基於液體的生物量到液體反應器的高壓饋送系統的製作方法

2023-04-25 21:29:21 3

基於液體的生物量到液體反應器的高壓饋送系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供了將基於植物的增壓生物量漿料傳遞到反應器容器中的方法。所述方法允許以增壓至大約300psi的漿料傳遞實際尺寸的生物量塊。
【專利說明】基於液體的生物量到液體反應器的高壓饋送系統
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求於2011年7月26遞交的序列號為61/511,952的美國臨時專利申請的權益,該申請的全部內容通過引用合併於本文中。
【技術領域】
[0003]本公開一般涉及將生物量傳遞到反應器容器以生成液化燃料產品的方法。特別地，本公開涉及將增壓的生物量漿料傳遞到高壓、高溫反應器容器以生成能夠被轉換成生物燃料的生物油產品的方法。
【背景技術】
[0004]生物量提供了潛在地可再生的燃料源，補充或替代了石油、煤和天然氣。生物量典型地包括大量的纖維素，通常是通過木素結合在一起。纖維素和木素能夠經由熱化學轉換工藝轉換成生物燃料。
[0005]已知有許多用於將生物量和液體的漿料轉換成液態燃料的工藝。這些工藝可包括熱液熱解，隨後是氫加工，超臨界氣化或液化，隨後是費-託或其它合成，通過酸或鹼催化的高溫水解，隨後是發酵或催化重整，以及溶劑液化，隨後是氫加工。
[0006]在這些工藝當中，溶劑液化是在適當的壓力和溫度下進行的。例如，早期的努力涉及到使氫氣處於高溫下進行氫化作用以將含有木素的生物量轉換成液態燃料。更近期的努力涉及溶劑液化工藝，典型地在高溫(例如，至少20(TC)和高壓(例如，至少200psi)下進行。溶劑液化工藝典型地採用氫供體溶劑以減少生物量的氧含量，這依次會增加生物量的用作可燃性燃料的能量含量。液化生成了液態產品，其通常仍具有超過精煉混合原料所需的規格的氧含量。因此，液態產品通常將經過氫加工的附加步驟以轉換成可用的精煉混合原料產品。
[0007]生物量通常是以各種尺寸被收穫和輸送的。對於在高壓和/或高溫下執行的這些已知工藝中的許多工藝，首先需要減小生物量的物理尺寸。本領域已知的減小生物量尺寸的方法包括刨削、研磨、擊碎、截短和銑削。
[0008]減小生物量尺寸有助於改善質量傳遞或化學反應運動(反應)速度，但是需要重要的設備和能量輸入，這會超出益處。一般地，生物量尺寸規格是當更多尺寸減小的增量成本等於更快反應結果的增量益處使被優化的折衷。然而，在高壓反應的情況下，饋送系統經常是指定所要求的尺寸減小。
[0009]當前，在商業級別上利用常規設備將更多實際尺寸的生物量塊饋送到高壓、高溫反應器容器中是昂貴的且低能效的。螺塞裝置、高壓旋轉饋送器以及旋轉星型饋送器可用於將生物量和液體的漿料饋送到反應器容器中；然而，由於機械密封限制，饋送裝置在工業/商業使用上的限制是大約150-200psi。可以使用諸如擠出器的其它類型的設備，但是這些設備尚未在高吞吐量情況下用於生物量，具有相對高的資本，並且具有相對高的電力需求。儘管鎖定裝料鬥設計在技術上可行，但是它們不支持連續操作，這與批量操作相比給予了按比例放大反應的商業優勢。而且，鎖定裝料鬥設計存在與保持密封件清潔和無反應材料有關的重大問題。還可以使用往復式泵，但是需要具有極精細顆粒尺寸的材料，使得這種類型的設備在商業上將生物量轉換成液態燃料時不具有吸引力。
[0010]本領域所需要的是能量效率高、可靠且連續地將實際尺寸的生物量饋送到高壓、高溫反應器中的商業上可使用的方法。還需要的是能夠改變進入反應器的生物量與液體的比率的商業上可使用的方法。特別地，期望一種將增壓的生物量漿料饋送到高壓、高溫反應器容器中而無需研磨生物量的方法。一旦增壓的生物量漿料饋送到反應器容器中，則生物量能夠被轉換成氣態、液態燃料，和/或可用於生產燃料或化學品的生物油產品。
[0011]發明概述
[0012]本公開通過提供用於將增壓的生物量漿料傳遞到高壓、高溫反應器容器中的方法解決了該需要。本文所公開的方法使得可以由實際尺寸的纖維素或木質纖維生物量塊生產生物油產品。
[0013]在一個示例性實施例中，通過提供基於植物的生物量，基於植物的生物量漿料被傳遞到反應器容器中，其中所述生物量由離散塊構成，其中至少20%的離散塊具有至少大約1/8英寸的最大尺寸；將傳輸流體與生物量組合以形成預反應漿料，其中所述預反應漿料具有流體與生物量第一重量比；將所述預反應漿料增壓至大約300psi以上的壓力；從預反應器容器中的增壓預反應漿料中去除傳輸流體的至少部分以形成具有流體與生物量第二重量比的增壓濃縮漿料，其中流體與生物量第一重量比大於流體與生物量第二重量比；將來自反應器容器的反應流體與增壓濃縮漿料組合以形成增壓反應漿料；以及將增壓反應漿料從預反應器容器傳遞到反應器容器中，其中所述增壓反應漿料被接收到處於大約300psi以上的壓力的反應器容器中。
