用于进行碳质原料的气化的方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开内容大体涉及碳质原料材料的气化，并且特别地涉及包括超临界热解处理的碳质原料材料的气化。
[0002]概述
[0003]在说明性实施方案中，方法包括但不限于，接收一定体积的原料；将热能供应至一定体积的原料以经由至少一种热解反应使一定体积的原料的至少一部分转化为至少一种热解反应产物；使至少一种热解反应产物过热；提供一定体积的过热蒸汽；使一定体积的过热蒸汽与过热的至少一种热解反应产物混合；以及经由至少一种水煤气变换反应使至少一种重整产物的至少一部分转化为至少一种合成气产物。
[0004]在说明性实施方案中，方法包括但不限于，接收一定体积的原料；将热能供应至一定体积的原料以经由至少一种热解反应使一定体积的原料的至少一部分转化为至少一种热解反应产物；使至少一种热解反应产物过热；提供一定体积的过热蒸汽；使一定体积的过热蒸汽与过热的至少一种热解反应产物混合；经由至少一种水煤气变换反应使至少一种重整产物的至少一部分转化为至少一种合成气产物；在至少一个压缩阶段中压缩至少一种合成气产物；使压缩的至少一种合成气产物的至少一部分转化为一定体积的甲醇；以及使一定体积的甲醇的至少一部分转化为一定体积的汽油。
[0005]在说明性实施方案中，设备包括但不限于，热解反应室，其用于容纳一定体积的原料；第一热能转移系统，其与热解反应室和至少一个热源热连通，用于使一定体积的原料的至少一部分转化为至少一种热解反应产物；第二热能转移系统，其与热解反应室的出口和内部热源热连通，用于使至少一种热解反应产物过热；蒸汽发生器，其包括布置成使过热蒸汽与过热的至少一种热解反应产物混合的出口 ；蒸汽重整器，其与热解反应室的出口和蒸汽发生器的出口流体连通，蒸汽重整器配置成使过热的至少一种热解反应产物和过热蒸汽转化为至少一种重整产物；以及水煤气变换反应器，其与蒸汽重整器的出口流体连通并且配置成经由至少一种水煤气变换反应使至少一种重整产物的至少一部分转化为至少一种合成气产物。
[0006]在说明性实施方案中，设备包括但不限于，热解反应室，其用于容纳一定体积的原料；第一热能转移系统，其与热解反应室和至少一个热源热连通，用于使一定体积的原料的至少一部分转化为至少一种热解反应产物；第二热能转移系统，其与热解反应室的出口和内部热源热连通，用于使至少一种热解反应产物过热；蒸汽发生器，其包括布置成使过热蒸汽与过热的至少一种热解反应产物混合的出口 ；蒸汽重整器，其与热解反应室的出口和蒸汽发生器的出口流体连通，蒸汽重整器配置成使过热的至少一种热解反应产物和过热蒸汽转化为至少一种重整产物；水煤气变换反应器，其与蒸汽重整器的出口流体连通并且配置成经由至少一种水煤气变换反应使至少一种重整产物的至少一部分转化为至少一种合成气产物；压缩系统，其与水煤气变换反应器的出口流体连通并且配置成在至少一个压缩阶段中压缩至少一种合成气产物；甲醇反应器，其与压缩系统的出口流体连通并且配置成使压缩的至少一种合成气产物的至少一部分转化为一定体积的甲醇；以及甲醇-至-汽油反应器，其与甲醇反应器的出口流体连通并且配置成使一定体积的甲醇的至少一部分转化为一定体积的汽油。
[0007]在说明性实施方案中，系统包括但不限于，至少一个热源；热解反应室，其用于容纳一定体积的原料；第一热能转移系统，其与热解反应室和至少一个热源热连通，用于使一定体积的原料的至少一部分转化为至少一种热解反应产物；第二热能转移系统，其与热解反应室的出口和内部热源热连通，用于使至少一种热解反应产物过热；蒸汽发生器，其包括布置成使过热蒸汽与过热的至少一种热解反应产物混合的出口 ；蒸汽重整器，其与热解反应室的出口和蒸汽发生器的出口流体连通，蒸汽重整器配置成使过热的至少一种热解反应产物和过热蒸汽转化为至少一种重整产物；水煤气变换反应器，其与蒸汽重整器的出口流体连通并且配置成经由至少一种水煤气变换反应使至少一种重整产物的至少一部分转化为至少一种合成气产物；压缩系统，其与水煤气变换反应器的出口流体连通并且配置成在至少一个压缩阶段中压缩至少一种合成气产物；甲醇反应器，其与压缩系统的出口流体连通并且配置成使压缩的至少一种合成气产物的至少一部分转化为一定体积的甲醇；以及甲醇-至-汽油反应器，其与甲醇反应器的出口流体连通并且配置成使一定体积的甲醇的至少一部分转化为一定体积的汽油。
[0008]除前述内容之外，各种其他的方法和/或系统和/或设备方面在教导比如本公开内容的正文(例如权利要求和/或详细描述)和/或附图中被陈述和描述。
