СПОСОБ ПРЕВРАЩЕНИЯ БИОМАССЫ Российский патент 2020 года по МПК C10L5/44 C10L9/08 D21C1/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к превращению биомассы. В частности, настоящее изобретение относится к способу превращения биомассы, такой как свежая биомасса, в композицию модифицированной биомассы, подходящей для применения в качестве топлива.

Настоящее изобретение также относится к модифицированной биомассе и ее применению.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Типичная проблема, связанная со сжиганием биомассы, состоит в том, что свежую биомассу обычно нельзя использовать саму по себе вследствие довольно высокого содержания в ней воды, составляющего примерно 60%. Кроме того, свежая древесная стружка с трудом подается обезвоживанию посредством прессования. Вместо этого бревна или стружку необходимо хранить в течение продолжительного времени для уменьшения содержания воды за счет высушивания на воздухе при температуре окружающей среды. Сушка при высоких температурах увеличит скорость удаления воды, но является экономически нецелесообразной. Кроме того, при хранении биомассы, особенно хвойных деревьев, теряются летучие органические соединения (ЛОС), такие как терпены и изопрены, имеющие очень высокую теплотворную способность.

Во время хранения в течение продолжительных периодов времени значительные количества биомассы (от 10 до 15%) разлагаются, главным образом, за счет действия микробов (Heinek et al., 2013). Микробиологическое разложение приводит к снижению теплотворной способности биомассы, при этом экономические последствия применения разложившейся биомассы по сравнению с применением свежей биомассы являются значите льны ми.

В настоящей области техники обсуждалось получение гранул из биомассы. В US 2015167969 описано применение экстракции горячей водой для получения гранул биомассы и сбраживаемых сахаров, и в US 2015037859 описан способ получения из биомассы гранул лигнина.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая проблема

Задачей настоящего изобретения является устранение по меньшей мере части проблем, относящихся к данной области техники, и обеспечение нового способа превращения биомассы в форму, подходящую для применения в качестве топлива.

Решение проблемы

Настоящее изобретение основано на идее увеличения теплотворной способности биомассы, такой как свежая биомасса, посредством уменьшения содержания в ней воды с помощью прессования.

Неожиданно было обнаружено, что при воздействии на биомассу, такую как древесный материал, например, древесная стружка, сначала экстракции гемицеллюлозы, получают материал модифицированной биомассы, который является мягким и особенно подходит для прессования с целью удаления воды.

Соответственно, путем прессования такой модифицированной биомассы обеспечивается увеличение содержания сухого вещества биомассы, которое не может быть достигнуто путем прессования немодифицированной биомассы, например, свежей биомассы.

Кроме того, при воздействии на биомассу перед прессованием экстракции гемицеллюлоз, в результате чего происходит удаление значительной части гемицеллюлозы, можно дополнительно повысить теплотворную способность твердого вещества биомассы, что в сочетании с пониженным содержанием воды обеспечит модифицированную биомассу, которая хорошо подходит для применения в качестве топлива, в частности, в качестве твердого топлива. Экстракцию гемицеллюлозы предпочтительно проводят в условиях, при которых другие компоненты древесины, такие как лигнин и целлюлоза, останутся по существу нетронутыми.

Поэтому согласно настоящему изобретению биомассу, в частности, свежую биомассу, сначала подвергают экстракции горячей водой для экстрагирования гемицеллюлозы; обработанную таким образом биомассу извлекают; и полученную биомассу подвергают прессованию для удаления воды, пока биомасса все еще теплая, с целью увеличения содержания сухого вещества биомассы до 55% по массе или более.

Используя указанный способ, получают лигно целлюлозную биомассу с содержанием сухого вещества по меньшей мере 90% по массе, при этом такая биомасса содержит менее 50% гемицеллюлозы и по меньшей мере 90% по массе лигнина соответствующей лигноцеллюлозной биомассы, в частности, свежей лигноцеллюлозной биомассы. Такую лигно целлюлозную биомассу можно использовать в качестве сырьевого материала для производства энергии или в качестве топлива.

Более конкретно, способ согласно настоящему изобретению характеризуется главным образом тем, что указано в отличительной части пункта 1.

Продукт согласно настоящему изобретению и его применение характеризуется тем, что указано в отличительных частях пунктов 15 и 16.

