階段式生物質(zhì)分餾器的制造方法
【專利說明】階段式生物質(zhì)分溜器
[0001 ]相夫申請
[0002] 本申請根據(jù)35U.S.C. § 119(c)，要求于2013年3月15日提交的，名稱為"階段式 螺旋鉆系統(tǒng)"的美國序列號61/799446,于2013年9月23日提交的，名稱為"熱生物質(zhì)處理 器"的美國序列號61/881309,于2013年10月16日提交的，名稱為"利用同步平行分饋用 于合成可再生化學品的系統(tǒng)和方法"的美國序列號61/891872的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其內(nèi)容通過引 用并入。
[0003] 本申請根據(jù)35U.S.C. § 119(c)，要求于2014年3月4日提交的，名稱為"階段式 生物質(zhì)分饋器"的美國序列號14/196920的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其內(nèi)容通過引用并入。
[0004]本申請還是于2013年3月12日提交的，名稱為"生物質(zhì)反應器"的美國序列號13/797985的部分繼續(xù)申請，其內(nèi)容通過引用并入。
技術領域 陽〇化]本發(fā)明的領域大體上設及可再生燃料的生產(chǎn)，和更特別地設及用于將含碳物料轉(zhuǎn) 化W產(chǎn)生具有特定性能的產(chǎn)物流的方法。子領域是用于生產(chǎn)可再生燃料的新的階段式螺旋 鉆系統(tǒng)。
【背景技術】
[0006] 上升的能源成本，對不可再生能源的持續(xù)利用和可用性的擔憂，對化石資源的使 用對全球氣候變化的影響的擔憂已經(jīng)成為人類面臨的主要技術問題的一部分。尋找更有效 地使用能源的替代資源如可再生生物質(zhì)的方法是解決運些問題非常重要的途徑。在工業(yè)革 命開始之前，木材和植物油是工業(yè)化W前的文明的主要能源，其使用此能源主要用于加熱， 烹任和照明。在運個早期階段，生物質(zhì)簡單地在露天燃燒W產(chǎn)生熱和光。數(shù)千年前，人類發(fā) 現(xiàn)，如果空氣供給在燃燒過程中受限，可W從燃燒的木材中提取稠密的黑色殘渣（我們現(xiàn) 在叫做焦炭）。該熱焦炭可W用水驟冷，干燥，和再燒，W產(chǎn)生更熱，更密集的火。焦炭的出 現(xiàn)與冶金的發(fā)展同時進行，運取決于它的更熱和更清潔的火W及它的從礦石提取金屬并將 它們形成有用的產(chǎn)品的還原能力。在減少的氧氣環(huán)境或無氧環(huán)境下烘烤可燃物料的過程現(xiàn) 在稱為熱解。熱解木材或混合的生物質(zhì)的其他形式產(chǎn)生焦炭（也稱其為生物炭）W及氨氣、 一氧化碳和二氧化碳的混合物，有時候稱為合成氣。在無氧環(huán)境中烘烤化石燃料控類首先 引起更長鏈的控類分解成更短鏈的控類，最終導致更基本的形式如甲燒（CH4)，氨氣和元素 碳。事實上，熱解是石化產(chǎn)品裂解的基本機制，其是煉油工藝的支柱。更極端的熱解用于煉 油工藝中W產(chǎn)生氨氣和高純度碳。
[0007]同樣地，當經(jīng)歷熱解過程時，生物質(zhì)（其由纖維素，半纖維素，木質(zhì)素，淀粉和脂類 組成）通過多步分解進行。根據(jù)熱解的條件，產(chǎn)品的組成可變化。通常，當經(jīng)歷長時間的高 溫（例如，SO(TC)時，熱解最終產(chǎn)生合成氣。隨著溫度和暴露時間間隔下降，留下增加的量 的生物炭殘渣。在更低的溫度和時間間隔下，越來越多的復雜控類和含氧控類存在于來自 熱解的生物質(zhì)的氣流中。運些分子形成的蒸汽可W冷凝并用作液體產(chǎn)物（生物油）或立即 轉(zhuǎn)化成其他產(chǎn)物。在低極端情況下，簡單的每日烹任通常趕走水并開始將生物質(zhì)脫水，引起 我們總是與烹任好的食物聯(lián)系在一起的變黑和焦化。