[0009]前述内容是概述并且因此可以包含细节的简化、概括、包含和/或省略；因此，本领域技术人员将理解，本概述仅仅是说明性的并且不意图以任何方式是限制性的。本文描述的装置和/或工艺和/或其他主题的其他方面、特征和优点在本文陈述的教导中将变得明显。
[0010]附图简述
[0011]图1A是根据说明性实施方案的用于进行碳质原料材料的气化的系统的框图视图；
[0012]图1B是根据说明性实施方案的用于进行碳质原料材料的气化的系统的间接热交换系统的框图视图；
[0013]图1C是根据说明性实施方案的用于进行碳质原料材料的气化的系统的直接热交换系统的框图视图；
[0014]图1D是根据说明性实施方案的用于进行碳质原料材料的气化的系统的框图视图；
[0015]图2是用于进行碳质原料材料的气化的方法的高水平流程图；
[0016]图3至图9是描绘图2的可选实施方式的高水平流程图。
[0017]详细描述
[0018]在下面的详细描述中，对形成其一部分的附图作出参考。在附图中，相似的符号通常识别相似的部件，除非上下文另外规定。详细描述、附图和权利要求中描述的说明性实施方案不意味着是限制性的。可以利用其他实施方案，并且可以作出其他改变，而不偏离此处呈现的主题的精神或范围。
[0019]一般地，参照图1A至图1D，描述用于进行碳质原料材料的气化的系统100。在一个实施方案中，系统100适合于通过一系列热化学分解和处理阶段使原料材料转化为汽油τ?: 口广PR ο
[0020]图1A示出根据一个或更多个说明性实施方案的用于进行碳质原料材料的气化的系统100的框图视图。在一个实施方案中，系统100包括热解反应室102，比如，但不限于，快速热解反应室或超临界热解室。在一个实施方案中，热解反应室102适合于容纳一定体积的原料材料(例如，碳质材料)。在另一个实施方案中，系统100包括一个或更多个热源108。在另一个实施方案中，系统100包括第一热能转移系统104，所述第一热能转移系统104与热解反应室102和一个或更多个热源108热连通。在另一个实施方案中，第一热能转移系统104被布置成将热能从一个或更多个热源108转移至容纳于热解反应室102内的一定体积的原料105。在另一个实施方案中，第一热能转移系统104被配置成将热能从一个或更多个热源108转移至容纳于热解反应室102内的一定体积的原料105，以便使原料材料的一部分转化为一种或更多种反应产物。
[0021]在一个实施方案中，第一热能转移系统104包括传热元件103，所述传热元件103容纳与一个或更多个热源108热连通(例如，直接或间接的热连通)的一定体积的传热流体(例如，液体、气体或超临界流体)。在一个实施方案中，传热元件103可以包括但不限于，传热回路、传热线以及类似物。例如，传热元件103可以包括但不限于，填充有传热流体(例如，加压的传热流体)并且放置成与一个或更多个热源108的一部分或更多部分热连通(例如，直接地或间接地)的传热回路。例如，传热流体可以包括但不限于，液体(例如，液体金属或熔融盐)、气体(例如，加压气体)、水或超临界流体(例如，超临界二氧化碳)。
[0022]在一个实施方案中，基于超临界流体的传热流体可以包括本领域中已知的适合于将能量从一个或更多个热源108转移至容纳于热解反应室102中的原料105的任何超临界流体。在一个实施方案中，超临界流体包括但不限于，超临界二氧化碳。在另一个实施方案中，超临界流体包括但不限于，水、甲醇、乙醇、丙醇、丙酮。在另一个实施方案中，超临界流体在传热元件103和热解反应室102中的至少一个内被加压至高压。
[0023]本文提到，超临界流体比如但不限于0)2可以具有低的粘度和表面张力，允许这类超临界流体容易地渗透有机材料(例如，生物质材料)。超临界流体渗透至原料105中可以减少在热化学反应之前使原料105转化成细颗粒的需求，从而在原料材料的反应中节省能量。在一个实施方案中，在超临界流体是超临界0)2的情况下，超临界流体可以被加压至在其临界压力(72.9个大气压)和临界温度(304Κ)以上。本文提到，超过这些条件，CO2将显示出类似于有机溶剂比如己烧、甲醇和乙醇的独特的溶解力性质。超临界CO2的非极性性质可以有利于控制通常在含水环境中发生的不合需要的离子副反应。
