包括用于穩(wěn)定水解產(chǎn)物的移動床催化劑的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)及其應(yīng)用方法
【專利說明】包括用于穩(wěn)定水解產(chǎn)物的移動床催化劑的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)及其應(yīng)用方法
[0001]交叉引用的相關(guān)申請
[0002]本申請要求2012年7月26日提交的美國專利申請N0.61/676038的權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明大體上涉及應(yīng)用消化處理纖維素類生物質(zhì)固體以產(chǎn)生水解產(chǎn)物，和更具體地，涉及生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)及其應(yīng)用方法，所述系統(tǒng)和方法允許在消化過程中原位轉(zhuǎn)化包含可溶性碳水化合物的水解產(chǎn)物為更加穩(wěn)定的反應(yīng)產(chǎn)物。
【背景技術(shù)】
[0004]具有商業(yè)重要性的多種物質(zhì)可以產(chǎn)自于天然資源，特別是生物質(zhì)。由于在其中發(fā)現(xiàn)了各種形式的多種豐富的碳水化合物，纖維素類生物質(zhì)在這方面可能特別有利。如這里所應(yīng)用的，術(shù)語"纖維素類生物質(zhì)"指包含纖維素的存活或者最近存活的生物材料。在高級植物的細(xì)胞壁中發(fā)現(xiàn)的木質(zhì)纖維素材料是世界上最豐富的碳水化合物來源。通常由纖維素類生物質(zhì)生產(chǎn)的材料可以包括例如經(jīng)部分消化產(chǎn)生的紙和紙漿和經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)生的生物乙醇。
[0005]植物細(xì)胞壁被分為兩部分，即初生細(xì)胞壁和次生細(xì)胞壁。初生細(xì)胞壁提供用于細(xì)胞膨脹的結(jié)構(gòu)支撐和包含三種主要的多糖(纖維素、膠質(zhì)和半纖維素)和一組糖蛋白。次生細(xì)胞壁在細(xì)胞完成生長后產(chǎn)生，還包含多糖和通過與半纖維素共價(jià)交聯(lián)的聚合性木質(zhì)素強(qiáng)化。半纖維素和膠質(zhì)通常含量豐富，但纖維素是主要的多糖和最豐富的碳水化合物來源。正如下文所討論，與纖維素共存在的各組分的復(fù)雜混合物可能會使其處理起來比較困難。
[0006]已經(jīng)有大量的注意力放在了開發(fā)由可再生來源獲得的化石燃料替代物上。在這方面，纖維素類生物質(zhì)由于其存量豐富且在其中發(fā)現(xiàn)了大量不同組分(特別是纖維素和其它碳水化合物)而引起了特別的注意。盡管很有希望且引起了人們極大的興趣，但生物基燃料技術(shù)的開發(fā)和實(shí)施仍非常緩慢。直到今天，現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生的燃料仍具有低的能量密度(例如生物乙醇)和/或不能與現(xiàn)有的發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施完全相容(例如甲醇、生物柴油、費(fèi)-托柴油、氫氣和甲烷)。應(yīng)對前述和其它問題，用于將纖維素類生物質(zhì)處理為具有類似化石燃料組成的燃料混合物的能量和成本有效的方法將是特別希望的。
[0007]當(dāng)轉(zhuǎn)化纖維素類生物質(zhì)為燃料混合物和其它物質(zhì)時(shí)，可以提取其中復(fù)雜的有機(jī)分子(如碳水化合物)，和將其轉(zhuǎn)化為更簡單的有機(jī)分子，后者隨后可以進(jìn)一步精制。發(fā)酵是可以將來自生物質(zhì)的復(fù)雜碳水化合物轉(zhuǎn)化為更有用形式的一種方法。但發(fā)酵方法通常很慢、需要大體積的反應(yīng)器、和產(chǎn)生具有較低能量密度的初始反應(yīng)產(chǎn)物(乙醇)。消化是可將纖維素和其它復(fù)雜碳水化合物轉(zhuǎn)化為更有用形式的另一種方法。消化方法可以將纖維素類生物質(zhì)內(nèi)的纖維素和其它復(fù)雜的碳水化合物分解為更簡單的可溶性碳水化合物，后者適合于通過下游的重整反應(yīng)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。