[0014]在另一示例性實施例中，通過提供基於植物的生物量，將基於植物的生物量漿料傳遞到反應器容器中，其中生物量由離散塊構成，其中至少20%的離散塊具有至少大約1/8英寸的最大尺寸；將傳輸流體與生物量組合以形成預反應漿料，其中所述預反應漿料具有流體與生物量第一重量比；將預反應漿料增壓至大約300psi以上的壓力；從增壓預反應漿料中去除傳輸流體的至少部分以形成具有流體與生物量第二重量比的增壓濃縮漿料，其中第一重量比大於第二重量比；將反應流體與增壓濃縮漿料組合以形成增壓反應漿料；以及將增壓反應漿料傳遞到反應器容器中，其中反應漿料被接收到處於大約300psi以上的壓力的反應器容器中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]能夠結合附圖參考下面的說明，能夠理解本申請，其中相似的部件可由相似的標記指代:
[0016]圖1示出了用於將增壓生物量漿料傳遞到高壓、高溫反應器容器中的示例性過程;
[0017]圖2示出了用於將實際尺寸的木質生物量塊的增壓漿料傳遞到高壓、高溫反應器容器中的兩反應器系統，其中溶劑液化將生物量轉換成生物油產品；以及
[0018]圖3示出了用於將實際尺寸的木質生物量塊的增壓漿料傳遞到高壓、高溫反應器容器中的單反應器系統， 其中超臨界水或其它流體將生物量液化或氣化成合成氣或中間油，並且其中虛線表示可選步驟。
[0019]發明詳述
[0020]下面的說明闡述了多個示例性的構造、過程、參數等。然而，應當理解的是，這些描述不旨在限制本發明的範圍，而是提供作為示例性實施方案的描述。
[0021]下面的說明涉及用於將增壓生物量漿料傳遞到高壓、高溫反應器容器中的方法。該方法能夠處理未經物理預處理(例如，通過研磨或製漿)的生物量塊，並且饋送到反應器容器中的漿料具有至少300psi以上的壓力。
[0022]參考圖1，過程100是描繪了將具有實際尺寸的生物量傳遞到反應器容器中的示例性實施方案，其中生物量轉換成能夠用於生產生物燃料的生物油產品。在步驟102中，未經分類的木屑與大量的富含碳氫化合物的傳輸流體組合以形成預反應漿料。該預反應漿料具有高的流體與生物量比，流體顯著地多於生物量，以允許漿料通過增壓泵，如步驟104中所描繪的。在該步驟中，泵將該預反應漿料增壓至高壓，該高壓對應於反應器容器內的壓力。在步驟106中，隨後將該增壓後的預反應漿料傳遞到預反應器容器中。在步驟108中，從增壓的預反應漿料中去除一些傳輸流體，降低該增壓的預反應漿料的流體與生物量比。
[0023]步驟108通過提供熱分解而有助於系統的效率。由於運送相對大的木屑通過增壓泵需要高的流體與生物量比，所以需要非常大量的能量來將該漿料加熱至反應器容器中所需的高溫。通過從預反應漿料中去除一些傳輸流體，需要較少的能量來加熱傳遞到反應器容器中的漿料。
[0024]為了將增壓預反 應漿料的溫度升高至反應器容器內的高的反應溫度，在步驟110中，預反應器容器內的增壓濃縮漿料與來自反應器容器的被加熱至高的反應溫度的反應流體組合，以形成增壓反應漿料。在步驟112中，增壓反應漿料被傳遞到反應器容器中。在步驟114中，反應漿料經過高壓、高溫反應而生成生物油產品。
[0025]然而，值得注意的是，在過程100中可以省略或添加一個或多個步驟。例如，在本文所描述的過程的其它實施方案中，可以省略涉及到將增壓預反應漿料傳遞到預反應器容器中的步驟106。增壓預反應漿料可以直接傳遞到反應器容器。在本文所描述的過程的其它實施方案中，附加的步驟可包括添加管道以調節所傳遞的漿料的液體與生物量比。
[0026]如本文所使用的，術語「大約」是指所陳述的值在可接受範圍內的近似。優選地，該範圍為所陳述值的+/-10%。
[0027]基於植物的生物暈
[0028]a)類型
[0029]在步驟102中使用的生物量可以為任何基於植物的材料。生物量典型地由氧含量相對高的有機化合物構成，諸如碳水化合物，並且還可以包含各種各樣的其它有機化合物。在一個實施方案中，基於植物的生物量由木素和/或纖維素構成。基於植物的生物量可包含乾重基礎上的至少大約10%的木素。可選地，基於植物的生物量可包含半纖維素、植物油(例如，萜)等等。
[0030]本領域技術人員將理解可以使用不同類型的基於植物的生物量。例如，可以使用木材或木材副產品，以及諸如柳枝稷、麥杆、玉米秸杆、甘蔗渣等來源。木材殘渣可以單獨地或者與其它生物量原料相結合使用。木質原料趨於有高的木素含量。諸如柳枝稷、草坪修剪物或乾草的草類原料可以單獨地或者與其它生物量原料相結合使用。草類原料趨於含有大量的纖維素和較低的木素比。還可以使用諸如來自木漿產品的固體殘渣的部分經處理的原料。還應當理解的是，可以使用本文所描述的不同類型的生物量的混合物。
[0031]b)尺寸
[0032]在步驟102中使用的生物量由離散塊構成。生物量典型地由具有不規則形狀的離散塊構成，但是本文所使用的生物量還可以具有規則的形狀。
