包括气体辅助的改良生物质进料系统 |
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申请号 | CN201380050085.8 | 申请日 | 2013-07-03 | 公开(公告)号 | CN104662132A | 公开(公告)日 | 2015-05-27 |
申请人 | 科伊奥股份有限公司; | 发明人 | 爱德华·J·史密斯; | ||||
摘要 | 本 申请 公开了一种改良的 生物 质 进料系统和用于将生物质输送至下游加工部位的方法。所述系统使用加压气体来帮助将生物质输送至转化反应器。 | ||||||
权利要求 | 1.制备生物油的方法,所述方法包括: |
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说明书全文 | 包括气体辅助的改良生物质进料系统发明领域 [0001] 本发明通常涉及生物质转化成有用的中间产品和/或最终产品。更具体地,本发明涉及用于将生物质输送至转化反应器的改良的生物质进料系统和方法。 背景技术[0003] 生物质作为可再生燃料研究中的理想原料以其低成本和广泛的可获性而越来越受到重视。因此,已经开发了许多不同的转化方法,其中使用生物质作为原料来制备有用的生物燃料和特定的化学制品。可由生物质生成的一种有用产品为通常被称为“生物油”的液态产品。 [0004] 对这些不同的转化方法的共同需求是将生物质原料递送到转化反应器。常规的生物质进料系统通常是机械性不可靠的并且不能将生物质很好地分布在转化反应器内。因此,需要改良的生物质进料系统,其更有效且可靠地向转化反应器提供生物质。 发明内容[0005] 在本发明的一个实施方案中,提供一种制备生物油的方法,所述方法包括以下步骤:(a)向气体混合区供应微粒生物质材料;(b)向所述气体混合区供应载料气体;(c)经由位于所述气体混合区下游的减径管输送所述生物质材料,其中,所述减径管限定截面的流道面积逐渐减小的流动通道;以及(d)经由进料管线将所述生物质材料输送入反应区。所述进料管线位于所述减径管的下游。所述载料气体用于在步骤(d)的所述输送的至少一部分过程中推进所述生物质材料。 [0006] 在本发明的另一个实施方案中,提供一种用于制备生物油的方法,所述方法包括以下步骤:a)向一个或多个气体混合区供应微粒生物质材料;b)向所述气体混合区供应一种或多种载料气体流;以及c)通过第一和第二进料管线将所述生物质材料从所述气体混合区输送入反应区。所述第一和第二进料管线通过各自的第一和第二间隔反应器入口向所述反应区供应所述生物质。所述载料气体流用于在步骤(c)的所述输送的至少一部分过程中推进所述生物质材料。 [0007] 在本发明的另一个实施方案中,提供一种用于制备生物油的方法,所述方法包括以下步骤:(a)将第一数量的生物质材料引入第一料斗;(b)将所述第一数量的生物质材料从所述第一料斗输送入第二料斗;(c)将第二数量的生物质材料引入所述第一料斗;(d)当所述第一数量的生物质材料位于所述第二料斗内时,用气体加压所述第二料斗;(e)将所述第二数量的生物质材料从所述第二料斗输送至加压进料系统;(f)通过从所述第二料斗释放至少一部分气体来减压所述第二料斗;(g)将步骤(f)中释放的至少一部分气体引导至所述第一料斗;以及(h)使用步骤(g)中从所述第二料斗引导而来的所述气体来至少部分地清除来自所述第一料斗内的所述第二数量的生物质材料的氧气。 [0008] 在本发明的另一个实施方案中,提供一种生物质转化系统,其包括:生物质源,用于提供固体微粒生物质材料;载料气体源,用于提供载料气体;一个或多个气体混合区,其与所述生物质源和所述载料气体源连接,并配置成从所述生物质源接收所述生物质材料以及从所述载料气体源接收所述载料气体;生物质反应器,其包括第一和第二间隔开的反应器入口;第一进料管线,其在所述一个或多个气体混合区与所述第一反应器入口之间设有流体流动连通;以及第二进料管线,其在所述一个或多个气体混合区与所述第二反应器入口之间设有流体流动连通。