов, соли щелочноземельных металлов, лактаты и хлориды, а также молочной кислоты и нейтральных органических соединений, такие как сахариды. Он также имеет относительно высокое содержание микроорганизмов. Экстракт биомассы обладает замечательной устойчивостью, и его можно хранить в течение продолжительных периодов времени, например, в течение недель или месяцев. Если это желательно, экстракт биомассы можно концентрировать путем удаления воды. Воду можно удалять из экстракта биомассы, например, путем испарения или путем применения обратного осмоса. Воду, полученную таким способом, можно рециркулировать, например, для использования в качестве (части) жидкости на водной основе или для использования в качестве промывочной жидкости.
Используя или не используя предварительное удаление воды, которое описано в предшествующем параграфе, экстракт биомассы можно направлять на процесс разделения, такой как мембранное фильтрование. Экстракт биомассы можно разделять, получая, с одной стороны, водный выходящий поток, содержащий соли, такие как соли щелочных металлов, соли щелочноземельных металлов, лактаты и хлориды, а также молочную кислоту, и, с другой стороны, водный концентрат, содержащий нейтральные органические соединения, такие как моно- и дисахариды, а также белки. Экстракт биомассы, полученный в соответствии с настоящим изобретением, демонстрирует благоприятное поведение в технологиях мембранного разделения в отношении низкого загрязнения мембраны и продолжительных сроков процесса фильтрования. Водный выходящий поток или его часть можно преимущественно рециркулировать в качестве части жидкости на водной основе. Если это желательно, воду можно отделять от водного выходящего потока и/или водного концентрата способами, описанными в предшествующем параграфе, и необязательно рециркулировать, например, для использования в качестве (части) жидкость на водной основе или для использования в качестве промывочной жидкости.
Далее настоящее изобретение будет проиллюстрировано посредством следующих рабочих примеров.
Пример 1 (в соответствии с настоящим изобретением)
Изготавливали контейнер, имеющий внутренние измерения 3 м × 2 м × 1,7 м (длина × ширина × высота), плоское прямоугольное горизонтальное бетонное дно и плоские прямоугольные вертикальные бетонные стены, в котором устанавливали твердую деревянную планку на опоре из деревянных блоков, расположенных на дне на равных расстояниях, причем занимала такое положение, что открытый сточный канал (ширина 20 см × глубина 20 см был образован на одной стороне дна в продольном направлении контейнера. В контейнер загружали 540 кг скошенной травы (37 масс.% влагосодержание, составлявшее 200 кг воды) и 940 кг воды (смесь дождевой воды и водопроводной воды), имеющей pH 6,75, удельную электропроводность 0,62 мСм/см, коэффициент преломления 0°Brix и температуру 9°C. Чтобы способствовать получению и выдерживанию суспензии травы в жидкой фазе, осуществляли циркуляцию жидкой фазы при нагнетании со скоростью 5000 кг/ч от дна сливного канала в одном углу контейнера к верхней поверхности смеси травы и воды в противоположном углу контейнера. Через 1 час значение pH жидкой фазы достигало 6,6, показатель преломления составлял 1°Brix, удельная электропроводность составляла 4,6 мСм/см, и температура достигала 9,5°C. (Во всем тексте настоящего патентного документа приведены значения pH, коэффициента преломления и удельной электропроводности, измеренные при 20°C). Продолжали циркуляцию жидкой фазы.
На следующий день эту процедуру повторяли, получая вторую партию суспензии. После циркуляции жидкой фазы в течение 168 часов две партии объединяли, получая следующее: в сумме приблизительно 2960 кг суспензии, содержащей приблизительно 2280 кг жидкой фазы и приблизительно 680 кг твердой фазы, причем жидкая фаза представляла собой слегка пенящуюся прозрачную темно-коричневую жидкость, имеющую свежий кислый запах и следующие характеристики: удельная электропроводность 4,8 мСм/см, pH 6,6, показатель преломления 1°Brix, температура 9°C.
После этого циркуляцию жидкой фазы прекращали, и вместо этого жидкую фазу перекачивали в отдельный контейнер аналогичного размера. Таким образом, приблизительно 45 масс.% жидкой фазы удалось отделить от суспензии, получая приблизительно 1350 кг первой партии экстракта биомассы.
В контейнер поверх суспензии помещали каучуковый пакет с обшивкой из нейлоновых волокон, который имел такие измерения, что данный пакет соответствовал горизонтальным внутренним измерениям контейнера. Затем пакет наполняли водопроводной водой и закрывали. Высота столба воды внутри пакета составляла 50 см. Второй пакет, имеющий аналогичные размеры, помещали поверх первого пакета и наполняли водопроводной водой до тех пор, пока высота столба воды внутри второго пакета не составляла 50 см. Дополнительное количество жидкой фазы получали путем перекачивания из-под сливного канала. Таким образом, получали приблизительно 500 кг второй партии экстракта биомассы.
После этого промывали переработанную биомассу, оставшуюся в контейнере. Для этой цели переработанную биомассу повторно диспергировали в 1000 кг водопроводной воды, и полученную при этом жидкую фазу (1000 кг) удаляли путем перекачивания из-под сливного канала; при этом два наполненных водой пакета оставались на месте. Промывание повторяли два раза. Полученные после промывания жидкости объединяли и хранили для использования в примере 2, описанном ниже.
Образцы, содержащие по 10 кг промытой переработанной биомассы, переносили на гидравлический пресс для сока, загружали в цилиндр пресса и подвергали прессованию. Для каждого прессования давление внутри пресса увеличивали в течение 2 минут от 0,1 МПа до 5 МПа, при этом полученный от прессования сок сливали и собирали. После прессование переработанная биомасса имела влагосодержание 47 масс.%. Масса каждого из полученных блоков переработанной биомассы составляла приблизительно 5 кг.
