生物质反应器的制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请要求于2013年3月12日提交的美国专利申请第13/797,985号的权益 和优先权，美国专利申请第13/797,985号是于2012年2月16日提交的美国专利申请第 13/398,596号的部分连续案，美国专利申请第13/398,596号是于2010年1月15日提交 的美国专利申请第12/688, 523号的分案申请，美国专利申请第12/688, 523号要求于2009 年1月21日提交的美国临时专利申请序列号611146,079的权益，其全部内容通过引用并 入本文。
技术领域
[0003] 本发明针对清洁能源，和更特别地，本发明的一些实施方案提供用于生物质分馏 的系统和方法。
【背景技术】
[0004] 在21世纪初，全球变暖及其与化石燃料的广泛使用的相互关系已经成为主要的 技术挑战之一。寻找更有效地使用可再生生物质的方法是解决这些问题非常重要的途径。 在工业革命开始之前，木材和植物油是预工业文明的主要能源，预工业文明使用此能源主 要用于加热，烹饪和照明。在这个早期阶段，生物质简单地在露天燃烧以产生热和光。数 千年前，人类发现，如果空气供给在燃烧过程中受限，可以从燃烧的木材中提取稠密的黑色 残渣（我们现在叫做焦炭）。该热焦炭可以用水骤冷，干燥和再烧，以产生更热，更致密的 火。焦炭的出现与冶金的发展同时进行，这取决于它的更热和更清洁的火以及它的从矿石 提取金属并将它们形成有用的产品的还原能力。在减少的氧气环境或无氧环境下烘烤可燃 物料的过程现在称为热解。热解木材或混合的生物质的其他形式产生焦炭（有时候称其为 生物炭）以及氢气、一氧化碳和二氧化碳的混合物，有时候称为合成气。在无氧环境中烘烤 化石燃料烃类首先引起更长链的烃类分解成更短链的烃类，最终导致更基本的形式如甲烷 (CH4)、氢气和元素碳。事实上，热解是石化产品裂解的基本机制，其是炼油工艺的支柱。更 极端的热解用于炼油工艺中以产生氢气和高纯度碳。
[0005] 同样地，当经历热解过程时，生物质（其由纤维素，半纤维素，木质素，淀粉和脂类 组成）通过多步分解进行。通常，当经历长时间的高温（例如，SO(TC)时，热解最终产生合 成气。随着温度和暴露时间间隔下降，留下增加的量的生物炭残渣。在更低的温度和时间间 隔下，越来越多的复杂烃类和含氧烃类存在于来自热解的生物质的气流中。在低的极端下， 简单的每日烹饪通常地赶走水并开始将生物质脱水，引起我们总是与烹饪好的食物联系在 一起的变黑和焦化。
[0006] 已经开发了各种形式的实验室和小规模商业化生物质热解器，以通过范围从木肩 到污水淤泥的生物物料的控制热解产生有用的化学产品。虽然一些热解器简单地集中于产 生合成气，但是在温和热解条件的发展中有相当大的努力，温和热解条件通常得到常称为 生物油的浓缩液。已经在实验室水平上开发了许多形式的热解器以产生这些中间体化合 物，其被统称为生物油或热解油。配置包括其中生物质在陶瓷船中烘烤的简单管式炉、其 中木料相对于热表面摩擦的烧蚀热解器、其中生物质与热砂混合的各种形式的流化床热解 器、和基于较早的焦炉设计的各种更简单的配置。
[0007] 得到的热解油的基本问题在于其由数百至数千种化合物构成，这是由于原料生物 质整体地经历宽范围的温度、时间和压力分布的结果。当该过程被最初生物原料中数千种 主要生物化合物复杂化时，结果是几乎难以处理的一批全部混合在一起的得到的化合物。 来自该过程的热解油通常不是热动力学稳定的。它们含有被有机酸和碱催化的活性含氧自 由基，使得这些油通常在几天时段内从浅色液体演变成深色混合物，混合物中带有焦油和 树脂状物质。而且，再气化热解油的尝试通常导致额外的化学反应，其在得到的气体流中产 生额外的生物炭和向较低分子量组分的转变。尽管可以实验室规模试验实现相当高的热解 油产率，但是更大的工业规模示范项目通常产生低得多的产率。这可能是由于这种放大结 构的大得多的加热的三维容积内更宽范围的温度、保持时间和局部压力。
[0008] 发明简沐
