处理生物质材料的方法和系统的制作方法

文档序号:5140307阅读:554来源:国知局
处理生物质材料的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明的实施方案提供从生物质材料生产和回收挥发性有机化合物和高级烃。一个实施方案包括:将生物质材料的固体组分与消化溶剂接触,以形成消化后生物质物流,和将至少部分消化后生物质进一步热催化处理,以产生高级烃。所述固体组分通过包括以下步骤的方法产生:将生物质材料引入至无溶剂回收系统的隔室,其中所述生物质材料含有一种或多种挥发性有机化合物;在隔室内将生物质材料与过热蒸汽物流接触,以将所述生物质材料中的至少部分初始液体汽化;将蒸汽组分和固体组分与加热的生物质材料分离;保留至少部分气体组分,以作为部分过热蒸汽物流使用。
【专利说明】处理生物质材料的方法和系统

【技术领域】
[0001] 本发明的实施方案总体涉及由生物质材料制备挥发性有机化合物和烃的方法,更 具体地涉及通过生物质材料的发酵来制备和回收挥发性有机化合物,和应用其产物来制备 烃。

【背景技术】
[0002] 本节用来介绍可能与本发明示例性实施方案相关的现有技术的各个方面。据认为 该讨论有助于提供一个框架,以利于更好地理解本发明的具体方面。因此,应理解要基于这 一点来阅读本节,和不必作为对任何现有技术的认可。
[0003] 随着世界石油供给持续减少,对可取代各种石油产品(特别是运输燃料)的替代 材料的需求持续增长。已经有大量努力致力于开发由除化石燃料外的资源提供能量的新方 法和系统。目前,很多努力用于由可再生生物质材料生产生物乙醇和生物燃料。一类生物 质是植物生物质,它包含大量的碳水化合物,包括糖、淀粉、纤维素、木质纤维素、半纤维素。 所述努力尤其集中在由可发酵糖获得乙醇和由纤维素获得烃。
[0004] 传统的由玉米生产乙醇通常与宝贵的食物资源竞争,这种竞争可能由逐渐更加恶 劣的气候条件而进一步放大,这些气候条件如干旱和洪水,它们对每年收获的作物产量有 负面影响。来自传统乙醇生产的竞争可抬高食物价格。虽然其它作物已经用作乙醇生产的 生物质材料,但由于这些作物的气候要求,使它们不适合在全球实施。例如,也可以由甘蔗 有效生产乙醇,但只有在世界某些地区如巴西可行,因为那里的气候可以支持近全年收获。 目前旨在转化碳水化合物为高级烃的方法局限于包括未处理的生物质材料或城市固体废 物(MSW)的原料。未处理的生物质包括甘蔗渣、森林资源、作物残渣和湿/干收获的能源作 物。在它们可以被引入转化为烃的过程之前,这些传统的原料源需要贮存、运输、减小颗粒 尺寸及附加的前端处理。例如,打包生物质是昂贵的,且可能导致例如火灾、侵蚀、灰尘、不 希望的碎屑(例如岩石)和汉坦病毒等灾祸。进一步地,与致密材料相比,打包运输是更加 昂贵的,与粒径已经减小且不需要分开和规格化的材料相比,处理起来也更加昂贵。MSW还 有与被管制的危险金属污染有关的挑战,所述金属带来差的燃料质量危险以及健康和安全 危险。森林资源如树木运输起来很麻烦。进一步地,森林资源需要去皮、切碎成所需厚度的 木块和洗涤以除去任何残余的泥土和脏物等。因此,对于生物质仍需要解决这些挑战。