附图说明 [0009] 在此,参照以下附图描述本发明的实施方案,其中: [0010] 图1为本发明的一个实施方案的生物质转化系统的示意图; [0011] 图2为本发明的一个实施方案的示例性生物质进料系统的示意图; [0012] 图3为本发明的一个实施方案的另一种示例性生物质进料系统的示意图; [0013] 图4a示出了本发明的一个实施方案多种反应器入口在反应器上的方位; [0014] 图4b示出了本发明的一个实施方案多种反应器入口在反应器上的其他方位; [0015] 图5为本发明的一个实施方案的进料管线上的控制系统的示意图;以及[0016] 图6为本发明的一个实施方案的生物质转化系统的更详细的示意图。 [0017] 详细描述 [0018] 下面将详细描述本发明涉及的各种实施方案。实施方案是为了详细描述本发明的方案以使本领域技术人员能够实施本发明。在不偏离本发明范围的情况下可以利用并改变其他实施方案。因此,以下的详细描述不具有限定的意义。本发明的范围仅由随附的权利要求书以及等同于权利要求书赋予的全部范围来限定。 [0019] 图1图示了生物质转化系统10,其包括:生物质源12、生物质进料系统14和反应区16。应当理解的是图1中显示的生物质进料系统14仅为能够实现本发明的系统的一个实例。发现本发明可以在多种其他系统中应用,只要这些系统可将生物质高效地且有效地进料入加工部位。现在将详细描述图1中显示的生物质转化系统10。 [0020] 图1的生物质转化系统10开始于生物质源12。生物质源可为,例如,料斗、贮料仓、轨道车、长途运输拖车或可以保存或储存生物质的任何其他装置。由生物质源12供应的生物质材料可为能够被转化成液态和/或气态烃(例如,生物油)的任何类型的生物质材料。通常,生物质可为包括纤维素材料、特别是木质纤维素材料的固体生物质材料,因为这种材料具有丰富的可获性并且它们的成本低。固体生物质材料可包含选自木质素、纤维素、半纤维素和/或它们的组合的组分。合适的含纤维素材料可包括,例如,藻类、废纸和/或棉短绒。合适的木质纤维素材料的实例可包括:林业废弃物,例如木屑、锯屑、制浆废物和树枝;农业废弃物,例如玉米秸、麦秸和甘蔗渣;和/或能源作物,例如桉树、柳枝稷和矮林(coppice)。生物质材料的平均粒径可为至少0.1μm、至少1μm或至少10μm,和/或不超过5mm、不超过2mm或不超过1mm。 [0021] 生物质材料可进行一些预处理以有利于后续的转化反应。这种预处理可包括干燥、烘烤、烘焙、脱矿质、蒸汽喷发、机械搅拌、粉磨、研磨、剥皮和它们的任意组合。生物质预处理可以发生在生物质进入生物质进料系统14之前、期间和/或之后。 [0022] 在一个实施方案中,在将生物质引入反应区16之前将生物质与催化剂在生物质进料系统14中结合可能是可取的。或者,可将催化剂直接引入反应区16。催化剂可为新鲜和/或再生催化剂。催化剂可为异构裂化催化剂,如固体酸、无定型二氧化硅-氧化铝、磷酸铝或沸石。合适的沸石的例子包括ZSM-5、ZSM-11、ZSM-12、ZSM-18、ZSM-22、ZSM-23、沸石-L、丝光沸石、β-镁碱沸石、沸石-Y或它们的组合。另外或者可选地,催化剂可包含超强酸。合适的超强酸的例子包括:全氟磺酸树脂(Nafion-H)、氧化锆、二氧化钛、氧化铝、二氧化硅-氧化铝和/或粘土的磺化、磷酸化或氟化形式。在另一个实施方案中,催化剂可包含固体碱。合适的固体碱的例子包括金属氧化物、金属氢氧化物和/或金属碳酸盐。特别地,碱金属、碱土金属、过渡金属和/或稀土金属的氧化物、氢氧化物和碳酸盐是适合的。其他适合的固体碱包括层状双氢氧化物、混合的金属氧化物、水滑石、粘土和它们的组合。在另一个实施方案中,催化剂还可以包括氧化铝,例如α-氧化铝。 [0023] 在某些实施方案中,催化剂可为来自炼油厂的流化床催化裂解(FCC)单元的平衡催化剂(E-cat)。该术语一般是指在FCC单元内循环了相当长时间的催化剂材料。该术语用于区分尚未暴露于FCC单元环境且比E-cat的催化活性大得多的新鲜催化剂。这种用过的催化剂是来自炼油厂的废品,并因此可以以低成本大量获得。 [0024] 应当注意的是,固体生物质材料通常含有矿物质。