Полезные эффекты настоящего изобретения

Как описано выше, после экстракции гемицеллюлозы оставшаяся биомасса может быть высушена с помощью сушки путем прессования или также воздушной сушки с большей легкостью, чем биомасса, содержащая гемицеллюлозы. Это позволяет гораздо легче высушивать свежую экстрагированную биомассу до содержания сухого веществ 90%, чем это возможно в случае свежей древесины.

Содержание гемицеллюлоз в биомассе уменьшается. Сушка биомассы становится более эффективной благодаря тому факту, что гемицеллюлозы являются гидрофильными аморфными полимерами, которые связывают воду, тогда как лигнин является гидрофобным и целлюлоза является кристаллической, при этом оба указанных веществ не обладают такой же способностью удерживать воду, как гемицеллюлоза (Olsson et al., 2004).

Кроме того, во время экстракции гемицеллюлозы из биомассы также удаляют в значительной степени металлы и другие минеральные соли, что уменьшает количество золы и зольных осадков, образующихся при сжигании биомассы.

Кроме того, при удалении гемицеллюлоз теплотворная способность оставшейся сухой биомассы может повыситься, например, от значения выше 18 МДж/кг до более чем 19,5 МДж/кг; это связано с тем, что гемицеллюлозы имеют более низкую теплотворную способность, 13,6 МДж/кг, чем, например, лигнин, 27,0 МДж/кг (Lundgren et al. 2009, Van Heiningen, 2006).

Еще одно преимущество состоит в том, что биомасса является стерильной в отношении микробов вследствие температуры экстракции горячей водой, составляющей, как правило, выше 150°С.

Гемицеллюлозы гораздо легче усваиваются микробами, чем лигнин и целлюлоза. Соответственно, также возможно хранение биомассы, обедненной гемицеллюлозой, без дальнейшего микробиологического разложения.

Экстрагированную биомассу можно использовать для получения пиролизного масла, которое имеет даже более высокую теплотворную способность.

Далее варианты реализации настоящей технологии будут более подробно описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фигуре 1 показано влияние сушки путем прессования и метода экстракции гемицеллюлозы на низшую теплотворную способность биомассы.

На фигуре 2 показана скорость сушки 2 граммов влажной биомассы после экстракции гемицеллюлозы. Применение метода ASE-экстракции (ускоренная экстракция растворителем) приводит к растворению части лигнина, который скорее всего закупоривает часть пористой структуры, что делает сушку более медленной по сравнению с методом BLN.

На фигуре 3 приведено схематическое изображение реактора, применяемого в примере 3.

Фигура 4 представляет собой столбчатую диаграмму, на которой показано влияние удаления из биомассы лигнина во время экстракции гемицеллюлозы на высшую теплотворную способность (HHV) оставшейся биомассы.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному из вариантов реализации настоящий способ получения композиции модифицированной биомассы с высокой теплотворной способностью включает стадии сначала обеспечения свежей биомассы, содержащей целлюлозу, лигнин и гемицеллюлозы; и воздействия на свежую биомассу стадии экстракции горячей водой при предварительно заданной температуре выше 100°С. Экстракцию горячей водой продолжают для удаления из биомассы по меньшей мере 50% по массе гемицеллюлозы и менее 10% по массе лигнина. Экстракцию горячей водой осуществляют в сосуде реактора, таком как сосуд под давлением.

В общем случае «экстракция горячей водой» означает способ экстракции компонентов биомассы путем приведения биомассы в контакт с водой или водным раствором при температурах выше примерно 50°С. В частности, в настоящем контексте экстракцию горячей водой осуществляют с помощью экстракции горячей водой под давлением с применением температур выше 100°С.

Экстрагированную биомассу подвергают дополнительной стадии обезвоживания. Согласно одному из вариантов реализации биомассу извлекают путем удаления ее из реактора и затем подвергают по меньшей мере одной стадии, на которой воду удаляют механически.

Предпочтительный вариант реализации включает воздействие на экстрагированную биомассу сушки путем прессования с целью обеспечения биомассы с содержанием сухого вещества более 50% по массе. В частности, экстрагированную биомассу подвергают сушке путем прессования до обеспечения содержания сухого вещества от 60 до 90% по массе.