【发明内容】

[0005] 本发明的实施方案可以解决上述挑战并提供其它优点和特征。在一个实施方案 中,进料可来自从挥发性有机化合物回收系统排出的固体组分。在该实施方案中,进料夹带 在工程系统中,其中它已经流动和预先规格化,这使得进料可按需要直接引入转化为烃和 其它化学品的反应中。本发明的实施方案可提供彼此邻近的挥发性有机化合物回收设备和 由生物质生产烃的设备。这些实施方案可以由一个设备生产挥发性有机化合物、烃和其它 化学品,可以减少与其它进料在可以进入由生物质转化为烃和其它化学品的转化过程的生 产流程之前有关的贮存、处理、运输和原料制备成本。这些实施方案还可以提供进料的连续 供应,与传统的进料(在到达用于处理产生烃的装置时或之前通常需要贮存、运输和/或减 小尺寸)相比,所述进料已经减小了尺寸,这降低了具体的相关费用。
[0006] 当将它运输到用于处理产生烃和其它材料的其它场所时,某些实施方案的进料也 可能具有较低的处理与运输费用。不同于其它的传统进料源,例如森林资源,某些实施方案 的进料(已经减小粒度)以预定的方式离开挥发性有机化合物回收系统,这可以减少或消 除在原料可进入用于转化为烃和其它化学品的转化过程之前的前端处理成本。本发明某些 实施方案的进料的预先规格化的粒度分布使其处于与传统进料源相比更致密的形式,这可 以降低运输成本,因为单位体积可运输更多的这些实施方案的进料。本发明的实施方案可 提供全年可获取的进料供给,与生物质材料所特有的收获期无关且不与人类宝贵的食物资 源竞争。
[0007] 在一个实施方案中,制备生物质材料以产生挥发性有机化合物。通过以下步骤由 所制备的生物质材料回收挥发性有机化合物:将制备的生物质材料引入到无溶剂回收系统 的隔室;在隔室中将生物质材料与过热蒸汽物流接触,以将制备的生物质材料中的至少部 分初始液体汽化,过热蒸汽物流包含至少一种挥发性有机化合物;将蒸汽组分和固体组分 与加热的生物质材料分离,其中蒸汽组分包括至少一种挥发性有机化合物;和保留至少部 分气体组分,以作为部分过热蒸汽物流使用。将至少部分固体组分进一步处理以产生烃和 /或其它化学品。在一个实施方案中,进一步处理包括:将固体组分进料与消化溶剂接触, 以形成包含碳水化合物的消化后生物质物流;在分子氢活化催化剂存在下,将消化后生物 质物流与分子氢接触,以形成包含大量含氧烃分子的加氢催化处理混合物;将至少部分加 氢催化处理混合物循环,以形成至少部分消化溶剂;将至少第二部分加氢催化处理混合物 处理,以形成大量高级烃。在一个实施方案中,所述高级烃用于形成燃料共混物。
[0008] 在另一实施方案中,消化溶剂包括在25°C下与水部分混溶的有机溶剂,和在消化 后生物质物流中,有机溶剂与水的质量比大于1:1。对于使用有机溶剂的实施方案,通过 液-液分离将加氢催化处理混合物相分离成富烃有机相和水相。将至少部分富烃有机相循 环作为至少部分有机溶剂。将至少部分水相和/或富烃有机相进行处理,以形成高级烃。
[0009] 在一个实施方案中,通过如下过程来产生制备的生物质:将至少一种添加的添加 剂加入生物质,其中所述至少一种添加剂包括微生物和任选的酸和/或酶;将制备的生物 质材料在贮存设备中贮存至少约24小时,以允许由至少一部分糖产生至少一种挥发性有 机化合物。
[0010] 除上述特征外,通过应对挑战如贮存和运输费用、短的收获时窗、糖的快速降解和 大的设备投资,本发明的实施方案允许由包含可发酵糖的植物经济地生产替代燃料如乙 醇、其它挥发性有机化合物、烃和其它化学品。本文中描述的实施方案的各方面均适用于任 何生物质材料,例如包含可发酵糖的植物。本发明实施方案的特征允许经济地使用各种植 物以产生替代燃料和化学品,且不局限于经历类似挑战的高粱和其它植物。在本文中强调 这些挑战性作物,这是因为其它方法和系统还不能经济地利用这些挑战性作物来生产燃料 和化学品。因此,特别提及高粱不是用于限定,而只是例举本发明实施方案的一种特定应 用。
[0011] 本发明的实施方案允许回收设备以与收获时窗无关的控制方式全年连续运转,从 而拓宽了可放置回收设备和/或转化为烃的设备的地理位置,包括具有相对短的收获时窗 的区域。
[0012] 本发明技术方案的其它优点和特征由以下详细说明将变得明显。但应该理解的 是,所述详细说明和具体实例虽然给出了本发明的优选方案,但只是描述性的,这是因为对 于本领域技术人员而言,基于所述详细说明,在本发明精神和范围内的多种变化和调整将 变得很明显。