如這里所應(yīng)用的，術(shù)語"可溶性碳水化合物"指在消化過程中變得可溶解的單糖或多糖。雖然據(jù)理解基礎(chǔ)化學(xué)支持消化纖維素和其它復(fù)雜碳水化合物和進(jìn)一步轉(zhuǎn)化簡單碳水化合物為與化石燃料中存在的那些類似的有機(jī)化合物，但尚未開發(fā)出適合于轉(zhuǎn)化纖維素類生物質(zhì)為燃料混合物的高收率和能量有效的消化方法。在這方面，與應(yīng)用消化和其它方法轉(zhuǎn)化纖維素類生物質(zhì)為燃料混合物相關(guān)的最基本需求是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化需要的能量輸入不應(yīng)大于產(chǎn)物燃料混合物可獲得的能量輸出。這種基本需求導(dǎo)致多個(gè)次級問題，而這些問題總體提出了到目前為至還沒有解決的極大的工程挑戰(zhàn)。
[0008]與以能量和費(fèi)用有效的方式應(yīng)用消化將纖維素類生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料混合物相關(guān)的問題不僅復(fù)雜，而且它們完全不同于在造紙和紙漿工業(yè)中通常應(yīng)用的消化過程中遇到的那些問題。因?yàn)樵谠旒埡图垵{工業(yè)中纖維素類生物質(zhì)消化的目的是保留固體物質(zhì)(例如紙漿)，通常在低溫下(例如小于100°c )實(shí)施不完全消化相當(dāng)短的時(shí)間。與之相對，適合轉(zhuǎn)化纖維素類生物質(zhì)為燃料混合物和其它物質(zhì)的消化過程理想地構(gòu)造為以高通量方式通過溶解盡可能多的初始纖維素類生物質(zhì)進(jìn)料來使收率最大化。
[0009]因?yàn)槎鄠€(gè)原因通過常規(guī)調(diào)整造紙和紙漿消化過程而生產(chǎn)用于燃料混合物和其它物質(zhì)的大量可溶性碳水化合物是不可行的。簡單地通過運(yùn)行造紙和紙漿工業(yè)的消化過程更長時(shí)間來產(chǎn)生更多可溶性碳水化合物從通量角度來看是不希望的。應(yīng)用消化促進(jìn)劑如強(qiáng)堿、堿酸或亞硫酸鹽來使消化速率加快可能會由于后處理的分離步驟和可能需要保護(hù)下游組件不受這些試劑損害而增加工藝成本和復(fù)雜性。通過提高消化溫度而使消化速率加快由于在高的消化溫度下尤其經(jīng)較長時(shí)間可能會發(fā)生可溶性碳水化合物的熱降解而實(shí)際上降低了收率。一旦通過消化產(chǎn)生，可溶性碳水化合物非常有活性且可能快速降解而產(chǎn)生了聚焦糖和其它重質(zhì)降解產(chǎn)物，特別是在高溫條件如大于150°C下。從能量效率角度來看，應(yīng)用較高的消化溫度也是不希望的。這些困難的任何一個(gè)均可以挫敗從纖維素類生物質(zhì)獲得燃料混合物的經(jīng)濟(jì)可行性。
[0010]可以保護(hù)可溶性碳水化合物不熱降解的一種方法是使它們經(jīng)受一個(gè)或多個(gè)催化還原反應(yīng)，所述過程可以包括加氫和/或氫解反應(yīng)。通過實(shí)施一種或多種催化還原反應(yīng)來穩(wěn)定可溶性碳水化合物可能允許纖維素類生物質(zhì)的消化在比可能的情況更高的溫度下實(shí)施，而不會過度犧牲收率。由于對可溶性碳水化合物進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)催化還原反應(yīng)可產(chǎn)生包含含氧中間體的反應(yīng)產(chǎn)物。這些反應(yīng)產(chǎn)物通過下游的重整反應(yīng)可容易地轉(zhuǎn)化為燃料混合物和其它物質(zhì)。此外，上面的反應(yīng)產(chǎn)物是可進(jìn)行水熱消化的良好溶劑。使用這種溶劑(可包括一元醇、二醇和酮)例如可加快消化速率和有助于穩(wěn)定纖維素類生物質(zhì)的其它組分如木質(zhì)素，否則這些組分例如會聚集和堵塞工藝設(shè)備。分離和循環(huán)溶劑有時(shí)會要求輸入大量的能量，這會降低從纖維素類生物質(zhì)獲得的燃料混合物的可得凈能量輸出。通過應(yīng)用反應(yīng)產(chǎn)物作為溶劑，由于降低了對分離步驟的需要，可增加燃料混合物的凈能量輸出。