Было обнаружено, что после экстракции гемицеллюлозы продукты, представляющие собой биомассу, такие как древесная стружка, становятся мягкими и это позволяет прессовать их до обеспечения предварительно заданного содержания сухого вещества.

В частности, биомассу подвергают сушке путем прессования до обеспечения содержания сухого вещества, которое выше максимального содержания сухого вещества соответствующей не экстрагированной (свежей) лигноцеллюлозной биомассы после сушки путем прессования.

Во время прессования растворенные гемицеллюлозы также удаляют из биомассы, пока указанная биомасса значительно не охладилась.

Согласно одному из вариантов реализации биомасса, которую подвергают сушке путем прессования, имеет температуру поверхности более 30°С, в частности, по меньшей мере 40°С. Прессование предпочтительно осуществляют таким образом, чтобы между экстракцией и прессованием указанная биомасса никогда не охлаждалась до температуры ниже 35°С. В частности, сушку путем прессования проводят с применением биомассы, которая между стадиями экстракции и сушки путем прессования не подвергалась охлаждению или которой не позволили охладиться до температуры поверхности ниже 35°С, в частности, ниже 40°С.

Согласно одному из вариантов реализации экстракцию гемицеллюлозы осуществляют при температурах ниже температуры растворимости лигнина. Растворимость лигнина значительно увеличивается при проведении экстракции горячей водой при температуре выше 160°С.

Один из вариантов реализации включает проведение стадии экстракции горячей водой путем удаления из биомассы по меньшей мере 60% по массе гемицеллюлозы с помощью экстракции горячей водой при максимальной температуре 160°С, предпочтительно при 135-160°С.

После экстракции свободный экстракт удаляют из биомассы либо путем промывания вытеснением, либо с применением любого другого способа. После этого биомассу высушивают с помощью воздушной сушки или сушки путем прессования или их комбинации для достижения требуемого содержания сухого вещества. Целевое содержание сухого вещества составляет от 55 до 90%, при этом в биомассе остается по меньшей мере 95% исходного лигнина.

Сушка путем прессования означает обработку, обычно механическую обработку, при которой материал сжимают для удаления воды или влаги, содержащейся в указанном материале. В частности, полученную биомассу подвергают сушке путем прессования с помощью фильтр-прессов, винтовых прессов, гидравлических прессов и любых других типов прессов (например, поршневых прессов), которые могут создавать давление, достаточное для обезвоживания биомассы.

Согласно одному из вариантов реализации гемицеллюлозы экстрагируют способом, в котором лигнин также растворяют в экстракте гемицеллюлозы. После удаления экстракта из твердой биомассы лигнин отделяют от гемицеллюлозы и смешивают с твердой биомассой.

Согласно одному из вариантов реализации гемицеллюлозы экстрагируют из биомассы при температурах выше 160°С и после того, как по меньшей мере 60% по массе гемицеллюлоз переходит в раствор, растворенный лигнин осаждают обратно в биомассу путем добавления химического реагента, осаждающего лигнин, или снижения температуры экстракта ниже температуры растворимости лигнина или и то и другое. После экстракции биомассу высушивают на воздухе или путем прессования или с помощью комбинации двух указанных способов до обеспечения содержания сухого вещества по меньшей мере 60% по массе.

Другой вариант реализации включает проведение стадии экстракции горячей водой путем удаления из биомассы по меньшей мере 50% по массе, в частности, по меньшей мере 60% по массе гемицеллюлозы с помощью экстракции горячей водой при минимальной температуре выше 160°С, в частности, при температуре до 220°С.

Согласно одному из вариантов реализации экстракция горячей водой включает

удаление из биомассы по меньшей мере 60% по массе гемицеллюлозы с помощью экстракции горячей водой; и

осаждение растворенного лигнина из экстракционного раствора обратно на экстрагированную биомассу; и

сушку полученной биомассы путем прессования до обеспечения содержания сухого вещества по меньшей мере 60% по массе.

Экстракцию горячей водой можно осуществить с применением технологии, известной как «технология BLN», описанная в WO 2014009604 и WO 2016104460 (содержание которых включено в настоящий документ посредством ссылки), или путем осаждения растворенного лигнина обратно на биомассу внутри или за пределами экстракционного реактора.