[0033]當前，現有的用於將增壓的纖維生物量漿料傳遞到高壓反應器容器中的方法要求通過機械方法將生物量粉碎以提供更精細的顆粒。在本領域已知的這些現有方法中，甚至原料中存在幾塊相對大的生物量塊都會導致傳遞問題。本文所描述的方法解決了該局限性。
[0034]本文所描述的方法允許將包含實際尺寸的生物量塊的增壓漿料傳遞到反應器容器中。在一個實施方案中，至少20%的生物量離散塊具有至少大約1/8英寸的最大尺寸。在另外的實施方案中，至少50%的生物量離散塊具有至少大約1/8英寸的最大尺寸。在其它的實施方案中，至少75%的生物量離散塊具有至少大約1/8英寸的最大尺寸。在其它的實施方案中，至少90%的生物量離散塊具有至少大約1/8英寸的最大尺寸。
[0035]在另一實施方案中，至少20%的生物量離散塊具有至少大約3/8英寸的最大尺寸。在另外的實施方案中，至少50%的生物量離散塊具有至少大約3/8英寸的最大尺寸。在另外的實施方案中，至少75%的生物量離散塊具有至少大約3/8英寸的最大尺寸。在其它的實施方案中，至少90%的生物量離散塊具有至少大約3/8英寸的最大尺寸。
[0036]在另一實施方案中，至少20%的生物量離散塊具有至少大約I英寸的最大尺寸。在另外的實施方案中，至少50%的生物量離散塊具有至少大約I英寸的最大尺寸。在另外的實施方案中，至少75%的生物量離散塊具有至少大約I英寸`的最大尺寸。在其它的實施方案中，至少90%的生物量離散塊具有至少大約I英寸的最大尺寸。
[0037]然而，應當理解的是，仍可通過切削、研磨、撕碎、割斷和碾磨將在本文所描述的方法中使用的一些離散生物量塊粉碎成較小的塊。
[0038]傳輸流體
[0039]a)類型
[0040]在步驟102中使用的傳輸流體可以為用於形成能夠被泵送和傳輸而通過系統的生物量漿料的任何類型的流體。典型地，基於傳輸流體的用於在處理條件下轉換生物量的屬性來選擇傳輸流體。適當的傳輸流體包括例如水、極性溶劑、非極性溶劑、其它碳氫化合物以及從生物量漿料的轉換得到的再循環流體。在一些應用中，還可以使用在反應器條件超臨界的流體。
[0041]在一些實施方案中，傳輸流體可以包括水、輕循環油、再循環生物油、稀酸、烯基或其任意組合。在一個實施方案中，傳輸流體為水。在另一實施方案中，傳輸流體為輕循環油、再循環生物油或其組合。在一個實施方案中，輕循環油是輕催化裂化餾出物。在另一實施方案中，再循環生物油是來自生物量的溶劑液化的產物。在一些實施方案中，傳輸流體是稀酸或烯基。在一個實施方案中，稀酸是硫酸或醋酸。在另一實施方案中，烯基是氫氧化鈉或氨。在又一實施方案中，傳輸流體是反應條件下的超臨界流體。
[0042]b)儲存
[0043]傳輸流體被保存在緩衝罐中，緩衝罐饋給泵，泵對漿料進行增壓。儲存在緩衝罐中的傳輸流體的最大溫度可取決於增壓泵所能夠處理的最大溫度。例如，如果泵僅能夠處理100°C的最大溫度，則儲存在緩衝罐中的與生物量組合的傳輸流體將具有100°C的最大溫度。
[0044]預反應眾料
[0045]如步驟102中所描繪的，當生物量與傳輸流體組合時，形成預反應漿料。該預反應漿料具有流體與生物量第一重量比。「流體與生物量」比率是測量單位，其表示在包含固體和液體的漿料中固體的相對量。如本文所使用的，該流體與生物量比率是所傳遞的傳輸流體的重量與所傳遞的生物量原料的重量之比。然而，應當理解的是，在本文所描述的方法中使用的生物量的流體與生物量比率可表達為流體與生物量的體積比，即，所傳遞的傳輸流體的體積與所傳遞的生物量原料的體積之比。
[0046]本領域技術人員將理解的是，傳遞到高壓、高溫反應器容器中的漿料的流體與生物量比率將影響系統的總體效率。需要具有高的流體與生物量比率的漿料以使漿料通過增壓泵從而避免泵堵塞。然而，與具有較低流體與生物量比率的漿料相比，，具有高的流體與生物量比率的漿料需要更多能量以將每單位生物量輸入加熱至高反應溫度。
[0047]因此，當傳遞通過泵以對漿料進行增壓時，步驟104採用具有高的流體與生物量比率的漿料。在一個實施方案中，預反應漿料的流體與生物量的重量比(即，第一重量比)為至少8份流體比1份生物量。在另一實施方案中，預反應漿料的流體與生物量的重量比為至少7份流體比1份生物量。在又一實施方案中，預反應漿料的流體與生物量的重量比為至少6份流體比1份生物量。在又一實施方案中，預反應漿料的流體與生物量的重量比至少6.5份流體比1份生物量。在又一實施方案中，預反應漿料的流體與生物量的重量比為至少6份流體比1份生物量。在又一實施方案中，預反應漿料的流體與生物量的重量比為至少5.5份流體比1份生物量。
[0048]為提高過程100的總效率，一旦漿料被增壓，在步驟108中減小流體與生物量比。該增壓濃縮漿料可以更高能效的方式被加熱至高反應溫度。在一個實施方案中，增壓濃縮漿料的流體與生物量的重量比(即，第二重量比)在大約1.5-5份流體比1份生物量之間。在又一實施方案中，增壓濃縮漿料的流體與生物量的重量比小於5份流體比1份生物量。在又一實施方案中，增壓濃縮漿料的流體與生物量的重量比小於4份流體比1份生物量。在又一實施方案中，增壓濃縮漿料的流體與生物量的重量比小於3份流體比1份生物量。在又一實施方案中，增壓濃縮漿料的流體與生物量的重量比小於2.5份流體比1份生物量。在又一實施方案中，增壓濃縮漿料的流體與生物量的重量比小於2份流體比1份生物量。