[0011]除了上述困難，當(dāng)催化還原反應(yīng)和/或其它下游的重整反應(yīng)的數(shù)量增加時(shí)，由于響應(yīng)增加的工藝步驟而在工程領(lǐng)域中常規(guī)添加了額外的反應(yīng)器裝置，與建立和維護(hù)用于轉(zhuǎn)化纖維素類生物質(zhì)的系統(tǒng)相關(guān)的資本成本會顯著增加。添加的反應(yīng)器裝置以及與處理纖維素類生物質(zhì)特別相關(guān)的熱管理問題可能顯著限制將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程放大至工業(yè)上可行水平的能力。此外，工業(yè)處理纖維素類生物質(zhì)可能需要應(yīng)用不希望的大的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，除非通過在非常高的纖維素類生物質(zhì)負(fù)載水平下操作可以增加它們的有效體積。
[0012]與處理纖維素類生物質(zhì)為燃料混合物和其它物質(zhì)相關(guān)的另一個(gè)問題來自于需要纖維素類生物質(zhì)進(jìn)料變?yōu)榭扇苄蕴妓衔锏母咿D(zhuǎn)化百分比。具體地，當(dāng)纖維素類生物質(zhì)固體消化時(shí)，它們的尺寸逐步減小至它們會變得可流體流動的點(diǎn)。正如這里應(yīng)用的，可流體流動的纖維素類生物質(zhì)固體，特別是尺寸小于3_或更小的纖維素類生物質(zhì)固體將被稱為"纖維素類生物質(zhì)細(xì)顆?！ā＠w維素類生物質(zhì)細(xì)顆?？梢詮挠糜谵D(zhuǎn)化纖維素類生物質(zhì)的系統(tǒng)的消化區(qū)輸送出來，和進(jìn)入一個(gè)或多個(gè)不需要固體和固體可能會有害的區(qū)域。例如，纖維素類生物質(zhì)細(xì)顆粒有可能會堵塞催化劑床層、輸送管線等。另外，雖然尺寸小，但纖維素類生物質(zhì)細(xì)顆?？赡艽砝w維素類生物質(zhì)進(jìn)料的重要部分，和如果它們不能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為可溶性碳水化合物，獲得令人滿意的轉(zhuǎn)化百分比的能力可能就會受到影響。因?yàn)樵旒埡图垵{工業(yè)的消化過程在相當(dāng)?shù)偷睦w維素類生物質(zhì)轉(zhuǎn)化百分比下運(yùn)行，相信產(chǎn)生了少量的纖維素類生物質(zhì)細(xì)顆粒和這對這些消化過程具有較小的影響。
[0013]除了想要的碳水化合物外，在纖維素類生物質(zhì)中可能存在其它物質(zhì)，這些物質(zhì)可能對以能量和費(fèi)用有效的方式進(jìn)行處理特別成問題。含硫和/或含氮的氨基酸或其它催化劑毒物可能在纖維素類生物質(zhì)中存在。如果不脫除，這些催化劑毒物可能會影響用于穩(wěn)定可溶性碳水化合物的催化還原反應(yīng)，從而造成用于催化劑再生和/或替換的過程停車，這會影響與重新啟動轉(zhuǎn)化過程有關(guān)的能量效率。另一方面，在過程中脫除這些催化劑毒物也可能影響生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的能量效率，因?yàn)閷?shí)施脫除通常需要的離子交換過程經(jīng)常在低于消化產(chǎn)生可溶性碳水化合物的溫度下實(shí)施，從而引入熱交換操作，這將增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和可能會增加操作成本。除了催化劑毒物外，木質(zhì)素(非纖維素類生物聚合物)結(jié)合可溶性碳水化合物的產(chǎn)生可被溶解。如果不以一些方式處理，在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中木質(zhì)素濃度可變得足夠高而最終發(fā)生沉淀，由此導(dǎo)致昂貴的系統(tǒng)停車。替代地，一些木質(zhì)素可能仍然不溶，和最終可能需要昂貴的系統(tǒng)停車來實(shí)施脫除。
