階段式生物質(zhì)分餾器的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】階段式生物質(zhì)分溜器
[0001 ]相夫申請(qǐng)
[0002] 本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C. § 119(c)，要求于2013年3月15日提交的，名稱(chēng)為"階段式 螺旋鉆系統(tǒng)"的美國(guó)序列號(hào)61/799446,于2013年9月23日提交的，名稱(chēng)為"熱生物質(zhì)處理 器"的美國(guó)序列號(hào)61/881309,于2013年10月16日提交的，名稱(chēng)為"利用同步平行分饋用 于合成可再生化學(xué)品的系統(tǒng)和方法"的美國(guó)序列號(hào)61/891872的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其內(nèi)容通過(guò)引 用并入。
[0003] 本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C. § 119(c)，要求于2014年3月4日提交的，名稱(chēng)為"階段式 生物質(zhì)分饋器"的美國(guó)序列號(hào)14/196920的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其內(nèi)容通過(guò)引用并入。
[0004]本申請(qǐng)還是于2013年3月12日提交的，名稱(chēng)為"生物質(zhì)反應(yīng)器"的美國(guó)序列號(hào)13/797985的部分繼續(xù)申請(qǐng)，其內(nèi)容通過(guò)引用并入。
技術(shù)領(lǐng)域 陽(yáng)〇化]本發(fā)明的領(lǐng)域大體上設(shè)及可再生燃料的生產(chǎn)，和更特別地設(shè)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(lǐng)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(shù)】
[0006] 上升的能源成本，對(duì)不可再生能源的持續(xù)利用和可用性的擔(dān)憂(yōu)，對(duì)化石資源的使 用對(duì)全球氣候變化的影響的擔(dān)憂(yōu)已經(jīng)成為人類(lèi)面臨的主要技術(shù)問(wèn)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(yùn)些問(wèn)題非常重要的途徑。在工業(yè)革 命開(kāi)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(yùn)個(gè)早期階段，生物質(zhì)簡(jiǎn)單地在露天燃燒W產(chǎn)生熱和光。數(shù)千年前，人類(lèi)發(fā) 現(xiàn)，如果空氣供給在燃燒過(guò)程中受限，可W從燃燒的木材中提取稠密的黑色殘?jiān)ㄎ覀儸F(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(shí)進(jìn)行，運(yùn)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(wú)氧環(huán)境下烘烤可燃物料的過(guò)程現(xiàn) 在稱(chēng)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(chēng)其為生物炭）W及氨氣、 一氧化碳和二氧化碳的混合物，有時(shí)候稱(chēng)為合成氣。在無(wú)氧環(huán)境中烘烤化石燃料控類(lèi)首先 引起更長(zhǎng)鏈的控類(lèi)分解成更短鏈的控類(lèi)，最終導(dǎo)致更基本的形式如甲燒（CH4)，氨氣和元素 碳。事實(shí)上，熱解是石化產(chǎn)品裂解的基本機(jī)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(dāng)經(jīng)歷熱解過(guò)程時(shí)，生物質(zhì)（其由纖維素，半纖維素，木質(zhì)素，淀粉和脂類(lèi) 組成）通過(guò)多步分解進(jìn)行。根據(jù)熱解的條件，產(chǎn)品的組成可變化。通常，當(dāng)經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的高 溫（例如，SO(TC)時(shí)，熱解最終產(chǎn)生合成氣。隨著溫度和暴露時(shí)間間隔下降，留下增加的量 的生物炭殘?jiān)?。在更低的溫度和時(shí)間間隔下，越來(lái)越多的復(fù)雜控類(lèi)和含氧控類(lèi)存在于來(lái)自 熱解的生物質(zhì)的氣流中。運(yùn)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(jiǎn)單的每日烹任通常趕走水并開(kāi)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(kāi)發(fā)了各種形式的實(shí)驗(yàn)室和小規(guī)模商業(yè)化生物質(zhì)熱解器，W通過(guò)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(xué)產(chǎn)品。雖然一些熱解器簡(jiǎn)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(dāng)大的努力，溫和熱解條件通常得到常稱(chēng)為 生物油的濃縮液。已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室水平上開(kāi)發(fā)了許多形式的熱解器W產(chǎn)生運(yùn)些中間體化合 物，其被統(tǒng)稱(chēng)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(jiǎn)單管式爐、其 中木材相對(duì)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?fàn)t設(shè)計(jì)的各種更簡(jiǎn)單的配置。
[0009] 熱解系統(tǒng)的一個(gè)通常類(lèi)別是回轉(zhuǎn)爐/螺旋鉆，其使用軸上的螺紋通過(guò)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)物 料通過(guò)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(wèn)題在于其由數(shù)百至數(shù)千種化合物構(gòu)成，運(yùn)是 由于原料生物質(zhì)整體經(jīng)歷寬范圍的溫度、時(shí)間和壓力分布的結(jié)果。當(dāng)該過(guò)程被最初生物原 料中數(shù)千種主要生物化合物復(fù)雜化時(shí)，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(lái)自該過(guò)程的熱解油通常不是熱動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的。它們含有被有機(jī)酸和堿催化的 活性含氧自由基，使得運(yùn)些油通常在幾天時(shí)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(shù)脂狀物質(zhì)。而且，再蒸發(fā)熱解油的嘗試通常導(dǎo)致額外的化學(xué)反應(yīng)，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(shí)驗(yàn)室規(guī)模試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)相 當(dāng)高的熱解油產(chǎn)率，但是更大的工業(yè)規(guī)模示范項(xiàng)目通常產(chǎn)生低得多的產(chǎn)率。運(yùn)可能是由于 運(yùn)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(shí)間和局部壓力。