Лигнин может быть осажден в гемицеллюлозосодержащем водном растворе, полученном при экстракции горячей водой, или из указанного раствора, посредством стадии

a) добавления в раствор химического реагента, осаждающего лигнин; или путем

b) понижения температуры экстракционного раствора ниже температуры растворимости лигнина;

или путем

c) комбинирования стадий а и b.

Экстракцию гемицеллюлозы можно осуществить в среде, обедненной кислородом. Окислительные реакции дополнительно снижают теплотворную способность биомассы перед сжиганием.

Таким образом, согласно одному из вариантов реализации, который можно объединить с любым из описанных выше способов экстракции гемицеллюлозы, гемицеллюлозы удаляют из биомассы в среде, в которой концентрация кислорода ниже 0,1 кг кислорода/кг указанного водного экстракционного раствора, для затруднения протекания окислительных реакций в биомассе во время экстракции горячей водой.

В настоящем контексте исходный материал может содержать любой подходящий лигноцеллюлозный материал.

В частности, лигноцеллюлозный материал, такой как свежая лигноцеллюлозная биомасса, можно выбрать из биомассы, содержащей материалы на основе древесины, такие как род Pinus, Betula, Populus или Picea, и/или из недревесных материалов, таких как бамбук, багасса, конопля, пшеничная или рисовая солома. Согласно одному из вариантов реализации биомасса содержит древесину, в частности, древесину в форме стружки или древесных опилок, предпочтительно измельченной стружки.

Настоящий способ предпочтительно осуществляют с применением свежей биомассы, т.е. биомассы, которая не подвергалась сушке, в частности, не подвергалась сушке для удаления внутренней влаги, или не была иным образом модифицирована для изменения ее химического состава перед настоящей обработкой. Примером такой биомассы является свежесрубленная древесина и только что собранные однолетние и многолетние растения и их комбинации. Однако предложенный способ можно осуществить с применением любой биомассы, содержащей экстрагируемые компоненты, в частности, гемицеллюлозу или лигнин или их комбинации, в сочетании, например, с целлюлозой. Таким образом, биомасса может представлять собой биомассу, которая была высушена для удаления по меньшей мере части воды или влаги, содержащейся в свежей биомассе. Биомасса также может представлять собой повторно используемую или регенерированную биомассу.

С помощью настоящей технологии получают модифицированную биомассу, имеющую, при предварительно заданном содержании сухого вещества, например, при предварительно заданном содержании сухого вещества 90% или более, теплотворную способность, которая на по меньшей мере 10% выше, чем теплотворная способность соответствующей необработанной лигноцеллюлозной биомассы при таком же содержании сухого вещества.

Таким образом, согласно одному из вариантов реализации настоящая экстрагированная и высушенная лигноцеллюлозная биомасса имеет содержание сухого вещества по меньшей мере 90% по массе, при этом указанная биомасса содержит менее 50% гемицеллюлоз и по меньшей мере 90% по массе лигнина соответствующей свежей лигноцеллюлозной биомассы. Биомасса содержит по меньшей мере 90% по массе целлюлозы соответствующей лигноцеллюлозной биомассы. Такой материал можно использовать в качестве сырьевого материала для производства энергии или в качестве топлива.

ПРИМЕРЫ

Пример 1

Гемицеллюлозу экстрагировали из сосновой (pinus sylvestris) стружки, используя два способа: так называемую технологию BLN (WO 2014009604) и более традиционное однократное периодическое экстрагирование с применением устройства для ускоренной экстракции растворителем (Dionex ASE 200), работающее при температуре 170°С в течение 60 минут. Состав исходной биомассы был следующим: вода 46%, целлюлоза 23%, лигнин 16% и гемицеллюлоза 15%.

После экстракций биомассу дренировали от свободной воды и растворенных гемицеллюлоз. Экстракт, полученный способом BLN, содержал 1% лигнина и экстракт, полученный способом ASE, содержал 11% лигнина в исходной биомассе. Оставшаяся биомасса после BLN-экстракции и дренирования экстракта имела следующий состав: вода 75%, целлюлоза 13%, лигнин 9% и гемицеллюлоза 3%. Соответственно, после ASE-экстракции состав был следующим: вода 75%, целлюлоза 14%, лигнин 8% и гемицеллюлоза 3%.