[0024]在另一个实施方案中，超临界流体比如超临界0)2可以经由将较冷的超临界流体注射至热解反应室102中以猝灭反应或注射较热的超临界流体以加速反应而提供强的温度和反应时间控制。还认识到，因为许多超临界流体比如超临界CO2可以被有效地压缩，所以反应室102内的压力条件还可以用于控制反应室102内的热化学反应。超临界流体驱动热解的实施方式在Walter等人于2014年3月13日提交的美国专利申请14/209，798中被描述，该专利申请通过引用以其整体并入本文。
[0025]在一个实施方案中，系统100包括原料供应系统111。在一个实施方案中，原料供应系统111可操作地耦合至热解反应室102。在另一个实施方案中，原料供应系统111将一定体积的原料材料105提供至热解反应室102的内部。原料供应系统111可以包括本领域中已知的适合于使选定量的原料材料比如固体材料、颗粒材料或液体材料从一个或更多个原料来源平移至热解反应室102的内部的任何供应系统。例如，原料供应系统111可以包括但不限于，传送机系统、流体转移系统以及类似物。
[0026]在另一个实施方案中，原料供应系统111包括预加热器116。在另一个实施方案中，系统100包括预加热的传热回路115。例如，传热回路115包括用于将热从水煤气变换反应器(例如，T = 5000C -7000C )的出口转移至传热回路115的第一热交换器117和用于将热从传热回路115转移至原料材料的第二热交换器116。
[0027]在另一个实施方案中，原料供应系统111包括研磨机112。在另一个实施方案中，研磨机111适合于研磨来自原料供应部110的原料，以便产生具有适合于热解反应室102中的热解反应的粒度的原料材料。
[0028]原料材料105可以包括本领域中已知的任何碳质材料。例如，原料材料105可以包括但不限于，煤、生物质、混合来源的生物材料、泥煤、焦油、塑料、垃圾和填埋场废物。例如，在煤的情况下，原料可以包括但不限于，烟煤、次烟煤、褐煤、无烟煤以及类似物。通过另一个示例，在生物质的情况下，原料可以包括木材材料，比如，但不限于，软木材和硬木材。
[0029]—个或更多个热源108可以包括本领域中已知的适合于提供足以将原料105加热至选定的温度(例如，适合于快速热解的温度(例如，350-600°C))的热能的任何热源。
[0030]在一个实施方案中，一个或更多个热源108包括非CO2发射热源。在一个实施方案中，一个或更多个热源108包括一个或更多个核反应堆。一个或更多个热源108可以包括本领域中已知的任何核反应堆。例如，一个或更多个热源108可以包括液体金属冷却核反应堆、熔融盐冷却核反应堆、高温水冷核反应堆、气冷核反应堆以及类似物。
[0031]本文认识到，核反应堆可以产生足以实施原料105的热解(例如，快速热解或超临界热解)的温度。例如，核反应堆热源可以产生超过350-600°C的温度。在这点上，核反应堆可以用于将热能(例如，在超过350-600°C的温度下)转移至超临界流体(例如，超临界CO2)。转而，超临界流体可以将核反应堆产生的热能转移至容纳于反应室102内的原料105。
[0032]本文还提到，核反应堆热源作为热源是特别有利的，因为反应室102的热化学反应温度在用于许多核反应堆的操作温度的范围内。核反应堆热可以用于在反应室102中以高效率产生反应产物，因为核反应堆在用于热化学转化的反应温度下操作(即，在热化学反应温度下添加的热供应所需要的反应焓)。
[0033]在一个实施方案中，系统100的超临界流体在核反应堆驱动系统100的操作中用作安全机构。通过示例，超临界二氧化碳可以储存在一个或更多个储器(未示出)或槽(未示出)中。本文提到，以这种方式储存于此的超临界二氧化碳可以用于通过充当热缓冲器而在反应堆和系统100之间提供热缓冲。在另一个实施方案中，超临界流体可以储存在适合于排放至热化学旋转机器例如涡轮机中的温度和压力下。以这种方式，选定的工作量可以通过压缩的CO2来开发以向安全系统比如流量阀、安全阀、隔离阀、栗以及类似物提供机械功率或电功率。
[0034]在另一个实施方案中，如图1B中所示，第一热能转移系统104包括间接热交换系统107。在一个实施方案中，间接热交换系统107配置成将热能从一个或更多个热源108间接地转移至容纳于传热元件103内的一定体积的传热流体。在一个实施方案中，间接热交换系统107包括中间传热元件111，所述中间传热元件111配置成将热能从一个或更多个热源108转移至中间传热元件111。转而，中间传热元件111可以将热能从中间传热元件111转移至容纳于传热元件103内的一定体积的传热流体。
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