【专利附图】

【附图说明】
[0013] 这些附图描述了本发明一些实施方案的一些方面,和不用于限制或定义本发明。
[0014] 图1是根据本发明某些方面来处理生物质材料的一种实施方案的流程图。
[0015] 图2是根据本发明某些方面来处理生物质材料的另一实施方案的流程图。
[0016] 图3是根据本发明某些方面将固体组分转化成高级烃的一个实施方案的流程图。 [0017] 图4是根据本发明某些方面将固体组分转化成高级烃的另一实施方案的流程图。

【具体实施方式】
[0018] 本发明的实施方案可以由固体生物质材料有效且经济地生产和回收乙醇或其它 挥发性有机化合物如乙酸,以及提供用于转化碳水化合物为烃的方法的进料。按照本发明 的一个方面,制备生物质材料以产生挥发性有机化合物。通过以下步骤由制备的生物质材 料回收挥发性有机化合物:将制备的生物质材料引入到无溶剂回收系统的隔室;在隔室中 将生物质材料与过热蒸汽物流接触,以将制备的生物质材料中的至少部分初始液体汽化, 过热蒸汽物流包含至少一种挥发性有机化合物;将蒸汽组分和固体组分与加热的生物质材 料分离,其中蒸汽组分包括至少一种挥发性有机化合物;和保留至少部分气体组分,以作为 部分过热蒸汽物流使用。将至少部分固体组分进一步处理以产生烃和/或其它化学品。在 一个实施方案中,进一步处理包括:将固体组分进料与消化溶剂接触,以形成包含碳水化合 物的消化后生物质物流;在分子氢活化催化剂存在下,将消化后生物质物流与分子氢接触, 以形成包含大量含氧烃分子的加氢催化处理混合物;将至少第一部分加氢催化处理混合物 循环,以形成至少部分消化溶剂;将至少第二部分加氢催化处理混合物进行处理,以形成大 量高级烃。在一个实施方案中,所述高级烃用于形成燃料共混物。
[0019] 在另一实施方案中,消化溶剂包括在25°C下与水部分混溶的有机溶剂,和在消化 后生物质物流中,有机溶剂与水的质量比大于1:1。对于使用有机溶剂的实施方案,通过 液-液分离将加氢催化处理混合物相分离成富烃有机相和水相。将至少部分富烃有机相循 环作为至少部分有机溶剂。将至少部分水相和/或富烃有机相进行处理,以形成高级烃。
[0020] 牛物质制各
[0021] 如本文中应用的,术语〃固体生物质〃或〃生物质〃至少是指来自存活的或最近 存活的生物体的生物学物质。固体生物质包括可转化成纤维或其它工业化学品(包括生物 燃料)的植物或动物质。固体生物质可源于多种植物或树木,包括芒草、柳枝稷、大麻、玉 米、热带白杨、柳树、高粱、甘蔗、甜菜和任意的能源甘蔗以及各种树木,从桉树到油棕(棕 榈油)。在一个实施方案中,固体生物质包括至少一种产生可发酵糖的植物。固体生物质可 包含两种或更多种不同的植物种类,包括产生可发酵糖的植物。在不用于限定本发明范围 的优选实施方案中,由于高粱在低产能土地上的高产量和高含糖量而选择它。
[0022] 术语〃可发酵糖〃是指低聚糖和单糖,它们可以被微生物用作碳源(例如戊糖和 己糖),以在厌氧和/或需氧条件下产生有机产物,例如醇、有机酸、酯和醛。这样制备有机 产物一般可称作发酵。该至少一种产生可发酵糖的植物在其生长周期期间的一个时间点包 含溶解在该植物材料水相中的可发酵糖。产生可发酵糖的植物的非限定性例子包括高粱、 甘蔗、甜菜和能源甘蔗。特别地,当它们接近或处于其最高的潜在可发酵糖产量(例如最大 的可发酵糖浓度)时,甘蔗、能源甘蔗和高粱通常在水相中包含约5-25wt%的可溶性糖,并 具有基于湿基约60-80 %间的含水量。