认识到这些矿物质的一些,例如碳酸钾,在生物质材料的转化中具有催化活性。即使这些矿物质通常在反应区16中发生的化学转化过程中存在,但并不将它们认为是催化剂。 [0025] 现在返回图1,将来自生物质源12的生物质供应至生物质进料系统14。生物质进料系统14包括传送系统18、气体源20和气体混合区22。传送系统18向气体混合区22提供生物质,而气体源20向气体混合区22供应载料气体。在未在图1中示出的可选实施方案中,生物质源直接向一个或多个气体混合区供应生物质,而气体源向一个或多个气体混合区供应载料气体。载料气体可为与生物质转化系统相容的任何气体。在一个实施方案中,实质上载料气体对反应区16中进行的反应是惰性的。在某些实施方案中,载料气体含有小于20体积百分比的氧气、小于10体积百分比的氧气或者小于5体积百分比的氧气。在某些实施方案中,载料气体可含有至少50体积百分比的氮气、至少75体积百分比的氮气、至少90体积百分比的氮气、至少95体积百分比的氮气或者至少99体积百分比的氮气。向气体混合区供应的载料气体与生物质材料的重量比可为至少0.01:1、至少0.05:1、至少0.1:1或者至少0.125:1和/或不超过1:1、不超过0.5:1、不超过0.25:1或者不超过0.175:1。 [0026] 生物质进料系统14将生物质材料输送到反应区16。在某些实施方案中,以至少5,000lbs./hr.、至少20,000lbs./hr.或者至少40,000lbs./hr.和/或不超过250,000lbs./hr.、不超过100,000lbs./hr.或者不超过60,000lbs./hr.的速度将生物质引入反应区16。在反应区16内,生物质进行制备有用中间产品和/或最终产品的转化过程。 [0027] 图2提供对本发明的一个实施方案的生物质进料系统100的更详细描述。图2的生物质进料系统100包括:第一料斗102、第二料斗104和进料料斗106。第一料斗102、第二料斗104和进料料斗106可为能够在大气压下或在加压下接收并输送生物质材料的任何类型的料斗。在某些实施方案中,部分或全部料斗为闭锁式料斗。第一料斗102接收来自生物质源的生物质材料并将生物质材料输送至第二料斗104。其中将生物质材料从第一料斗102递送至第二料斗104的具体方法可为本领域技术人员已知的任何方法,例如,通过提供生物质输送管线或者通过提供重力自动进料装置。在某些实施方案中,生物质输送管线能够保持升高的压力。 [0028] 在某些实施方案中,在将生物质材料输送到进料料斗106之前,第二料斗104可以通过来自气体源108经由气体管线110的气体加压。加压第二料斗104可以通过以任何适用于进料系统正确操作的方式释放气体来减压。在某些实施方案中,全部或部分从第二料斗104释放的气体可以经由再循环管线112再循环到第一料斗102。该再循环气体可被用于清除来自第一料斗102内的其他生物质材料的氧气。 [0029] 之后,将生物质材料从第二料斗104输送入进料料斗106。在图2未示出的可选实施方案中,进料料斗106直接从生物质源接收生物质材料。在大气压或升高的压力下,可将生物质材料从第二料斗104或从生物质源输送到进料料斗106。进料料斗106的内容积可为能够包含来自第二料斗104或来自生物质源的生物质材料的任何容积。例如,进料料斗106的内容积可为从第二料斗104或从生物质源接收的生物质材料体积的至少相同的容积、至少两倍的容积、至少三倍的容积或至少五倍的容积。通过具有比从第二料斗104或从生物质源接收的生物质材料更大的内容积,进料料斗106能够以连续的方式向下游输送生物质材料。 [0030] 进料料斗106向传送系统114供应生物质材料。在未在图2示出的实施方案中,传送系统114直接从第二料斗104接收生物质材料。在一个实施方案中,传送系统114可包括能够将生物质材料输送入气体混合区116的任何类型的机械传送装置。例如,机械传送装置可为螺旋传送装置、传送带或震动传送装置。在另一个实施方案中,传送系统114可包括重力自动进料装置。在又一个实施方案中,传送系统114包括机械传送装置和重力自动进料装置。