[0008] 已經(jīng)開發(fā)了各種形式的實驗室和小規(guī)模商業(yè)化生物質(zhì)熱解器，W通過范圍從木屑 到污水渺泥的生物物料的控制熱解產(chǎn)生有用的化學產(chǎn)品。雖然一些熱解器簡單地集中于產(chǎn) 生合成氣，但是在溫和熱解條件的發(fā)展中有相當大的努力，溫和熱解條件通常得到常稱為 生物油的濃縮液。已經(jīng)在實驗室水平上開發(fā)了許多形式的熱解器W產(chǎn)生運些中間體化合 物，其被統(tǒng)稱為生物油或熱解油。配置包括其中生物質(zhì)在陶瓷船中烘烤的簡單管式爐、其 中木材相對于熱表面摩擦的燒蝕熱解器、其中生物質(zhì)與熱砂混合的各種形式的流化床熱解 器、和基于較早的煉焦爐設計的各種更簡單的配置。
[0009] 熱解系統(tǒng)的一個通常類別是回轉(zhuǎn)爐/螺旋鉆，其使用軸上的螺紋通過旋轉(zhuǎn)移動物 料通過通道并在一些方法中提供熱量。
[0010] 自生物質(zhì)原料得到的熱解油的基本問題在于其由數(shù)百至數(shù)千種化合物構(gòu)成，運是 由于原料生物質(zhì)整體經(jīng)歷寬范圍的溫度、時間和壓力分布的結(jié)果。當該過程被最初生物原 料中數(shù)千種主要生物化合物復雜化時，結(jié)果是幾乎難W處理的一批全部混合在一起的得到 的化合物。來自該過程的熱解油通常不是熱動力學穩(wěn)定的。它們含有被有機酸和堿催化的 活性含氧自由基，使得運些油通常在幾天時段內(nèi)從淺色液體演變成深色混合物，混合物中 帶有焦油和樹脂狀物質(zhì)。而且，再蒸發(fā)熱解油的嘗試通常導致額外的化學反應，其在得到的 氣體流中產(chǎn)生額外的生物炭和向較低分子量組分的轉(zhuǎn)變。盡管可W實驗室規(guī)模試驗實現(xiàn)相 當高的熱解油產(chǎn)率，但是更大的工業(yè)規(guī)模示范項目通常產(chǎn)生低得多的產(chǎn)率。運可能是由于 運種放大結(jié)構(gòu)的大得多的加熱的=維容積內(nèi)更寬范圍的溫度、保持時間和局部壓力。
[0011] 避免與熱解油相關的復雜化的一種方法是在冷凝之前蒸汽的催化改質(zhì)。該過程制 得比熱解油更穩(wěn)定的燃料。遺憾的是，生物蒸汽的催化轉(zhuǎn)化與更高的焦化速率和催化劑失 活相關。
[0012] 本發(fā)明旨在解決生物質(zhì)如何可被更有效地分饋。 柳1引發(fā)巧簡沐
[0014] 描述了一種系統(tǒng)和方法，通過其含碳物料如生物質(zhì)在一個或多個階段被加熱和熱 分解，使得產(chǎn)生一種或多種蒸汽流和一種或多種固體流，每種具有有益特性。示例性有益特 性可包括在催化過程中更低的焦化速率或具有適于特定用途的性能的固體。
[0015] 設計W進行所述方法的系統(tǒng)包括具有多個串聯(lián)配置的生物質(zhì)處理站的螺旋鉆系 統(tǒng)，每個站包括螺旋鉆反應器或部分的所述螺旋鉆，所述螺旋鉆包括用于接收碳質(zhì)固體如 生物質(zhì)的螺旋鉆入口和用于輸送固體通過螺旋鉆反應器的傳輸螺桿。
[0016] 在本發(fā)明的一些實施方案中，新的螺桿設計提高螺桿的硬度和促進混合。增加的 硬度在熱的熱環(huán)境中具有益處。
[0017] 每個螺旋鉆反應器可進一步包括用于驅(qū)動傳輸螺桿的發(fā)動機和一個或多個用于 熱解蒸汽的饋分的出口和配置用于源自于反應器的熱解蒸汽的饋分的相關系統(tǒng)。
[0018] 在上述系統(tǒng)的一些實施方案中，每個螺旋鉆反應器進一步包括當生物質(zhì)和其分解 產(chǎn)物輸送通過螺旋鉆反應器時用于加熱該生物質(zhì)和其分解產(chǎn)物的熱載體。所述熱載體可選 自W下構(gòu)成的組：螺旋鉆反應器內(nèi)部或周圍的加熱線圈，流經(jīng)螺旋鉆反應器的熱傳輸流體， 通過螺旋鉆反應器的熱的沙顆粒，和熱的鐵磁固體顆粒。此外，傳輸螺桿可由外部來源加 熱。在一些實施方案中，串聯(lián)的第一螺旋鉆反應器包括第一類熱載體，其中串聯(lián)的另一螺旋 鉆反應器包括不同類的熱載體。在另外的實施方案中，串聯(lián)的第一螺旋鉆反應器包括在第 二螺旋鉆反應器的螺旋鉆入口處終止的出口，而且串聯(lián)的最后的螺旋鉆反應器在將生物炭 從系統(tǒng)移除的出口處終止。