[0023] 术语〃湿基〃至少指包括水作为一部分质量的质量百分比。在优选实施方案中, 产生糖的植物是高粱。用来将碳水化合物微生物转化成挥发性有机化合物(VOC)的高粱属 的任意物种或种类均可以使用。对于使用高粱的实施方案,该植物提供了某些益处,包括其 是节水的,而且是耐干旱和耐热的。这些性质使得该作物适合于许多位置,包括全球的许多 地区,例如中国、非洲、澳大利亚和在美国,例如高原、西部的部分和整个南德克萨斯州。
[0024] 在使用高粱的实施方案中,高粱可包括任何可以以较高可发酵糖浓度收获的种类 或种类的组合。具有优选性质的某些种类高粱有时被称作〃甜高粱"。高粱可包括可能包含 或不包含足以支持在压蔗机操作中榨汁处理的水分。在优选实施方案中,固体生物质包括: 由Advanta商业化生产的糖T高粱品种和/或糖T的父本(也是Advanta的可商购产品)。 在优选实施方案中,使用的作物具有约5-25的白利糖度,优选约10-20白利糖度,和更优选 约12-18白利糖度。本文中的术语"白利糖度"至少指葡萄糖、果糖和蔗糖在水溶液中的 含量,其中1度白利糖度是在100克溶液中1克的葡萄糖、果糖和/或蔗糖,并以重量百分 比(wt%)表示溶液的浓度。在另一优选实施方案中,使用的作物的含水量为约50-80%, 优选至少60%。
[0025] 在一个实施方案中,作物是具有约18的白利糖度值和约67%含水量的糖T的父 本。在另一实施方案中,作物是在约73%含水量下具有约12的白利糖度值的糖T。在这些 具体实施方案中,通过手持折射计确定白利糖度和含水率。
[0026] 在将至少一种添加剂(微生物、任选的酸和/或酶)加入固体生物质后,它变成制 备的生物质材料,其中该至少一种添加剂促进可发酵糖向VOC(例如乙醇)的转化。如上所 述且进一步如下所述,制备的生物质材料可以贮存一段时间,以允许通过转化过程产生更 多的V0C。然后,由该制备的生物质材料回收至少一种挥发性有机化合物。挥发性有机化 合物是本领域技术人员已知的。美国环境保护局(EPA)提供了挥发性有机化合物(VOC)的 描述,其中一种是任意的碳化合物,除了参与大气光化学反应的一氧化碳、二氧化碳、碳酸、 金属碳化物或碳酸盐和碳酸铵,例外是由环境保护局指定的具有可忽略光化学反应性的那 些(参见 http://www. epa. gov/iag/voc2. html#definition)。挥发性有机化合物或 VOC 的 另一描述是任意的有机化合物,其组成使得它们能够在正常的室内温度和压力的大气条件 下蒸发。这是VOC在科学文献中使用的一般定义,且与室内空气质量用的定义一致。正常 的室内温度和压力的大气条件指在通常住有人的建筑中存在的条件范围,因而可随着建筑 的类型及其地理位置而变化。一种示例性的正常室内大气条件由纯粹与应用化学国际联合 会(IUPAC)和美国国家标准与技术研究院(NIST)所提供。IUPAC的标准是0°C (273. 15K, 32华氏度)的温度和100迚&(14.504?8丨)的绝对压力,和见51'的定义是201:(293.151(,68 华氏度)的温度和101.325kPa(14.696psi)的绝对压力。
[0027] 因为化合物的沸点温度越低,其挥发性一般越高,因此有机化合物的挥发性有时 由它们的沸点来定义和分类。因此,可以通过其沸点来描述VOC。VOC是在约101. 3kPa标 准大气压下测量的沸点在约50-260°C范围内的任意有机化合物。可以由本发明实施方案回 收的VOC回收和/或进一步处理的许多挥发性有机化合物可用于香水和调味品工业中。这 种化合物的例子可以是酯、酮、醇、醛、烃和萜烯。以下表1进一步提供了可以由制备的生物 质材料回收的VOC回收和/或进一步处理的挥发性有机化合物的非限定性例子。
[0028] 表 1