[0049]去除的流體可以在過程100中再循環，並且返回到緩衝罐。在一些實施方案中，去除的流體具有高溫和高壓。在一些實施方案中，去除的流體具有大約100-200°C之間的溫度，以及大約600psi的壓力。在再次進入緩衝罐之前，經由換熱器除熱，並且經由減壓閥來減壓。流體返回到處於大氣壓的緩衝罐。在一些實施方案中，返回到緩衝罐的流體具有大約100°C的溫度。
[0050]增壓泵
[0051]在步驟104中可以使用本領域已知的移動原料漿料的任何泵。在一些實施方案中，使用開式葉輪泵。其它適合的增壓泵包括例如螺杆泵、羅茨泵、正弦轉子泵、柔性葉輪泵以及柔性罐(蠕動)泵。[0052]在步驟104中可以使用任意數量和任意布置的泵。泵的數量和布置取決於反應器容器內所需要達到的壓力。例如，如果使用開式葉輪泵，則本領域技術人員將理解到，每個開式葉輪泵將漿料的壓力增加了大約50-100psi。隨著增壓漿料通過每個後繼的泵或泵階段而到達該系列中的下一個，漿料的壓力增量地增加。因此，在本文所描述的方法中所採用的開式葉輪泵的數量取決於所選擇的反應壓力。通過實施例的方式，如果反應器容器內的最終壓力為大約300psi，則利用串聯布置中的3-6個開式葉輪泵將漿料被增壓至大約300psi。另一方面，如果使用螺杆泵或蠕動泵，則一個泵能夠用於達到所期望的高壓(例如，大約 3200psi)。
[0053]在一些實施方案中，預反應漿料可被增壓至300psi和大約4000psi之間的壓力。在其它實施方案中，預反應漿料可被增壓至300psi和大約3200psi之間的壓力。在其它實施方案中，預反應漿料可被增壓至300psi和大約1500psi之間的壓力。在其它實施方案中，預反應漿料被增壓至1500psi和大約3200psi之間的壓力。在其它實施方案中，預反應眾料被增壓至大約300psi和大約700psi之間的壓力。在另一實施方案中，預反應眾料可被增壓至300psi和大約600psi之間的壓力。在又一實施方案中，預反應眾料可被增壓至450psi和大約600psi之間的壓力。
[0054]一旦預反應漿料被增壓，漿料在過程100的其餘步驟中保持增壓。然而，應當理解的是，可能存在與漿料到反應器的運動有關的壓降。在一些實施方案中，反應漿料被接收到處於300psi和1600psi之間的壓力的反應器容器中。在其它實施方案中，反應漿料被接收到處於300psi和700psi之間的壓力的反應器容器中。在其它的實施方案中，在400psi和600psi之間的壓力下接收反應漿料。
[0055]預反應器容器
[0056]在步驟106中預反應器容器能夠處理至少與反應器容器相同的壓力，如果不是更高的壓力。在一些實施方案中，使用豎直的栓塞流容器。其它適合的構造將漿料從預反應器的輸入傳輸到輸出，並且 還將保持進入流體的溫度與更高的出口溫度分離。
[0057]預反應器容器給予了本文所描述的方法多方面優點。其中一個這樣的優點是，預反應器容器為系統提供了熱分解，這提高了系統的熱能效。如上文所討論的，通過允許傳輸流體的部分返回到處於與反應溫度相比較低溫度的緩衝罐，將木屑漿料加熱至反應溫度整體地使用較少的能量。
[0058]預反應器容器內的增壓預反應漿料可具有大約100°C和200°C之間的溫度。預反應器容器內的增壓預反應漿料可具有300psi和大約700psi之間的壓力。在另一實施方案中，預反應器容器內的增壓預反應漿料可具有300psi和大約600psi之間的壓力。在又一實施方案中，預反應器容器內的增壓預反應漿料可具有450psi和大約600psi之間的壓力。
[0059]然而，在一些實施方案中，本文所描述的過程不包括預反應器容器。相反，可以採用分離器以在漿料相對較冷的同時從增壓漿料中去除過量的液體，隨後在傳遞到反應器容器中之前更高溫度的反應流體能夠被添加到增壓濃縮漿料中。通過重力和/或壓力差來去除過量的液體。還可以將分離器傾斜以增強液體益處。本領域技術人員將認識到，可以採用適用於分離器的構造。例如，分離器可以為具有側開口的管，側開口包含篩網。分離器還可以為管內的整體式篩網，其在篩網和管之間形成環形區域。分離器還可以被構造為避免篩網的堵塞。分離器的使用為系統提供了熱分解，這提高了系統的熱能效。[0060]反應器容器
[0061]步驟114中的反應器容器可以為適合於能夠將基於植物的生物量轉換成生物油產品的過程的任何反應器容器，可用於本文所描述的方法中。在一些實施方案中，使用豎直的降流移動床管狀反應器。氣體適合類型的反應器類型可包括例如升流移動床、連續攪拌式反應器以及沸騰床反應器。