在又一个实施方案中,传送系统114可包括一个以上的机械传送装置和/或一个以上的重力自动进料装置。 [0031] 如图2所示,传送系统114将生物质材料输送进气体混合区116。在未在图2示出的可选实施方案中,气体混合区116可直接从第二料斗104接收生物质材料或者气体混合区116可直接从进料料斗106接收生物质材料。气体混合区116可接受来自载料气体源108经由气体管线118的载料气体。气体混合区116可为能够提供混合载料气体和生物质材料的足量容积的任何结构。在一个实施方案中,经由相同的入口向气体混合区116供应载料气体和生物质材料。在另一个实施方案中,经由单独的入口向气体混合区116供应载料气体和生物质材料。在气体混合区116中,载料气体与生物质材料混合。 [0032] 在某些实施方案中,载料气体/生物质混合物被导向至少一个减径管120,所述减径管限定截面的流道面积逐渐减小的流动通道。在某些实施方案中,来自气体源108的载料气体可经由气体管线122供应至减径管120,而不是供应至气体混合区116,或者同时供应至气体混合区116。当将载料气体引入减径管120时,减径管作为混合区116的部分或全部而有效发挥作用。减径管120具有限定第一截面的流道面积(Ai)的入口和限定第二截面的流道面积(Ao)的出口。在某些实施方案中,Ai与Ao的比例可为至少1:1、至少1.3:1或至少1.5:1和/或不超过20:1、不超过15:1或不超过10:1。 [0033] 减径管120的内表面限定经由减径管120的流动通道。为了促进生物质材料经由减径管120的流动,减径管120的内表面可具有光泽度。在一个实施方案中,减径管120的内表面例如通过电解抛光或机械抛光而被表面加工。在优选的实施方案中,减径管120的内表面被电解抛光。在某些实施方案中,减径管120的内表面面积的至少50%、至少75%、至少90%、至少95%或至少99%具有不超过100微英寸、不超过50微英寸、不超过25微英寸、不超过10微英寸或者不超过5微英寸的均方根(RMS)表面抛光值。 [0034] 现在返回图2,将载料气体/生物质材料混合物从减径管120输送入至少一个进料管线124中。在某些实施方案中,将载料气体/生物质混合物从减径管120输送入多个进料管线。在一个实施方案中,用载料气体推进生物质材料通过减径管120到达进料管线124。在另一个实施方案中,使用重力结合载料气体促进生物质材料通过减径管120向进料管线124的输送。在未在图2示出的实施方案中,可将载料气体/生物质混合物从气体混合区116直接输送入进料管线124中而不经过减径管。 [0035] 进料管线124可为能够接收来自减径管120或气体混合区116的载料气体/生物质材料混合物的任何结构。进料管线124的截面积可根据生物质进料系统的具体需要而不同。进料管线124的截面积的非限制性数值可为至少1平方英寸、至少5平方英寸或至少10平方英寸和/或小于500平方英寸、小于200平方英寸或小于50平方英寸。在某些实施方案中,进料管线124的截面积可以不是自始至终都均匀的。在一个实施方案中,嵌入物可被嵌在进料管线124内部以减小其截面积,从而降低被输送的生物质的速率。 [0036] 在某些实施方案中,生物质经由进料管线124输送的生物质流量可为至少2 2 2 500lbs./ft./min.、至少1,500lbs./ft./min.或至少3,000lbs./ft./min.和/或不超过 2 2 2 30,000lbs./ft./min.、不超过12,000lbs./ft./min.或不超过6,000lbs./ft./min。将载料气体/生物质材料混合物从进料管线124经由反应器入口128输送入反应区126内。 [0037] 图3图示了根据本发明配置的生物质进料系统的另一个实施方案。应当注意的是,与如图2中示出的生物质进料系统100中的功能和参数有关的讨论可转移到图3中图示的生物质进料系统200的类似组件。 [0038] 生物质系统200,如图3中所示,包括一个或多个进料装置或者在其传送系统202中的一个或多个传送装置。例如,在某些实施方案中,传送系统202可包含两个机械传送装置。