Затем дренированную и теплую (примерно 60°С) биомассу подвергали сушке путем прессования, используя винтовой пресс с четырьмя разными настойками давления, до обеспечения следующих содержаний сухого вещества: 59%, 60%, 66% и 80%, при этом результирующее содержание гемицеллюлозы во влажной стружке составляло 2%, 2%, 1,5% и 1%, соответственно. На фигуре 1 низшую теплотворную способность (LHV) для 100 кг влажной исходной биомассы сравнивают с экстрагированной и высушенной путем прессования биомассой, полученной в результате двух экстракций.

Как и ожидалось, LHV зависит от содержания сухого вещества биомассы. При сушке путем прессования экстрагированной от гемицеллюлозы биомассы можно достичь 80% содержания сухого вещества, что повышает LHV до 172% по сравнению с исходной биомассой. Другим важным обнаружением было то, что LHV при BLN-экстр акции была в среднем на 8% выше по сравнению с ASE-экстракцией. Во время ASE-экстракции внутри экстракционного сосуда присутствует некоторое количество воздуха, что вследствие окислительных процессов частично объясняет различие между указанными методами экстракции.

Полученные результаты ясно продемонстрировали, что применение метода экстракции гемицеллюлозы, работающего в средах, обедненных кислородом, и не приводящего к растворению лигнина из биомассы, является превосходным с точки зрения тепловой энергии.

Пример 2

Для оценки влияния метода удаления гемицеллюлозы на воздушную сушку древесной стружки исходную и не отпрессованную стружку из примера 1, подвергнутую экстракции гемицеллюлозы, высушивали на воздухе с помощью инфракрасного излучения. Перед сушкой всю стружку вымачивали в 40°С воде в течение 15 минут с последующим центрифугированием. Во всех трех случаях результирующее содержание сухого вещества в стружке составляло 33%. На фигуре 2 показана скорость сушки трех образцов.

Полученные результаты показывают, что подвергнутая экстракции гемицеллюлозы стружка высушивалась на воздухе приблизительно на 10%-20% быстрее, чем не экстрагированная стружка. Гемицеллюлозы представляют собой гигроскопические полимеры, которые удерживают воду, после экстракции гемицеллюлозы пористая структура становится более удобной для воздушной сушки. Также было неожиданно, что влияние метода экстракции имело такой большой эффект. Биомассу, экстрагированную методом ASE, экстрагировали при 170°С, тогда как BLN-экстр акцию выполняли при 150°С. Повышенная растворимость лигнина при более высоких температурах во время ASE-экстракции скорее всего приводит в некоторой степени к закупорке пор волокон, что делает воздушную сушку более медленной по сравнению с процедурой BLN-экстракции.

Пример 3

В этом примере было исследовано влияние осаждения лигнина на LHV древесной стружки. Свежую березовую древесную стружку экстрагировали в реакторе непрерывного действия с нисходящим потоком.

Схема реактора показана на фигуре 3. Позиционное обозначение 1 относится к реактору.

Температуру верхней секции 2 реактора 1 поддерживали в диапазоне от 150°С до 170°С при времени пребывания приблизительно 60 минут и постоянной циркуляции экстракта из нижней части 3 в верхнюю часть 4 верхней секции 2 реактора. В нижней секции 5 реактора экстракт охлаждали до 60°С.

Нижняя секция 5 реактора 1 содержала два циркуляционных контура 6, 7 оборудованных теплообменниками 8, 9.

В зависимости от подводимого тепла в верхней секции в экстракте гемицеллюлозы растворяются различные количества лигнина. Лигнин может осаждаться обратно на древесную стружку при понижении температуры экстракта гемицеллюлозы внутри реактора.

Что касается указанной технологии, приведена ссылка на родственную патентную заявку FI 20165264 под названием «Method for producing hemicellulose extract», содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.

Были получены четыре фракции стружки с варьирующим количеством лигнина, удаленным из биомассы во время экстракции гемицеллюлозы: А: 0,1%, В: 4,9%, С: 8,9% и D: 14%. После экстракции гемицеллюлозы теплую древесную стружку подвергали сушке путем прессования до обеспечения 80% сухих твердых веществ. Для всех образцов суммарное удаление гемицеллюлозы составляло приблизительно 90%. Затем стружку высушивали в печи при 105°С и измеряли высшую теплотворную способность HHV стружки.