[0062]反應器容器包括至少適合於本文所描述的壓力和溫度的反應容器。應當理解的是，壓力和溫度可取決於容器內的反應的類型。典型地，反應器容器將適合於大約200psi和4000psi之間的工作壓力，以及適合於高達大約400°C至600°C的工作溫度。在一些實施方案中，反應器容器適合於300psi和1500psi之間的工作壓力，以及高達大約450°C至500°C的工作溫度。在其它實施方案中，反應器容器適合於300psi和800psi之間的工作壓力，以及高達大約420°C的工作溫度。
[0063]另外地，反應器容器可任選地包括位於反應容器上或反應容器中以允許添加反應流體(例如，溶劑)到反應容器中的入口，以及從反應容器中去除產物的至少一個出口。還可選地包括溶劑輸送子系統。 還包括加熱子系統。本領域技術人員將理解，可通過本領域已知的任意方法來加熱反應器容器。例如，加熱子系統可包括再循環環和/或換熱器。
[0064]反應器容器可被構造以用於流通操作，從而允許通過頂部移除來排出氣態產物和蒸汽，並且來自反應過程的液體和固體(漿料)向下流動。蒸餾塔能夠用於將反應器產物連續地分離成所需的小部分，包括在需要時用作再循環蒸汽的適合沸騰範圍的一小部分。
[0065]可選地，反應器容器還可以包括從粗製反應產物中去除不可溶原料的過濾器或其它物理分離子系統，以及能夠分離經過濾的原料的部分以提供包括生物油產品的小部分的再循環蒸汽的熱或化學分離子系統。
[0066]還可以設置廢物處理子系統以從反應中去除廢棄的固體或氣體。反應器容器能夠任選地進一步包括捕獲生物油流出物的子系統。可選地，同樣，系統可以包括用於收集在反應過程中生成的氣體的出口。這些通過過濾從粗製產品中去除的氣體和/或固體或作為未經轉換的生物量的任何殘留物，能夠被捕獲以及使用(例如，燃燒)以為反應過程提供熱。還能夠包括另外的處理子系統，諸如氫加工系統或附加的提取、整流、吸收或過濾系統。
_7] 反應漿料
[0068]如在步驟110中所描述的，當增壓預反應漿料與來自反應器容器的反應流體組合時，形成了增壓反應漿料。反應器容器內的反應漿料可以具有大約400°C至600°C之間的溫度。在其它實施方案中，反應器容器內的反應漿料可具有大約450°C至500°C之間的溫度。在其它的實施方案中，反應器容器內的反應漿料可具有大約420°C之間的溫度。
[0069]反應器容器內的反應漿料可具有大約200psi和4000psi之間的壓力。在其它實施方案中，反應器容器內的反應漿料可具有大約300psi和3200psi之間的壓力。在另外的實施方案中，反應器容器內的反應漿料可具有大約300psi和1500psi之間的壓力。在另外的實施方案中，反應器容器內的反應漿料可具有大約300psi和700psi之間的壓力。在另外的實施方案中，反應器容器內的反應漿料可具有大約450psi和600psi之間的壓力。
[0070]反應器容器內的反應
[0071]在步驟114中在反應器容器內發生的反應可包括適合於將生物量轉換成生物燃料的生物油產品的任何反應。如上所述，這可包括例如:水熱解，隨後是氫加工；氣化，隨後是費-託合成；水解，隨後是發酵；以及溶劑液化，隨後是氫加工。
[0072]過程100尤其適合於高壓、高溫反應，諸如液化。反應器容器內的其它適合的反應可包括例如熱水高溫分解、超臨界氣化或液化以及高溫水解。本領域技術人員將理解到用於這些不同類型反應的適合的條件(例如，溫度、壓力、溶劑系統)。
[0073]在一些實施方案中，在處於至少300psi的壓力以及至少250°C的溫度的反應器容器內發生液化。在其它實施方案中，反應器容器內的壓力在大約200psi和1500psi之間，並且溫度在大約300°C至500°C之間。在另外的實施方案中，反應器容器內的壓力在300psi和800psi之間，並且溫度達到400°C至450°C之間。在一些實施方案中，超臨界水氣化發生在處於至少3200psi的壓力的反應器容器內。在其它實施方案中，超臨界流體液化發生在處於200和4000psi的壓力的反應器容器內。在其他實施方案中，在處於200psi至400psi之間的壓力的反應器容器內發生水解。
[0074]在步驟110中用於形成反應漿料的以及在步驟114中用於生成生物油產品或生物燃料的反應流體可以為提供生物量的成分的適當增溶以促進反應器容器內的反應並且有助於使得副反應最小化的任何溶劑或溶劑混合物。根據容器內的反應，適合的反應流體可包括例如水(包括超臨界水)、稀酸或烯基。在一些實施方案中，流體與傳輸流體 相同。
[0075]在反應器容器內的反應為液化的一些實施方案中，反應流體可以為提供生物量的成分的適當增溶以促進液化並且有助於使得副反應最小化的任何溶劑或溶劑混合物。典型地，期望的是反應流體還提供生物油產品與碳氫化合物或石油煉廠流的可混性，允許在石油煉廠中對產品進行共同處理。
[0076]對於液化，反應流體可以為典型地包括氫供體溶劑的溶劑或溶劑混合物。氫供體溶劑能夠輸送氫以降低生物量原料的氧化水平和氧含量。降低氧化水平提高了產品的能量密度，使得更適合通過燃燒或其它相似方法而用作燃料。