[0009] 本发明的各种实施方案提供用于生物质分馏的系统和方法，其解决了如上详述的 生物质热解的主要问题同时仍利用在减少的氧气、中性或还原环境下加热生物质物料的基 本机制。本发明的一些实施方案可被称为生物质分馏器。
[0010] 本发明的一个实施方案包含用于生物质分馏的系统，包括：用于将研磨的生物质 接收入系统的装置；和多个生物质处理站，其包括用于加热生物质和使生物质经历生物分 馏的装置，和用于收集残余碳和生物炭的装置。在一些实施方案中，用于加热生物质和使生 物质经历生物分馏的装置包括螺旋钻反应器，其中，所述螺旋钻反应器包括用于提取含有 一种或多种挥发性组分的工艺气体流的装置。在进一步的实施方案中，用于加热生物质和 使生物质经历生物分馏的装置包括：用于将生物质供给螺旋钻反应器的送料机的装置；用 于将生物质传输通过螺旋钻反应器的装置；和用于当生物质传输通过螺旋钻反应器时加热 生物质的装置。用于传输生物质的装置可包括由外部电动机驱动的传输螺杆。
[0011] 在上述系统中，用于接收研磨的生物质的装置可包括：用于储存研磨的生物质和 汇集研磨的生物质的装置；用于分配来自料斗的研磨的生物质的装置；用于接收来自分配 器的研磨的生物质的装置；和用于在生物质加载倾倒站中移动研磨的生物质的装置。此外， 多个生物质处理站进一步可包括用于压缩研磨的生物质的装置，例如加热的粉碎处理站。 在一些实施方案中，多个生物质处理站实施为一个或多个圆盘。在进一步的实施方案中，多 个生物质处理站实施为一系列配置于椭圆的配置中的相互连接的板。
[0012] 本发明的另一实施方案包含用于生物质分馏的方法，包括：接收研磨的生物质； 在多个生物质处理站中加热生物质和使生物质经历生物分馏；和收集残余碳和生物炭。加 热生物质和使生物质经历生物分馏的步骤可包括：将生物质输送通过螺旋钻反应器。所述 方法可进一步包括提取含有一种或多种挥发性组分的工艺气体流。此外，加热生物质和将 生物质经历生物分馏的步骤可包括：将生物质供给螺旋钻反应器的送料机；将生物质输送 通过螺旋钻反应器；和当生物质输送通过螺旋钻反应器时加热生物质。
[0013] 在上述方法中，传输生物质可包括使用由外部电动机驱动的旋转的传输螺杆输送 生物质。此外，接收研磨的生物质的步骤可包括：储存生物质和汇集生物质；分配来自料斗 的研磨的生物质；接收来自分配器的研磨的生物质；和在生物质加载倾倒站中移动研磨的 生物质。在一些实施方案中，所述方法进一步包括在加热的粉碎处理站中压缩研磨的生物 质。
[0014] 本发明的一些实施方案涉及将研磨的生物质分配成薄片用于进一步的处理。这样 做时，产生了类似于实验室规模试验的环境；然而，所述环境是可改变的，因为它在两方面 可扩展为任何实际作业的生产量同时保持恒定厚度用于进入物料的热处理。
[0015] 本发明的其他实施方案涉及使生物质片的单个隔室（compartment)经历仔细地 控制的温度对时间，压力和局部工作气体组分的斜坡，以便从处理的生物质选择性地提取 各种成组的化合物。以这种方式，将生物质热解产物有效地分解为各种工作流，就像原油裂 解塔将进入的化石原油分离成各种工作流。
[0016] 在本发明的又一实施方案中，将模块化的机械构造用于促进多个分馏站，均在压 力容器内，所述压力容器可在大气压力之下，在露天下，和在高达并且包括超临界水作为工 作介质所需的温度和压力的提高的压力下运行。这样的实施方案包含多级式输入和输出气 闸以促进大批输入生物质和从可能非常高的温度和压力内部环境排出生物炭和各种分馏 流，在有效的基础上。一些实施方案进一步提供本文描述的各种模块热解处理站之间的可 变的热隔离和气流隔离。这通过在各种处理站中温度，压力和局部气体组分的显著变化允 许改进的分馏器产率。
[0017] 将本发明的各种实施方案特别地设计为在超临界环境下运行。通常，超临界流体 环境由于它们高得多的多的扩散速率提供相比于气态环境热传递的显著改进和相比于液 体环境化学反应速率的显著增加。特别地，将实施方案设计为使用超临界二氧化碳，超临 界水，甲烷，甲醇和其他小