[0014]正如前述所證明的，有效轉(zhuǎn)化纖維素類生物質(zhì)為燃料混合物是具有極大工程挑戰(zhàn)的復(fù)雜問題。本發(fā)明應(yīng)對這些挑戰(zhàn)和提供了相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明大體上涉及應(yīng)用消化處理纖維素類生物質(zhì)固體以產(chǎn)生水解產(chǎn)物，和更具體地涉及生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)及其應(yīng)用方法，其中所述方法和系統(tǒng)允許在消化過程中原位轉(zhuǎn)化包含可溶性碳水化合物的水解產(chǎn)物為更加穩(wěn)定的反應(yīng)產(chǎn)物。
[0016]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，包括:水熱消化裝置，所述水熱消化裝置還包含能夠活化分子氫的第一催化劑，所述第一催化劑在所述水熱消化裝置內(nèi)流體流動；與所述水熱消化裝置操作相連的任選的氫進(jìn)料管線；包括水熱消化裝置和催化還原反應(yīng)器裝置的流體循環(huán)回路，所述催化還原反應(yīng)器裝置包含能夠活化分子氫的第二催化劑；和在所述水熱消化裝置外部的催化劑輸送機(jī)構(gòu)，所述催化劑輸送機(jī)構(gòu)能夠?qū)⒅辽俨糠炙龅谝淮呋瘎奈挥谒鏊疅嵯b置內(nèi)的催化劑收集區(qū)輸送至另一位置。
[0017]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，包括:水熱消化裝置，所述水熱消化裝置還包含能夠活化分子氫的第一催化劑，所述第一催化劑在所述水熱消化裝置內(nèi)流體流動；與所述水熱消化裝置操作相連的任選的氫進(jìn)料管線；與所述水熱消化裝置操作相連的固體引入機(jī)構(gòu)，所述固體引入機(jī)構(gòu)包括常壓區(qū)和壓力過渡區(qū)，所述壓力過渡區(qū)在常壓和高壓態(tài)間轉(zhuǎn)換；包括水熱消化裝置和催化還原反應(yīng)器裝置的流體循環(huán)回路，所述催化還原反應(yīng)器裝置包含能夠活化分子氫的第二催化劑；和在所述水熱消化裝置外部的催化劑輸送機(jī)構(gòu)，所述催化劑輸送機(jī)構(gòu)將所述水熱消化裝置的底部與所述固體引入機(jī)構(gòu)操作相連，和所述催化劑輸送機(jī)構(gòu)能夠?qū)⒅辽俨糠炙龅谝淮呋瘎乃鏊疅嵯b置輸送至所述固體引入機(jī)構(gòu)。
[0018]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種方法，包括:在水熱消化裝置中提供纖維素類生物質(zhì)固體，所述水熱消化裝置還包含能夠活化分子氫的第一催化劑；在所述水熱消化裝置中在分子氫存在下加熱所述纖維素類生物質(zhì)固體以消化至少部分所述纖維素類生物質(zhì)固體，由此形成在液相內(nèi)包含可溶性碳水化合物的水解產(chǎn)物；其中所述第一催化劑在液相內(nèi)流體流動，使得在發(fā)生消化時(shí)至少部分所述第一催化劑迀移至所述水熱消化裝置的底部；在所述可溶性碳水化合物在所述水熱消化裝置內(nèi)時(shí)將至少部分所述可溶性碳水化合物轉(zhuǎn)化為反應(yīng)產(chǎn)物；利用在所述水熱消化裝置外部的催化劑輸送機(jī)構(gòu)從所述水熱消化裝置的底部輸送至少部分所述第一催化劑；和將至少部分所述液相輸送至包含能夠活化分子氫的第二催化劑的催化還原反應(yīng)器裝置，從而進(jìn)一步將所述可溶性碳水化合物轉(zhuǎn)化為反應(yīng)產(chǎn)物。
[0019]在閱讀了如下對優(yōu)選實(shí)施方案的描述后，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更明顯。
【附圖說明】
[0020]包括如下附圖來描述本發(fā)明的某些方面，和不應(yīng)將它們看作是排它性實(shí)施方案。所公開的主題能夠在形式和功能方面進(jìn)行相當(dāng)大程度的調(diào)整、改變、組合和等價(jià)替換，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員在受益于本公開內(nèi)容后是很明顯的。
[0021]圖1示意性給出了描述性的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)化系統(tǒng)具有在流體循環(huán)回路中相互偶合的水熱消化裝置和催化還原反應(yīng)器裝置，其中催化劑輸送機(jī)構(gòu)將水熱消化裝置的底部和固體引入機(jī)構(gòu)的常壓區(qū)操作相連。