[0077]在過程100中使用的反應流體典型地具有高溫。本領域已知的任何方法可用於升高反應流體溫度。例如，可以使用換熱器。在一些實施方案中，反應流體具有250°C至800°C之間的溫度。在其它實施方案中，反應流體具有在400°C至600°C之間的溫度。在另外的實施方案中，反應流體具有450°C至500°C之間的溫度。在一些實施方案中，反應流體具有大約420°C的溫度。
[0078]實施例1
[0079]在兩容器系統中由木屑生成生物油
[0080]在圖1所描繪的過程的具體實現中，木屑轉換成生物油。在圖2中描繪了用於將木屑漿料傳遞到高壓、高溫反應器容器的兩容器系統的部件。
[0081]形成預反應漿料
[0082]首先，基於植物的生物量的實際尺寸的塊與傳輸流體組合以形成預反應漿料。參考圖2，木屑200以大約100公噸/小時被饋送到系統中。同時，傳輸流體202還以800公噸/小時被饋送到系統中。傳輸流體202是輕循環油和生物油的混合物。木屑流和傳輸流體流組合以形成預反應漿料204。該預反應漿料具有大約8重量份流體比I重量份生物量。該8比I的比率允許預反應漿料流過開式葉輪泵206，而不會堵塞泵。
[0083]木屑200具有大約12-20%的水分含量。木屑200具有不同的尺寸和不規則的形狀。在任何給定尺寸中一些木屑塊可如6英寸寬那樣大，但是大部分塊大約1-4英寸寬。木屑料倉232中木屑塊中的大約20%以上至少為1/8英寸寬。在木屑200與輕循環油202組合以形成漿料時，屑泵234調節離開料倉的木屑200的流動。
[0084]傳輸流體中的輕循環油是攜載木屑通過泵增壓且進入預反應器容器中的極芳香精煉流。傳輸流體202被存儲在處於大約90-100°C的緩衝罐230中，並且典型地不超過大約100°C的最大溫度。當與木屑200組合而形成預反應漿料204時，傳輸流體202具有大約90-100°C的溫度。
[0085]增壓並傳遞預反應漿料
[0086]在形成預反應漿料之後，預反應漿料被增壓到高壓。參考圖2，預反應漿料204以每小時大約100公噸的生物量和800噸的流體流過一系列五個開式葉輪泵206，開式葉輪泵206將漿料增壓至大約600psi。經增壓的木屑漿料在傳遞到反應器容器220中之前被傳遞預反應器容器210、中間容器(即，預反應器容器)。 [0087]儘管在圖2中預反應漿料被增壓至大約600psi，但是漿料可被增壓至大約300psi以上的任意壓力。所選的壓力可取決於在反應器容器內發生的液化過程所需的壓力。所選的壓力是促進生物量的至少部分的液化的壓力。促進液化的壓力可依次取決於液化過程的溶劑系統。
[0088]將增壓的預反應漿料傳遞到反應器容器
[0089]從漿料中去除一些傳輸流體以在預反應器容器中形成增壓濃縮漿料。參考圖2，預反應器容器210是具有頂部分離器212且在底部具有衝刷區段214的浸潰容器。在頂部分離器212中從預反應漿料208中去除一些傳輸流體，在預反應器容器內留下具有2重量份流體比I重量份生物量的增壓漿料216。漿料216與漿料208相比具有較低的流體與生物量比率以減少流入預反應器容器中的液體體積。該較低的流體與生物量比率的增壓濃縮漿料為系統提供了熱分解，並且使能將傳輸流體的部分再循環。液體226通過返回到緩衝罐230中進行再循環。離開預反應器容器210的液體226具有大約100-200°C之間的溫度以及大約600psi的壓力。在重新進入緩衝罐230之前，換熱器228降低了液體226的溫度，同時減壓閥240減輕液體226的壓力。液體226返回到處於大氣壓下的緩衝罐230並且具有大約100°C的最高溫度。
[0090]儘管圖2中的液體226返回到處於大約100°C的最高溫度的緩衝罐，但是緩衝罐中的傳輸流體的最高溫度可以變化，這取決於用於對預反應漿料進行增壓的泵所能處理的最高溫度。應當理解的是，傳輸流體不必然地需要以本文所描述的方法再循環。在一些實施方案中，單獨的系統能夠用於將恆定的傳輸流體源供給到緩衝罐中。然而，傳輸流體的再循環使得本文所描述的方法更具有成本效益。
[0091]同時，位於預反應器210底部的衝刷區段214從反應器容器220的頂部分離器222以200公噸/小時的速率接收穩定的液化流體流224。閉式葉輪泵238將穩定的液化流體流從反應器容器抽吸到預反應器容器中。儘管在該實施例中使用閉式葉輪離心泵，但是應當理解的是，能夠利用本領域公知的任意類型、數量和布置的泵來傳遞反應流體以使流體以所要求的壓力和流運動，包括例如旋轉式、螺旋式泵、齒輪泵、開式葉輪離心泵和噴射器-射流泵。
[0092]從反應器容器流入預反應器容器的液化流體224具有大約380°C的溫度。換熱器234將反應器容器220內的液化流體加熱。然而，應當理解的是，通過預反應器容器所接收到的反應流體的溫度取決於反應器容器內的反應溫度。例如，如果反應溫度為大約300°C，從反應器容器傳遞到預反應器容器的反應流體具有大約300°C的溫度。
[0093]傳遞到預反應器容器底部的液化流體224與預反應器容器內的漿料組合以形成增壓反應漿料218。然後，將增壓反應漿料傳遞到反應器容器中。反應器容器220以大約600psi的壓力接收增壓反應漿料218。應當理解的是，傳遞反應漿料的壓力取決於反應器容器內的反應壓力。例如，如果反應壓力是680psi，則反應漿料可以大約680psi進行傳遞。