在优选的实施方案中,传送系统202包含至少两个螺旋传送装置,其可以并排布置。各个传送装置或进料装置可以将单独部分的生物质材料输送至单独的气体混合区204a和 204b。单独的气体混合区204a和204b还可以用来自气体源108分别经由气体管线206a和206b的载料气体供应。单独的气体混合区204a和204b能够将载料气体/生物质材料混合物分别输送到单独的减径管208a和208b。之后,减径管208a和208b能够分别将载料气体/生物质混合物输送至进料管线210a和210b。在未在图3示出的实施方案中,可将载料气体/生物质混合物从单独的气体混合区204a和204b直接分别输送到进料管线210a和210b。之后,进料管线210a和210b能够将载料气体/生物质混合物分别经由反应器入口214a和214b输送到反应区212内。在一个实施方案中,反应器入口214a和214b在反应区212内的同一反应器上被分别隔开。在另一个实施方案中,反应器入口214a和214b在反应区212内的单独的反应器上。进料管线210a和210b可布置在反应区212内部或外部的部位。在其他实施方案中,可以有三个、四个、五个或更多的进料管线经由分别隔开的反应器入口将载料气体/生物质混合物输送至反应区212。 [0039] 反应器入口的间隔对将生物质材料有效递送至生物质转化反应器会是重要的。图4a和图4b示出了描绘在反应区内的一个反应器上的间隔反应器入口的多种实施方案。这些实施方案不是排他的,并且可以组合。 [0040] 图4a示出了具有在生物质转化反应器300上间隔的环向反应器入口的一个实施方案。进料管线302a和302b分别与反应器入口304a和304b连接。在该具体的实施方案中,反应器入口304a和304b在反应器300上沿环向间隔开。也就是说,反应器入口304a和304b位于反应器上几乎相同的垂直高度但相互间隔开。环向间隔可以使反应器入口304a和304b基本在反应器300的相对侧。例如,在某些实施方案中,反应器入口304a和304b可以大于90度、大于120度或大于140度和/或小于270度、小于240度或小于220度间隔开。或者,环向间隔可以使反应器入口304a和304b基本在反应器的同一侧上。例如,在某些实施方案中,反应器入口304a和304b可以大于1度、大于30度或大于50度和/或小于180度、小于150度或小于130度间隔开。在包括两个以上的进料管线的其他实施方案中,各个反应器入口可以环向间隔开以使它们相互之间等距离。例如,如果使用4个反应器入口,那么反应器入口可以相互之间间隔大约90度。可以使用任何的环向间隔以最佳地适用特定进料系统和/或反应器设计。特别地,本发明考虑的是使生物质材料到一个或多个反应器的有效分散最大化的反应器入口的任何环向间隔。 [0041] 图4b示出了其中反应器入口400a和400b在反应器402上沿其纵轴404纵向间隔开的另一个实施方案。例如,在某些实施方案中,反应器入口400a和400b可以纵向间隔开至少6英寸、至少12英寸或至少24英寸和/或小于144英寸、小于120英寸或小于96英寸。本发明考虑的是能够使生物质材料有效分散在反应器402内的任何量的纵向间隔。图4b进一步示出了其中反应器入口纵向和环向间隔开的实施方案,所述环向间隔用虚线的反应器入口和进料管线示出。 [0042] 为了减少在生物质进料系统或任何下游转化步骤中可能出现的任何潜在问题,有利的会是在生物质进料系统中放置另外的组件。在某些实施方案中,在生物质进料系统内放置一个或多个隔离阀以将生物质与反应区隔离。在一个实施方案中,至少一个隔离阀被放置在一个进料管线内。为了将生物质材料与反应区隔离,没有必要一定将隔离阀放置在进料管线内。例如,在其他实施方案中,可将一个或多个隔离阀放置在传送系统、一个或多个气体混合区、一个或多个反应器入口或它们的任意组合中。本领域技术人员可以确定隔离阀的具体数量和部位以提供最有效最高效的生物质进料系统。在优选的实施方案中,一个或多个隔离阀可以在进料管线内以将气体混合区与反应区隔离。 [0043] 在其他实施方案中,生物质进料系统可包括一个或多个减压阀和/或通风孔以减小生物质进料系统中的压力。