[0022]圖2示意性給出了描述性的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)化系統(tǒng)具有在流體循環(huán)回路中相互偶合的水熱消化裝置和催化還原反應(yīng)器裝置，其中催化劑輸送機(jī)構(gòu)將水熱消化裝置的底部和固體引入機(jī)構(gòu)的壓力過渡區(qū)操作相連。
[0023]圖3示意性給出了描述性的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)化系統(tǒng)具有在流體循環(huán)回路中相互偶合的水熱消化裝置和催化還原反應(yīng)器裝置，其中催化劑輸送機(jī)構(gòu)將水熱消化裝置的底部和水熱消化裝置的另一部分操作相連。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本發(fā)明大體涉及應(yīng)用消化處理纖維素類生物質(zhì)固體以產(chǎn)生水解產(chǎn)物，和更具體地涉及生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)及其應(yīng)用方法，其中所述方法和系統(tǒng)允許在消化過程中原位轉(zhuǎn)化包含可溶性碳水化合物的水解產(chǎn)物為更加穩(wěn)定的反應(yīng)產(chǎn)物。
[0025]在這里描述的實(shí)施方案中，在高溫和高壓以及消化溶劑存在下纖維素類生物質(zhì)固體的消化速率可以加快，所述高溫和高壓使得消化溶劑在高于其正常沸點(diǎn)下保持液態(tài)。雖然從通量的角度來看，更快的消化速率可能是希望的，但正如這里更詳細(xì)討論的，在這些條件下可溶性碳水化合物可能易于降解。在各種實(shí)施方案中，消化溶劑可能包含有機(jī)溶劑，特別是原位產(chǎn)生的有機(jī)溶劑，如下文所述，原位產(chǎn)生的有機(jī)溶劑可能提供某些優(yōu)點(diǎn)。
[0026]本發(fā)明公開內(nèi)容提供的系統(tǒng)和方法允許有效消化纖維素類生物質(zhì)固體以形成可溶性碳水化合物，隨后可溶性碳水化合物可通過一個(gè)或多個(gè)催化還原反應(yīng)(例如氫解和/或加氫)轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的包含含氧中間體的反應(yīng)產(chǎn)物，所述含氧中間體可進(jìn)一步處理為高級烴。高級烴可用于形成工業(yè)化學(xué)品和運(yùn)輸燃料(即生物燃料)，包括如合成汽油、柴油燃料、噴氣燃料等。正如本文所應(yīng)用的，術(shù)語“生物燃料”是指由生物來源形成的任何運(yùn)輸燃料。這里這種生物燃料可稱作“燃料混合物”。特別地，構(gòu)建這里所述的系統(tǒng)和方法使得可以利用水解產(chǎn)物中的至少部分可溶性碳水化合物處理纖維素類生物質(zhì)，而所述可溶性碳水化合物在水熱消化裝置內(nèi)原位轉(zhuǎn)化為反應(yīng)產(chǎn)物。正如本文所應(yīng)用的，術(shù)語“原位催化還原反應(yīng)”用于指在水熱消化裝置中在與其中發(fā)生的消化過程相同時(shí)間框架中發(fā)生的催化還原反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物可比可溶性碳水化合物更加熱穩(wěn)定，由此降低了在水熱消化條件下可形成的分解產(chǎn)物的量和達(dá)到高的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化率。正如下文所討論的，通過這種類型的原位反應(yīng)還可實(shí)現(xiàn)其它優(yōu)點(diǎn)。
[0027]正如本文所應(yīng)用的，術(shù)語“含氧中間體”指的是由可溶性碳水化合物的催化還原反應(yīng)(例如氫解和/或加氫)產(chǎn)生的醇、多元醇、酮、醛及它們的混合物。正如本文所應(yīng)用的，術(shù)語“高級烴”指的是所述烴的氧與碳的比比產(chǎn)生所述烴的生物質(zhì)來源的至少一種組分低。正如本文所應(yīng)用的，術(shù)語“烴”指的是主要包含氫和碳的有機(jī)化合物，盡管雜原子如氧、氮、硫和/或磷可能存在于一些實(shí)施方案中。因此，例如，術(shù)語“烴”還包括雜原子取代的含碳、氫和氧的化合物。