[0094]實施例2
[0095]單容器系統中的合成氣體的生成
[0096]利用單反應器系統，通過超臨界水氣化將生物量轉換成H2、C0、C02、CH4和其它次要成分的合成氣體。在圖3中描繪了用於將生物量漿料傳遞到高壓、高溫反應器容器中的單反應器系統的部件。圖3中所描繪的單反應器系統還可利用適當的稀酸或烯基作為傳輸流體用於生成生物油、或由碳水化合物的單體、二聚體或低聚物組成的水解產物。此外，應當理解的是，圖3所描述的系統適合於上文所討論的任何轉換技術。
[0097]在該實施例中，基於植物的生物量的實際尺寸的塊與傳輸流體組合以形成預反應漿料。參考圖3，生物量300以大約100公噸/小時被饋送系統中。同時，水302也以大約800公噸/小時被饋送到系統。生物量流和水流組合以形成預反應漿料304。該預反應漿料具有大約8重量份的流體比I重量份的生物量。該8比I的比率允許預反應漿料流過漸進腔式泵306，而不堵塞個。可以使用本領域公知的其它泵，諸如實現高壓的蠕動泵或一系列開式葉輪泵。
[0098]生物量原料300由具有不同尺寸和不規則形狀的塊構成。在任何給定尺寸中一些木屑塊可如1/4英寸寬那樣大，但是大部分塊為大約I英寸寬。木屑料倉332中的木屑塊中的大約20%以上為至少1/8英寸寬。在生物量與水302組合以形成漿料時，木屑計量器334調節離開料倉的生物量300的流動。
`[0099]水302被儲存在大約90-100°C的緩衝罐330中，並且典型地不超過大約100°C的
最高溫度。
[0100]預反應漿料304被增壓通過漸進腔泵306而達到3200psi。液體326在分離器312中從增壓預反應漿料308中去除，並且再循環到緩衝罐330。在重新進入緩衝罐330之前，換熱器336降低液體326的溫度，隨後是減壓閥338。液體326返回到處於大氣壓的緩衝罐330並且具有大約100°C的最高溫度。
[0101]增壓預反應漿料308具有大約200°C的溫度。增壓預反應漿料308在分離器312中濃縮以形成具有大約2份液體比1份生物量的增壓濃縮漿料314。在傳遞到反應器容器318中之前，增壓濃縮漿料314與熱的反應流體328接觸，這形成了增壓稀釋漿料316。循環泵320將反應流體340從反應器318中吸出並且發送反應流體340通過換熱器322以生成熱的反應流體328。增壓稀釋漿料316具有460°C的溫度，並且在進入反應器318之前具有至少3重量份的液體比I重量份的生物量。然後，增壓稀釋漿料316被傳遞到反應器容器318，在反應器容器318中在460°C和3200psi下發生超臨界水氣化。
[0102]在該實施例中，與實施例1的系統相比，系統能夠處理更快範圍的液體與生物量比率。在一些情況下，反應器中的液體與生物量比率可以高於5重量份的液體比I重量份的生物量。如圖3所描繪的，管道324可任選地添加到系統中以生成具有大於8重量份的液體比I重量份的生物量的比率的漿料。分離器312和反應器318的壓力為3200psi。用於超臨界水氣化的高壓能夠適應如圖3所示的系統，因為分離器312不具有移動零件(或密封件)，並且濃縮漿料經由重力和壓力差而移動。
[0103] 與圖2所示的過程和系統相比，圖3中所描繪的過程和系統還能夠在反應器318中實現較低的流體與固體比率。在該實施例中，過程和系統可實現2.5重量份的液體比I重量份的生物量的比率，這將在生物量水解的情況下提供水解產物中更濃縮(較高的滴定度)的糖 。
【權利要求】
1.用於將基於植物的生物量漿料傳遞到反應器容器中的方法，所述方法包括: 提供基於植物的生物量，其中所述生物量由離散塊構成，其中所述離散塊中的至少20%具有至少大約1/8英寸的最大尺寸； 將傳輸流體與所述生物量組合以形成預反應漿料，其中所述預反應漿料具有流體與生物量第一重量比； 將所述預反應漿料增大至大約300psi以上的壓力； 從預反應器容器中的增壓預反應漿料中去除所述傳輸流體的至少部分以形成具有流體與生物量第二重量比的增壓濃縮漿料，其中所述流體與生物量第一重量比大於所述流體與生物量第二重量比； 將來自反應器容器的反應流體與所述增壓濃縮漿料組合以形成增壓反應漿料；以及 將所述增壓反應漿料從所述預反應器容器傳遞到所述反應器容器中，其中所述增壓反應漿料被接收到處於大約300psi以上的壓力的所述反應器容器中。
2.如權利要求1所述的方法，還包括在所述反應器容器中生成包括液態生物油產品的反應產物，其中所述反應器容器中的溫度為至少大約250°C，並且所述反應器容器中的壓力為至少300psi。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中所述生物量包括纖維素、半纖維素、木素或它們的組合。
4.如權利要求1至3中任一項所述的方法，其中，在所述傳輸流體與所述生物量結合而形成預反應漿料的過程中，所述傳輸流體具有大約100°C的最高溫度。