Блоки переработанной биомассы загружали в открытые контейнеры (длина 1,5 м × ширина 1 м × высота 1 м), причем каждый контейнер содержал деревянную платформу в качестве дна и четыре проволочные сетки на опоре из металлических рам в качестве боковых стенок. Проволочная сетка имела отверстия размерами 10 см × 10 см для пропускания воздуха в процессе высушивания. Открытые контейнеры не имели крышек. Открытые контейнеры, заполненные блоками переработанной биомассы, помещали в сушильную печь, укладывая по три слоя, в каждом из которых находилось 2×3 открытых контейнеров. Сушильная печь работала как конденсирующее сушильное устройство при температуре от 45 до 65°C в течение 96 часов. После высушивание переработанная биомасса имела влагосодержание 10 масс.%.
Первую партию экстракта биомассы перерабатывали, используя мембранную фильтровальную установку, содержащую имеющиеся в продаже спирально скрученные полимерные нанофильтрационные мембраны и защитные свечевые фильтры, расположенные выше по потоку относительно мембран. Мембранная фильтровальная установка работала при давлении 2,5 МПа (25 бар) и скорости 200 кг/ч, производя от 70 до 100 кг/ч фильтрата и от 100 до 130 кг/ч концентрата. В процессе работы концентрат возвращали в контейнер, содержащий экстракт биомассы, а фильтрат собирали в другой аналогичный контейнер. Соответственно, концентрат становился все более концентрированным, главным образом, за счет белков, моно- и дисахаридов, и все более темно-коричневым и мутным. Фильтрат, содержащий хлориды, нитраты и другие соли, а также молочную кислоту, имел вид прозрачной воды.
В процессе нанофильтрации температура концентрата медленно увеличивалась от 10°C до приблизительно 40°C за счет подачи энергии для нагнетательного оборудования мембранной фильтровальной установки. Повышенная температура приводила к увеличению на 200% фильтрационной мощности данного процесса. Мембранное фильтрование оказалось весьма эффективным способом для удаления солей и молочной кислоты из экстракта биомассы и для концентрирования экстракта биомассы. Следует отметить, что процесс нанофильтрации можно осуществлять в течение продолжительного времени, не используя предварительное фильтрование, помимо применения свечевых фильтров, без существенного загрязнения свечевых фильтров и мембран.
Фильтрат концентрировали, удаляя воду посредством обратного осмоса с приложением давления 7 МПа.
Первую партию экстракта биомассы, полученный в процессе нанофильтрации концентрат, а также фильтраты, полученные в начале и в конце процесса нанофильтрации, анализировали (см. приведенную ниже таблицу I, в которой COD означает химическую потребность в кислороде). Результаты, представлены в таблице I, показывают, что коэффициент концентрирования составлял от 15 до 20 для концентрата по отношению к экстракту биомассы, и что хлорид калия присутствовал в фильтрате в высокой концентрации.
Таблица I
Удельная электропроводность (мСм/см)
pH
Плотность d<sub>20</sub> (г/л)
Показатель преломления (°Brix)
Содержание KCl (г/л)
Химическая потребность в кислороде (г/л)
Содержание сухого вещества (масс.%)
Экстракт биомассы
6,52
3,83
1,002
1
-
6,5-7,5
-
Концентрат
104
4,4
1,072
17
-
140-150
19,5
Фильтрат в начале
2,3
3,9
-
0
1,0-1,25
-
-
Фильтрат в конце
11
3,7
-
1
15,0-20,0
-
-
не анализировали
Пример 2 (в соответствии с настоящим изобретением)
Пример 1 повторяли, за исключением того, что в контейнер загружали 1000 кг скошенной травы, и затем осуществляли промывание, использовали вместо воды 2000 кг выходящего потока, полученного в примере 1. После циркуляции жидкой фазы в течение 96 часов значение pH жидкой фазы достигало 6,0. Получали 1800 кг экстракта биомассы и 1200 кг влажной переработанной биомассы. После прессования переработанная биомасса имела влагосодержание 50 масс.%, и после высушивание переработанная биомасса имела влагосодержание 10 масс.%. В результате прессования с использованием гидравлического пресса для отжимания сока получали приблизительно 200 кг жидкости.
Пример 3 (в соответствии с настоящим изобретением)
Пример 2 повторяли, за исключением того, что после загрузки 1000 кг скошенной травы в контейнер загружали 1800 кг экстракта биомассы, полученной в примере 2, и 200 кг фильтрата, полученного в примере 1, вместо промывания выходящим потоком, полученным в примере 1. После циркуляции жидкой фазы в течение 48 часов значение pH жидкой фазы достигало 4,2. Получали 1800 кг экстракта биомассы и 1200 кг влажной переработанной биомассы. После прессования переработанная биомасса имела влагосодержание 50 масс.%, и после высушивания переработанная биомасса имела влагосодержание 10 масс.%.
Пример 4 (в соответствии с настоящим изобретением)
Пример 3 повторяли, за исключением того, что после загрузки 1000 кг скошенной травы в контейнер загружали 1800 кг экстракта биомассы, полученного в примере 3, и 200 кг фильтрата, полученного в примере 2, вместо промывания выходящим потоком, полученным в примере 1. После циркуляции жидкой фазы в течение 48 часов значение pH жидкой фазы достигало 3,8. Получали 1800 кг экстракта биомассы и 1200 кг влажной переработанной биомассы. После прессование переработанная биомасса имела влагосодержание 50 масс.%, и после высушивания переработанная биомасса имела влагосодержание 10 масс.%.