Результаты измерения HHV приведены на фигуре 4.

Ниже приведены несколько вариантов реализации настоящего изобретения:

1. Способ получения композиции модифицированной биомассы с высокой теплотворной способностью, включающий стадии

- обеспечения свежей биомассы, содержащей целлюлозу, лигнин и гемицеллюлозы;

- воздействия на свежую биомассу стадии экстракции горячей водой при предварительно заданной температуре выше 100°С;

- продолжения экстракции горячей водой для удаления из биомассы по меньшей мере 50% по массе гемицеллюлоз и менее 10% по массе лигнина с получением экстрагированной биомассы;

- извлечения экстрагированной биомассы, и

- воздействия на теплую, экстрагированную биомассу сушки путем прессования для обеспечения биомассы с содержанием сухого вещества более 50% по массе.

2. Способ согласно варианту реализации 1, включающий сушку путем прессования биомассы, температура поверхности которой составляет более 30°С, в частности, по меньшей мере 40°С.

3. Способ согласно варианту реализации 1 или 2, включающий сушку путем прессования биомассы, которая между стадиями экстракции и сушки путем прессования не подвергалась охлаждению до температуры поверхности ниже 35°С, в частности, ниже 40°С.

4. Способ согласно любому из вариантов реализации 1-3, в котором биомассу подвергают сушке путем прессования до обеспечения содержания сухого вещества, которое выше максимального содержания сухого вещества в свежей лигноцеллюлозной биомассе, высушенной путем прессования.

5. Способ согласно любому из предыдущих вариантов реализации, включающий проведение стадии экстракции горячей водой путем удаления из биомассы по меньшей мере 60% по массе гемицеллюлоз с помощью экстракции горячей водой при максимальной температуре 160°С, предпочтительно при 135-160°С, и затем сушку полученной биомассы путем прессования.

6. Способ согласно любому из вариантов реализации 1-4, включающий проведение стадии экстракции горячей водой путем удаления из биомассы по меньшей мере 50% по массе, в частности, по меньшей мере 60% по массе гемицеллюлоз с помощью экстракции горячей водой при минимальной температуре выше 160°С, в частности, при температуре до 220°С.

7. Способ согласно любому из предыдущих вариантов реализации, включающий

- проведение стадии экстракции горячей водой путем

удаления из биомассы по меньшей мере 60% по массе гемицеллюлоз

с помощью экстракции горячей водой; и

осаждения растворенного лигнина из экстракционного раствора обратно на экстрагированную биомассу; и

- сушку полученной биомассы путем прессования до обеспечения содержания сухого вещества по меньшей мере 60% по массе.

8. Способ согласно любому из предыдущих вариантов реализации, включающий удаление из биомассы гемицеллюлоз в среде, обедненной кислородом, с помощью водного экстракционного раствора, в частности, гемицеллюлозы удаляют из биомассы в среде, в которой концентрация кислорода ниже 0,1 кг кислорода/кг указанного водного экстракционного раствора, для затруднения протекания окислительных реакций в биомассе во время экстракции горячей водой.

9. Способ согласно любому из предыдущих вариантов реализации, включающий экстракцию гемицеллюлоз из биомассы с помощью водного раствора, в котором количество кислорода во время экстракции составляет менее 0,01 кг кислорода/кг указанного водного раствора, предпочтительно менее 0,005 кг кислорода/кг указанного водного раствора, в частности, менее 0,0001 кг кислорода/кг указанного водного раствора.

10. Способ согласно любому из предыдущих вариантов реализации, в котором лигнин осаждают в гемицеллюлозосодержащем водном растворе, полученном при экстракции горячей водой, или из указанного раствора, посредством стадии

a) добавления в раствор химического реагента, осаждающего лигнин; или путем

b) понижения температуры экстракционного раствора ниже температуры растворимости лигнина, или путем

c) комбинирования стадий а и Ь.

11. Способ согласно любому из предыдущих вариантов реализации, в котором экстрагированную биомассу подвергают сушке путем прессования до обеспечения содержания сухого вещества от 60 до 90% по массе.