5.如權利要求1至4中任一項所述的方法，其中，去除的流體具有大約100°C至200°C之間的溫度。
6.如權利要求1至5中任一項所述的方法，其中，所述增壓預反應漿料在所述預反應器容器中具有大約100°C至200°C之間的溫度。
7.如權利要求1至6中任一項所述的方法，其中，所述增壓反應漿料被接收到處於250°C至800°C之間的溫度的所述反應器容器中。
8.如權利要求1至7中任一項所述的方法，其中，所述預反應漿料被增壓到大約300psi和大約700psi之間的壓力。
9.如權利要求1至8中任一項所述的方法，其中，利用串聯布置的兩個以上的所述預反應漿料開式葉輪泵對所述預反應漿料進行增壓。
10.如權利要求1至9中任一項所述的方法，其中，傳輸流體包括輕循環油、生物油或其任意組合。
11.如權利要求1至10中任一項所述的方法，其中，所述反應流體選自由水、稀酸、稀基、乙醇以及其任意組合構成的組。
12.如權利要求1至11中任一項所述的方法，其中，所述反應流體具有在大約250°C至800°C之間的溫度。
13.如權利要求1至12中任一項所述的方法，其中，至少50%的所述離散塊具有至少大約1/8英寸的最大尺寸。
14.如權利要求1至13中任一項所述的方法，其中，第一重量比為至少7份流體比1份生物量。
15.如權利要求1至14中任一項所述的方法，其中，第二重量比小於5份流體比1份生物量。
16.用於將基於植物的生物量漿料傳遞到反應器容器中的方法，所述方法包括: 提供基於植物的生物量，其中所述生物量由離散塊構成，其中至少20%的所述離散塊具有至少大約1/8英寸的最大尺寸。 將傳輸流體與所述生物量組合以形成預反應漿料，其中所述預反應漿料具有流體與生物量第一重量比； 將所述預反應漿料增壓至大約300psi以上的壓力； 從增壓的預反應漿料中去除所述傳輸流體的至少部分以形成具有流體與生物量第二重量比的增壓濃縮漿料，其中第一重量比大於第二重量比； 將反應流體與所述增壓濃縮漿料組合以形成增壓反應漿料；以及將所述增壓反應漿料傳遞到反應器容器中，其中所述反應漿料被接收到處於大約300psi以上的壓力的所述反應器容器中。
17.如權利要求16所述的方法，還包括在所述反應器容器中生成包括液態生物油或生物氣體產品的反應產物，其中所述反應器容器中的溫度為至少大約250°C，並且所述反應器容器中的壓力為至少300psi。
18.如權利要求16或17所述的方法，其中從所述增壓預反應漿料中去除所述傳輸流體的至少部分採用分離器。
19.如權利要求16至18中任一項所述的方法，其中所述生物量包括纖維素、半纖維素、木素或它們的組合物。
20.如權利要求16至19中任一項所述的方法，其中所述傳輸流體具有大約100°C的最大溫度。
21.如權利要求16至20中任一項所述的方法，其中去除的流體具有大約100°C至200°C之間的溫度。
22.如權利要求16至21中任一項所述的方法，其中所述反應流體具有250°C至800°C之間的溫度。
23.如權利要求16至22中任一項所述的方法，其中所述增壓預反應漿料具有大約100°C至200°C之間的溫度。
24.如權利要求16至23中任一項所述的方法，其中所述增壓反應漿料被接收到處於250°C至800°C之間的溫度的所述反應器容器中。
25.如權利要求16至24中任一項所述的方法，其中所述預反應漿料被增壓至大約300psi和大約3200psi之間的壓力。
26.如權利要求16至25中任一項所述的方法，其中利用一個或多個泵對所述預反應漿料進行增壓。
27.如權利要求26所述的方法，其中所述一個或多個泵是開式葉輪泵。
28.如權利要求26或27所述的方法，其中所述一個或多個泵是串聯排布的兩個以上的慄。
29.如權利要求16至28中任一項所述的方法，其中所述傳輸流體選自由水、稀酸、稀基、乙醇以及其任意組合構成的組。
30.如權利要求16至29中任一項所述的方法，其中至少50%的所述離散塊具有至少大約1/8英寸的最大尺寸。
31.如權利要求16至30中任一項所述的方法，其中所述第一重量比為至少7份流體比1份生物量。
32.如權利要求16至31中任一項所述的方法，其中所述第二重量比為小於5份流體比1份生物量。
33.如權利要求32所述的方法，其中所述第二重量比在大約1.5-5份流體比1份生物量之間。
34.如權利要求16至33中任一項所述的方法，其中從所述增壓預反應漿料中去除所述傳輸流體的至少部分是在預反應器容器中進行的。
35.如權利要求34所述的方法，其中所述增壓預反應漿料被接收到處於300psi以上的壓力的所 述預反應器容器中。
【文檔編號】C10G3/00GK103717712SQ201280036858
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年7月16日 優先權日:2011年7月26日
【發明者】B·萊維, A·庫特哈德, D·伊尤赫斯, K·D·羅巴格, P·斯賓德勒 申請人:凱奇萊特能源有限公司