[0011] 避免與熱解油相關(guān)的復(fù)雜化的一種方法是在冷凝之前蒸汽的催化改質(zhì)。該過(guò)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(guān)。
[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(jiǎn)沐
[0014] 描述了一種系統(tǒng)和方法，通過(guò)其含碳物料如生物質(zhì)在一個(gè)或多個(gè)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(guò)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(shè)計(jì)W進(jìn)行所述方法的系統(tǒng)包括具有多個(gè)串聯(lián)配置的生物質(zhì)處理站的螺旋鉆系 統(tǒng)，每個(gè)站包括螺旋鉆反應(yīng)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(guò)螺旋鉆反應(yīng)器的傳輸螺桿。
[0016] 在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，新的螺桿設(shè)計(jì)提高螺桿的硬度和促進(jìn)混合。增加的 硬度在熱的熱環(huán)境中具有益處。
[0017] 每個(gè)螺旋鉆反應(yīng)器可進(jìn)一步包括用于驅(qū)動(dòng)傳輸螺桿的發(fā)動(dòng)機(jī)和一個(gè)或多個(gè)用于 熱解蒸汽的饋分的出口和配置用于源自于反應(yīng)器的熱解蒸汽的饋分的相關(guān)系統(tǒng)。
[0018] 在上述系統(tǒng)的一些實(shí)施方案中，每個(gè)螺旋鉆反應(yīng)器進(jìn)一步包括當(dāng)生物質(zhì)和其分解 產(chǎn)物輸送通過(guò)螺旋鉆反應(yīng)器時(shí)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(yīng)器內(nèi)部或周?chē)募訜峋€(xiàn)圈，流經(jīng)螺旋鉆反應(yīng)器的熱傳輸流體， 通過(guò)螺旋鉆反應(yīng)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(lái)源加 熱。在一些實(shí)施方案中，串聯(lián)的第一螺旋鉆反應(yīng)器包括第一類(lèi)熱載體，其中串聯(lián)的另一螺旋 鉆反應(yīng)器包括不同類(lèi)的熱載體。在另外的實(shí)施方案中，串聯(lián)的第一螺旋鉆反應(yīng)器包括在第 二螺旋鉆反應(yīng)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(yīng)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(shí)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(guò)內(nèi)部物料的適當(dāng)相變傳輸至熱轉(zhuǎn)化過(guò)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(shí)施方案為可使用適當(dāng)量的氧化劑或氧化劑和惰性物料進(jìn)行熱解 W促進(jìn)加熱。在該實(shí)施方案中，含碳物料的一部分被氧化從而提供熱W驅(qū)動(dòng)熱解過(guò)程。
[0021] 根據(jù)上述方法和系統(tǒng)的其他實(shí)施方案，螺旋鉆反應(yīng)器中的溫度和壓力為選擇性可 控的。在一個(gè)實(shí)施中，串聯(lián)的第二螺旋鉆反應(yīng)器內(nèi)的溫度遞增地高于串聯(lián)的第一螺旋鉆反 應(yīng)器內(nèi)的溫度，和其中串聯(lián)的第=螺旋鉆反應(yīng)器內(nèi)的溫度遞增地高于第二螺旋鉆反應(yīng)器內(nèi) 的溫度。此外，第二螺旋鉆反應(yīng)器內(nèi)的壓力遞增地高于第一螺旋鉆反應(yīng)器內(nèi)的壓力，和其中 第=螺旋鉆反應(yīng)器內(nèi)的壓力逐步地低于第二螺旋鉆反應(yīng)器內(nèi)的壓力。在一些實(shí)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(guò)改變螺旋鉆螺桿的軸 的直徑或通過(guò)變化螺紋之間的直線(xiàn)距離進(jìn)行固體的物理壓縮而產(chǎn)生。在一些實(shí)施方案中， 每個(gè)螺旋鉆反應(yīng)器的直徑根據(jù)生物質(zhì)和蒸汽在每個(gè)螺旋鉆反應(yīng)器的停留時(shí)間是可調(diào)節(jié)的。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，基于螺旋鉆的旋轉(zhuǎn)速度固體停留時(shí)間可改變。
[0022] 在一方面，在多個(gè)熱解站中熱分解生物質(zhì)的方法包括通過(guò)獨(dú)立地調(diào)節(jié)溫度和/或 壓力獨(dú)立地運(yùn)行多個(gè)熱解站中的每個(gè)，其中溫度和壓力的至少一個(gè)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(gè)熱解站；其中所述多個(gè)熱解站的至 少一個(gè)但不是全部在選擇的條件下運(yùn)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(dǎo)入催化塔用于轉(zhuǎn)化為燃料；其中所述 多個(gè)熱解站中的至少一個(gè)但不是全部在提供第二蒸汽流的條件下運(yùn)行，和將所述第二蒸汽 流導(dǎo)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(gè)熱解站中的最后的站在所選 條件下運(yùn)行W熱解所述進(jìn)入的熱分解產(chǎn)物產(chǎn)生生物炭和相關(guān)的蒸汽流，和將所述蒸汽流導(dǎo) 入一個(gè)位置供除了燃料生產(chǎn)之外的使用。
[0023] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)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(gè)或多個(gè)實(shí)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(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，第一站之前有一個(gè)或多個(gè)用于生物質(zhì)的干燥和/或烘 烤（torrifaction)的站。
[00%] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可再生的化學(xué)品自一種或多種蒸汽產(chǎn)物合成。
[0027] 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)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(shí)施方案的任一個(gè)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(gè)熱解站中熱分解生物質(zhì)的系統(tǒng)包括通過(guò)獨(dú)立地調(diào)節(jié)溫度和/ 或壓力獨(dú)立地運(yùn)行多個(gè)螺旋鉆反應(yīng)器中的每個(gè)，其中溫度和壓