【权利要求】
1. 一种处理生物质材料的方法,包括: 将生物质材料引入至无溶剂回收系统的隔室内,其中所述生物质材料含有一种或多种 挥发性有机化合物; 在所隔室中将所述生物质材料与过热蒸汽物流接触,以将所述生物质材料中的至少部 分初始液体汽化,所述过热蒸汽物流包含至少一种挥发性有机化合物; 将蒸汽组分和固体组分与加热的生物质材料分离,所述蒸汽组分包括至少一种挥发性 有机化合物; 保留至少部分气体组分,以作为部分所述过热蒸汽物流使用; 将所述固体组分从所述无溶剂回收系统排出; 将至少部分所述固体组分与消化溶剂接触,以形成包含碳水化合物的消化后生物质物 流; 在分子氢活化催化剂存在下,将消化后生物质物流与分子氢接触,以形成包含大量含 氧烃分子的加氢催化处理混合物,其中将第一部分含氧烃分子循环,以形成至少部分消化 溶剂;和 将至少第二部分含氧烃分子处理,以形成燃料共混物。
2. 权利要求1的方法,其中所述燃料共混物包括选自如下的至少一种组合物:燃料添 加剂、汽油燃料、柴油和喷气燃料。
3. 权利要求1的方法,其中所述至少第二部分含氧中间产物的处理包括将至少第二部 分含氧中间产物与加氢催化剂接触以形成燃料共混物。
4. 权利要求3的方法,其中所述燃料共混物包含选自如下的至少一种添加剂:饱和醇、 饱和多元醇和饱和经。
5. 权利要求1的方法,其中所述至少第二部分含氧中间产物的处理包括将至少第二 部分含氧中间产物与缩合催化剂接触以形成燃料共混物,其中所述燃料共混物包括汽油燃 料。
6. 权利要求1的方法,其中所述至少第二部分含氧中间产物的处理包括:将至少第二 部分含氧中间产物与酸催化剂接触,以形成至少一些烯烃;和将所述烯烃与低聚催化剂接 触,以形成燃料共混物。
7. 权利要求1的方法,其中引入所述隔室的所述生物质材料由收获作物的固态发酵过 程获得。
8. 权利要求7的方法,其中所述作物选自高粱、甘蔗、玉米、热带玉米、甜菜、能源甘蔗 及其任意组合。
9. 权利要求1的方法,其中所述隔室包括过热蒸汽物流在其内部流动的环形圆筒。
10. 权利要求1的方法,其中利用结合至隔室的旋风分离部件来完成所述分离步骤,其 中配置所述旋风分离部件以将分离的固体组分从加压部件排出。
11. 权利要求1的方法,所述生物质通过以下步骤产生:将至少一种添加剂加入生物 质,其中所述至少一种添加剂包括微生物以及任选的酸和/或酶;和将制备的生物质材料 在贮存设备中贮存至少约24小时,以允许由至少部分所述糖产生至少一种挥发性有机化 合物。
12. 权利要求1的方法,其中所述生物质具有约3-80mm的平均粒度分布。
13. 权利要求1的方法,进一步包括将至少部分来自无溶剂回收系统的固体组分直接 进料至所述加氢催化处理。
14. 一种处理生物质材料的方法,包括: 将生物质材料的固体组分与消化溶剂接触,以形成消化后生物质物流,其中所述固体 组分由包括以下步骤的方法产生: 将生物质材料引入至无溶剂回收系统的隔室内,其中所述生物质材料含有一种或多种 挥发性有机化合物; 在所隔室中将所述生物质材料与过热蒸汽物流接触,以将所述生物质材料中的至少部 分初始液体汽化,所述过热蒸汽物流包含至少一种挥发性有机化合物; 将蒸汽组分和固体组分与加热的生物质材料分离,所述蒸汽组分包括至少一种挥发性 有机化合物; 保留至少部分气体组分,以作为部分所述过热蒸汽物流使用; 将所述固体组分从所述无溶剂回收系统排出; 在分子氢活化催化剂存在下,将消化后生物质物流与分子氢接触,以形成包含大量含 氧烃分子的加氢催化处理混合物,其中将第一部分含氧烃分子循环,以形成至少部分消化 溶剂;和 将至少第二部分含氧烃分子处理,以形成燃料共混物。
15. 权利要求15的方法,其中所述燃料共混物包括选自如下的至少一种组合物:燃料 添加剂、汽油燃料、柴油和喷气燃料。
16. 权利要求15的方法,其中所述至少第二部分含氧中间产物的处理包括将至少第二 部分含氧中间产物与加氢催化剂接触以形成燃料共混物。
17. 权利要求1的方法,其中消化溶剂包括在25°C下与水部分混溶的有机溶剂,和在消 化后生物质物流中所述有机溶剂与水的质量比大于1:1,所述方法进一步包括: 通过液-液分离将加氢催化处理混合物相分离成富烃有机相和水相;将至少部分富烃 有机相循环,以形成至少部分有机溶剂;和将至少部分水相和/或富烃有机相进行处理,以 形成大量的高级烃。
【文档编号】C10G3/00GK104364366SQ201380030695
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年5月16日 优先权日:2012年5月17日
【发明者】P·G·汉密尔顿, C·W·雷德特克, K·M·克莱特曼 申请人:国际壳牌研究有限公司
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