[0028]在這里所述的實(shí)施方案中，通過在水熱消化裝置中與消化過程一起發(fā)生的原位催化還原反應(yīng)可至少部分穩(wěn)定由水熱消化產(chǎn)生的可溶性碳水化合物。一旦在水熱消化過程中可溶性碳水化合物被至少部分轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的反應(yīng)產(chǎn)物，則可溶性碳水化合物可在單獨(dú)的催化還原反應(yīng)器裝置中完全轉(zhuǎn)化為反應(yīng)產(chǎn)物。所述的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的特征可以允許顯著量的初始溶解的碳水化合物轉(zhuǎn)化為適合于后續(xù)處理為生物燃料的形式，同時(shí)在水熱消化裝置中或靠近水熱消化裝置形成盡可能少量的焦糖和其它分解產(chǎn)物。
[0029]正如在本文所述的實(shí)施方案中，通過在水熱消化裝置中實(shí)施水熱消化和催化還原兩者可實(shí)現(xiàn)一些優(yōu)點(diǎn)，其中一些討論如下。正如前面提及的，本文所述的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造系統(tǒng)以快速穩(wěn)定其中產(chǎn)生的大部分水解產(chǎn)物。通過在水熱消化裝置中實(shí)施的原位催化還原反應(yīng)來至少部分轉(zhuǎn)化水解產(chǎn)物中的可溶性碳水化合物為反應(yīng)產(chǎn)物可穩(wěn)定水解產(chǎn)物。即在同樣適合于發(fā)生催化還原的條件下水熱消化纖維素類生物質(zhì)固體。具體地，在氫氣和能夠活化分子氫的催化劑的存在下可發(fā)生水熱消化。因此，當(dāng)形成可溶性碳水化合物時(shí)，應(yīng)用這里所述的系統(tǒng)它們可至少部分轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的反應(yīng)產(chǎn)物。
[0030]本發(fā)明所述的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的另一重要優(yōu)點(diǎn)是在水熱消化裝置中實(shí)施水熱消化和催化還原可允許實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的熱整合和熱管理。正如下文所述，水熱消化為吸熱過程，而催化還原為放熱過程。由于在這里所述的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中兩個(gè)過程發(fā)生在相同的容器中，催化還原反應(yīng)產(chǎn)生的過量熱量可以用于驅(qū)動水熱消化過程，和發(fā)生熱傳遞損失的可能性很小。這可以通過限制需要輸入以驅(qū)動水熱消化的外部能量來改進(jìn)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的總能量效率。另外，在這種構(gòu)造中，原位催化還原反應(yīng)可以在水熱消化裝置內(nèi)提供不斷增加的反應(yīng)產(chǎn)物供應(yīng)，這可以用作和/或補(bǔ)充消化溶劑。因?yàn)榉磻?yīng)產(chǎn)物和消化溶劑可以相同，在下游進(jìn)一步處理反應(yīng)產(chǎn)物之前，不急于分離和循環(huán)大部分消化溶劑，正如上所述，這從能量效率觀點(diǎn)來看可能是更加有利的。
[0031]除了上述以外，初始反應(yīng)產(chǎn)物可轉(zhuǎn)移至單獨(dú)的催化還原反應(yīng)器裝置用于進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為更適合轉(zhuǎn)化為生物燃料的反應(yīng)產(chǎn)物。發(fā)生在催化還原反應(yīng)器裝置中的轉(zhuǎn)化可包括進(jìn)一步降低初始反應(yīng)產(chǎn)物的氧化程度、增加可溶性碳水化合物至含氧中間體的轉(zhuǎn)化率或這兩者。由催化還原反應(yīng)器裝置獲得的反應(yīng)產(chǎn)物可循環(huán)至水熱消化裝置和/或被抽出用于隨后轉(zhuǎn)化為生物燃料。在水解產(chǎn)物到達(dá)催化還原反應(yīng)器裝置之前通過至少部分將可溶性碳水化合物轉(zhuǎn)化為反應(yīng)產(chǎn)物，可以減少對催化還原反應(yīng)器裝置的要求，和也可能實(shí)現(xiàn)可溶性碳水化合物向反應(yīng)產(chǎn)物的更高轉(zhuǎn)化率。