12. Способ согласно любому из предыдущих вариантов реализации, в котором свежая лигноцеллюлозная биомасса содержит древесину, в частности, биомасса образована стружкой или древесными опилками, предпочтительно измельченной стружкой.

13. Способ согласно любому из предыдущих вариантов реализации, включающий извлечение биомассы, имеющей при предварительно заданном содержании сухого вещества теплотворную способность, которая по меньшей мере на 10% выше теплотворной способности соответствующей необработанной лигноцеллюлозной биомассы при таком же содержании сухого вещества.

14. Лигноцеллюлозная биомасса с содержанием сухого вещества, составляющим по меньшей мере 90% по массе, при этом указанная биомасса содержит менее 50% гемицеллюлоз и по меньшей мере 90% по массе лигнина соответствующей свежей лигноцеллюлозной биомассы, и применение такой лигноцеллюлозной биомассы

- в качестве сырьевого материала для производства энергии или

- в качестве топлива.

Промышленная применимость:

Настоящее изобретение можно использовать для модификации биомассы, применяемой в качестве топлива в котлах и печах, в которых обычно используют биомассу, например, в установках для централизованного теплоснабжения. Экономические последствия от возможности прессования для применения свежей древесины вместо древесины, подвергавшейся хранению, при сжигании биомассы, являются огромными. Другое большое преимущество, вытекающее из предложенного способа, состоит в том, что биомассу можно высушивать путем прессования с обеспечением значительно более высокого содержания сухого вещества по сравнению со свежей древесиной. В теории удаление гемицеллюлоз, составляющих 25% сухого вещества биомассы, не приводит к уменьшению низшей теплотворной способности оставшейся биомассы. Другими словами, оставшиеся 75% сухих твердых веществ имеют такое же или более высокое содержание тепловой энергии, что и исходные 100% сухих твердых веществ, в основном вследствие более низкого содержания воды. Это позволяет установкам по сжиганию биомассы вырабатывать такое же количество энергии из значительно меньшего количества влажной биомассы, что уменьшит стоимость топливных хранилищ. Кроме того, более низкое содержание золы делает сжигание биомассы менее подверженным золоотложению и тем самым простою во время указанного процесса. Биомассу можно использовать для получения пиролизного масла, имеющего высокую теплотворную способность.

Перечень ссылочных позиций

1 Реактор

2 Верхняя секция реактора

3 Нижняя часть верхней секции

4 Верхняя часть верхней секции

5 Нижняя секция реактора

6, 7, 8 Циркуляционный контур

9, 10 Теплообменник

11-14 Клапан

М Расходомер

Перечень библиографических ссылок

Патентная литература

WO 2014009604

WO 2009122018

US 2015167969

US 2015037859

Непатентная литература

Lundgren, Joakim; Helmerius, Jonas, integration of a hemicellulose extraction process into a biomass based heat and power plant», Proceedings of ECOS 2009: 22nd International Conference on Efficiency, Cost, Optimization Simulation and Environmental Impact of Energy Systems. ABCM, Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2009

«Pressurized hot water extraction of Norway spruce hemicelluloses using a flow-through system», Wood Sci Technol (2011) 45: 223-236

Van Heiningen, A., «Converting a kraft pulp mill into an integrated forest biorefinery.» Pulp and Paper Canada, 2006, p. 141-146.

Heinek S. et al.: «Biomass conditioning degradation of biomass during the storage of woodchips», 21th European Biomass Conference, Copenhagen, 2013, p.

Olsson A-M. and «The association of water to cellulose and hemicellulose in paper examined by FTIR spectroscopy)). Carbohydrate Research 339(4): 813-8, April 2004.

Предложен способ получения композиции модифицированной биомассы с высокой теплотворной способностью, включающий стадии: обеспечения биомассы, содержащей целлюлозу, лигнин и гемицеллюлозы; воздействия на биомассу стадии экстракции горячей водой при заданной температуре выше 100 °C; продолжения экстракции горячей водой для удаления из биомассы по меньшей мере 50 % по массе гемицеллюлоз и менее 10 % по массе лигнина с получением экстрагированной биомассы; извлечения экстрагированной биомассы и воздействия на теплую экстрагированную биомассу сушки путем прессования с получением биомассы с содержанием сухого вещества более 50 % по массе, где биомасса содержит древесину. Технический результат - обеспечение нового способа превращения биомассы в форму, подходящей для применения в качестве топлива, а также обеспечение увеличения теплотворной способности биомассы, такой как свежая биомасса, посредством уменьшения содержания в ней воды с помощью прессования. 13 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 пр.