例如,可将一个或多个减压阀或通风孔放置在传送区、一个或多个减径管内、一个或多个进料管线内或者一个或多个反应器入口内。可将任意数量的减压阀、通风孔或它们的组合放置在贯穿生物质进料系统的任意数量的部位处,这由本领域技术人员来做最佳决定。 [0044] 在某些实施方案中,生物质进料系统可包括一个或多个传感器以监测生物质进料系统。例如,传感器可为压力传感器、温度传感器和/或测量本领域技术人员关注的一个或多个参数的任何其他传感器。基于被监测的具体参数,传感器可位于生物质进料系统内的任意点上。在某些实施方案中,传感器可与传送系统、一个或多个气体混合区、一个或多个反应器入口或者它们的任意组合连接。传感器可配置成将感知到的信息传递给人员或自动控制系统。 [0045] 图5示出了其中生物质进料系统包括控制系统500的一个实施方案。控制系统500包括隔离阀502以及传感器506和508,它们均与控制器504连接。如图5中所示,传感器506和508以及隔离阀502与生物质进料管线510连接。 [0046] 控制器504可为能够从传感器506和508接收感知到的信息并能够引起隔离阀502打开和/或关闭的任何类型的控制器。传感器506和508感知生物质进料系统的参数并将感知到的信息传达到控制器504。在一个实施方案中,当感知到的参数超过最大预设值时,控制器504能够引起隔离阀502打开或关闭。在另一个实施方案中,控制器504将感知到的参数传达到人员或其他系统,在那里需要人员或其他系统来促使控制器打开或关闭隔离阀502。 [0047] 在某些实施方案中,生物质进料系统可为生物油制备系统的一部分。在图6示出的生物油制备系统600中,生物质进料系统602将生物质递送到反应区604。反应区604可促进不同的化学转化反应,例如,快速热解、慢速热解、液化、气化或酶转化。反应区604可包括,例如,流化床反应器、旋流反应器、烧蚀反应器或提升管反应器。 [0048] 在一个实施方案中,反应区604包括提升管反应器并且转化反应可为快速热解。更具体地,快速热解可包括催化裂解。如在此使用的,“热解”是指通过在基本不含氧气的气氛下加热原料而引起的生物质的热化学转化。在一个实施方案中,在如氮气、二氧化碳和/或蒸气的惰性气体的存在下进行热解反应。或者,热解反应可以在如氢气、一氧化碳或从生物质转化过程中再循环的不凝性气体和/或它们的任意组合的还原气体的存在下进行。 [0049] 快速热解的特征在于生物质材料的短的逗留时间和迅速加热。快速热解反应的逗留时间可为,例如,小于10秒、小于5秒或小于2秒。快速热解可以在至少200℃.、至少250℃.或至少300℃.和/或小于1,000℃.、小于800℃.或小于600℃的温度下发生。 [0050] 离开反应区604的产物通常包括气体、蒸汽和固体。当为快速热解时,离开转化反应的产物中的固体通常包括炭、灰和/或催化剂的颗粒。如图6中所示,来自反应区604的产物可被引入固体分离器606内。固体分离器606可为能够从气体和蒸汽中分离出固体的任何常规装置,例如,旋风分离器或气体过滤器。固体分离器606从反应产物中除去大部分的固体(例如,用过的催化剂、炭和/或载热固体)。将在固体分离器606中回收的固体颗粒引入再生器608中用于再生,通常通过燃烧再生。再生后,可将热再生固体直接再次加入反应区604和/或加入反应区604上游的生物质进料系统602。 [0051] 将固体分离器606中剩余的气体和蒸汽转化产物引入冷凝器610中。或者,可将来自固体分离器606的气体和蒸汽转化产物引导经过冷却装置612,冷却装置612用于在引入冷凝器610之前使可凝性蒸汽转化产物的温度降低。冷却装置612可为能冷却气体和蒸汽转化产物的本领域已知的任何设备。冷却装置612可为,例如,热转换器。 [0052] 冷凝器610将至少部分的剩余转化产物冷凝成生物油流和不溶于水的有机化合物和/或其他有机化合物流。另外,任何在冷凝器610内产生的不凝性气体还可以作为单独的流从冷凝器610中除去。除去的不凝性气体的至少一部分可以作为在反应区604内使用的提升气体再循环。 |