另外，有可能應(yīng)用比相關(guān)方法更小的催化還原反應(yīng)器裝置，因?yàn)樵诘竭_(dá)催化還原反應(yīng)器裝置之前，至少部分可溶性碳水化合物已經(jīng)被轉(zhuǎn)化。更進(jìn)一步，因?yàn)樵谒疅嵯b置中通過實(shí)施初始催化還原反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)更大的熱整合效率，可能減少為了維持能量有效過程而從催化還原反應(yīng)器裝置循環(huán)反應(yīng)產(chǎn)物至水熱消化裝置的需求。因此，可應(yīng)用更低的反應(yīng)產(chǎn)物循環(huán)比，和可抽出更大部分的反應(yīng)產(chǎn)物用于隨后轉(zhuǎn)化為生物燃料。前述因素也可減少與生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)相關(guān)的投資和操作成本。
[0032]在熱整合效率的另一個(gè)方面，本發(fā)明的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)也可能特別有利，因?yàn)樵谀承?shí)施方案中，系統(tǒng)中的水熱消化裝置可以在高溫和高壓下連續(xù)操作。通過構(gòu)造生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)使得可以向在加壓狀態(tài)下操作的水熱消化裝置連續(xù)或半連續(xù)提供新鮮生物質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的高溫水熱消化。如果沒有能力為加壓的水熱消化裝置引入新鮮生物質(zhì)，在添加新鮮生物質(zhì)過程中可能會發(fā)生水熱消化裝置的泄壓和冷卻，明顯地降低了轉(zhuǎn)化過程的能量和成本效率。如這里所應(yīng)用的，術(shù)語〃連續(xù)加入〃及其語法等價(jià)用語指在不完全泄壓水熱消化裝置的情況下以不間斷方式向水熱消化裝置中加入生物質(zhì)的過程。如這里所應(yīng)用的，術(shù)語"半連續(xù)加入"及其語法等價(jià)用語指在不完全泄壓水熱消化裝置的情況下不連續(xù)但按需向水熱消化裝置中加入生物質(zhì)。可向加壓的水熱消化裝置提供生物質(zhì)的固體引入機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步描述在下文中更為詳細(xì)地給出。
[0033]這里所述的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)和相關(guān)方法與造紙和紙漿工業(yè)的那些進(jìn)一步區(qū)別，所述造紙和紙漿工業(yè)的目的是獲得部分消化的木漿，而不是獲得盡可能多的隨后可以轉(zhuǎn)化為包括含氧中間體的反應(yīng)產(chǎn)物的可溶性碳水化合物。由于造紙和紙漿處理的目的是獲得原木漿，該消化過程可在低溫和低壓下實(shí)施以從生物質(zhì)中脫除少量的可以在較低溫度下脫除的可溶性碳水化合物和非纖維素類組分。在這里所述的一些實(shí)施方案中，可使至少60%的纖維素類生物質(zhì)(干基)消化以產(chǎn)生包含可溶性碳水化合物的水解產(chǎn)物。在這里所述的其它實(shí)施方案中，可使至少90%的纖維素類生物質(zhì)(干基)消化以產(chǎn)生包含可溶性碳水化合物的水解產(chǎn)物?？紤]到造紙和紙漿處理的意圖，可以預(yù)期在這些過程中產(chǎn)生少得多的可溶性碳水化合物。本發(fā)明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可通過在處理生物質(zhì)過程中最小化形成降解產(chǎn)物而實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)化率，同時(shí)在水熱消化的過程中維持長的停留時(shí)間。
[0034]盡管從穩(wěn)定可溶性碳水化合物和實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的熱整合的角度來說，在水熱消化裝置中在發(fā)生消化時(shí)實(shí)施催化還原反應(yīng)可能是有利的，但實(shí)現(xiàn)這種構(gòu)造的