1. Способ получения композиции модифицированной биомассы с высокой теплотворной способностью, включающий стадии

- обеспечения биомассы, содержащей целлюлозу, лигнин и гемицеллюлозы;

- воздействия на биомассу стадии экстракции горячей водой при заданной температуре выше 100 °C;

- продолжения экстракции горячей водой для удаления из биомассы по меньшей мере 50 % по массе гемицеллюлоз и менее 10 % по массе лигнина с получением экстрагированной биомассы;

- извлечения экстрагированной биомассы; и

- воздействия на теплую экстрагированную биомассу сушки путем прессования с получением биомассы с содержанием сухого вещества более 50 % по массе,

- где биомасса содержит древесину.

2. Способ по п. 1, включающий сушку путем прессования биомассы, температура поверхности которой составляет более 30 °C, в частности по меньшей мере 40 °C.

3. Способ по п. 1 или 2, включающий сушку путем прессования биомассы, которая между стадиями экстракции и сушки путем прессования не подвергалась охлаждению до температуры поверхности ниже 35 °C, в частности ниже 40 °C.

4. Способ по любому из пп. 1-3, включающий проведение стадии экстракции горячей водой путем удаления из биомассы по меньшей мере 60 % по массе гемицеллюлоз с помощью экстракции горячей водой при максимальной температуре 160 °C, предпочтительно при 135-160 °C, и затем сушку полученной биомассы путем прессования.

5. Способ по любому из пп. 1-3, включающий проведение стадии экстракции горячей водой путем удаления из биомассы по меньшей мере 50 % по массе, в частности по меньшей мере 60 % по массе гемицеллюлоз с помощью экстракции горячей водой.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что биомассу подвергают экстракции горячей водой при минимальной температуре выше 160 °C, в частности при температуре до 220 °C.

7. Способ согласно любой из предыдущих стадий, включающий

- проведение стадии экстракции горячей водой путем

удаления из биомассы по меньшей мере 60 % по массе гемицеллюлоз с помощью экстракции горячей водой; и

осаждения растворенного лигнина из экстракционного раствора обратно на экстрагированную биомассу; и

- сушку полученной биомассы путем прессования до обеспечения содержания сухого вещества по меньшей мере 60 % по массе.

8. Способ по любому из пп. 1-7, включающий удаление из биомассы гемицеллюлоз в среде, обедненной кислородом, с помощью водного экстракционного раствора, в частности, гемицеллюлозы удаляют из биомассы в среде, в которой концентрация кислорода ниже 0,1 кг кислорода/кг указанного водного экстракционного раствора, для затруднения протекания окислительных реакций в биомассе во время экстракции горячей водой.

9. Способ по любому из пп. 1-8, включающий экстракцию гемицеллюлоз из биомассы с помощью водного раствора, в котором количество кислорода во время экстракции составляет менее 0,01 кг кислорода/кг указанного водного раствора, предпочтительно менее 0,005 кг кислорода/кг указанного водного раствора, в частности менее 0,0001 кг кислорода/кг указанного водного раствора.

10. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что лигнин осаждают в гемицеллюлозосодержащем водном растворе, полученном при экстракции горячей водой, или из указанного раствора, посредством стадии

a) добавления в раствор химического реагента, осаждающего лигнин; или путем

b) понижения температуры экстракционного раствора ниже температуры растворимости лигнина, или путем

c) комбинирования стадий a и b.

11. Способ по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что экстрагированную биомассу подвергают сушке путем прессования до обеспечения содержания сухого вещества от 60 до 90 % по массе.

12. Способ по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что биомасса образована стружкой или древесными опилками, предпочтительно измельченной стружкой.

13. Способ по любому из пп. 1-12, включающий извлечение биомассы, имеющей при заданном содержании сухого вещества теплотворную способность, которая по меньшей мере на 10 % выше теплотворной способности соответствующей необработанной лигноцеллюлозной биомассы при таком же содержании сухого вещества.

14. Способ по любому из пп. 1-13, отличающийся тем, что биомасса представляет собой свежесрубленную древесину.