[0019] 在本發(fā)明的其他實施方案中，使用新的熱載體將熱傳輸至螺旋鉆。所述熱載體 由金屬或陶瓷構(gòu)造的中空顆粒構(gòu)成，所述中空顆粒包括殼和含有不同于殼的物料，使得 內(nèi)部物料可被加熱W改變相，由此將熱通過內(nèi)部物料的適當相變傳輸至熱轉(zhuǎn)化過程。內(nèi) 部相變物料可W固相或液相完全或部分地填充殼內(nèi)容積。所述相變物料可為在300°c至 1000°C巧72。F至1832。巧的溫度范圍內(nèi)相變化的金屬或鹽。
[0020] 本發(fā)明的另一實施方案為可使用適當量的氧化劑或氧化劑和惰性物料進行熱解 W促進加熱。在該實施方案中，含碳物料的一部分被氧化從而提供熱W驅(qū)動熱解過程。
[0021] 根據(jù)上述方法和系統(tǒng)的其他實施方案，螺旋鉆反應器中的溫度和壓力為選擇性可 控的。在一個實施中，串聯(lián)的第二螺旋鉆反應器內(nèi)的溫度遞增地高于串聯(lián)的第一螺旋鉆反 應器內(nèi)的溫度，和其中串聯(lián)的第=螺旋鉆反應器內(nèi)的溫度遞增地高于第二螺旋鉆反應器內(nèi) 的溫度。此外，第二螺旋鉆反應器內(nèi)的壓力遞增地高于第一螺旋鉆反應器內(nèi)的壓力，和其中 第=螺旋鉆反應器內(nèi)的壓力逐步地低于第二螺旋鉆反應器內(nèi)的壓力。在一些實施方案中， Tz可大于T1，Pz可小于P1，和T?？刹煌赥1。壓力可由蒸汽或由通過改變螺旋鉆螺桿的軸 的直徑或通過變化螺紋之間的直線距離進行固體的物理壓縮而產(chǎn)生。在一些實施方案中， 每個螺旋鉆反應器的直徑根據(jù)生物質(zhì)和蒸汽在每個螺旋鉆反應器的停留時間是可調(diào)節(jié)的。 本領域技術人員將理解，基于螺旋鉆的旋轉(zhuǎn)速度固體停留時間可改變。
[0022] 在一方面，在多個熱解站中熱分解生物質(zhì)的方法包括通過獨立地調(diào)節(jié)溫度和/或 壓力獨立地運行多個熱解站中的每個，其中溫度和壓力的至少一個是不同的；將所述生物 質(zhì)和/或其隨后的熱分解產(chǎn)物傳輸至或傳輸出所述多個熱解站；其中所述多個熱解站的至 少一個但不是全部在選擇的條件下運行W熱解所述生物質(zhì)或其隨后的熱分解產(chǎn)物W產(chǎn)生 適于燃料生產(chǎn)的蒸汽流，和將產(chǎn)生燃料的蒸汽流引導入催化塔用于轉(zhuǎn)化為燃料；其中所述 多個熱解站中的至少一個但不是全部在提供第二蒸汽流的條件下運行，和將所述第二蒸汽 流導入第二位置供除了燃料生產(chǎn)之外的使用；和其中所述多個熱解站中的最后的站在所選 條件下運行W熱解所述進入的熱分解產(chǎn)物產(chǎn)生生物炭和相關的蒸汽流，和將所述蒸汽流導 入一個位置供除了燃料生產(chǎn)之外的使用。
[0023] 在一個或多個實施方案中，一個或多個站包括用于將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為蒸汽和固體流 的螺旋鉆。
[0024] 在一個或多個實施方案中，所述方法產(chǎn)生至少一種固體生物炭流用于±壤改良劑 用途。
[00巧]在一個或多個實施方案中，第一站之前有一個或多個用于生物質(zhì)的干燥和/或烘 烤（torrifaction)的站。
[00%] 在一個或多個實施方案中，可再生的化學品自一種或多種蒸汽產(chǎn)物合成。
[0027] 在一個或多個實施方案中，串聯(lián)的第二站內(nèi)的溫度遞增地高于串聯(lián)的第一站內(nèi)的 溫度，和其中串聯(lián)的第=站內(nèi)的溫度遞增地高于第二站內(nèi)的溫度。
[0028] 在前述的實施方案的任一個中，第一站的壓力低于第二站的壓力，和其中第=站 中的壓力低于第二站內(nèi)的壓力。
[0029]在另一方面，在多個熱解站中熱分解生物質(zhì)的系統(tǒng)包括通過獨立地調(diào)節(jié)溫度和/ 或壓力獨立地運行多個螺旋鉆反應器中的每個，其中溫度和壓