生物质快速热转化的制作方法
【专利说明】
[00011 本申请是申请日为2008年11月10日、申请号为200880117154.1、名称为"生物质快 速热转化"的发明申请的分案。
技术领域
[0002] 本发明涉及将木材和/或其它生物质快速热转化成高产率且有价值的液体产物， 例如生物油。
【背景技术】
[0003] 生物质在大部分人类历史上是能量的主要来源。在十九世纪和二十世纪，随着化 石燃料经济发展的出现，世界能源中源自生物质的比例急剧下降，煤炭和石油产物占据了 市场。尽管如此，世界能源的15%仍然源自生物质，并且在发展中世界，生物质对能源供应 的贡献接近38 %。
[0004]通常为木材或木材残余物的固体生物质通过施加热而转化成有用的产物如燃料 或化学品。最常见的热转化实例是燃烧，其中加入空气并且使整个生物质原料燃烧以提供 热燃烧气从而产生热和蒸汽。第二个实例是气化，其中一小部分生物质原料与空气一起燃 烧，以将其余生物质转化为可燃性燃料气。称为发生炉煤气的可燃气表现出类似天然气的 特性，但是其通常只有天然气能含量的10~30%。最后一个热转化实例是热解，其中固体生 物质在基本无空气存在下转化成液体和炭以及气体副产物。
[0005] 在一般意义上，热解是通过热作用将生物质转化为液体和/或炭，通常在转化单元 中不使用直接燃烧。小量可燃气也是典型的副产物。历史上，热解是相对缓慢的过程，其中 所得到的液体产物是粘性焦油和"木干馏"液体。常规慢热解通常发生在400°C以下并且处 理时间从几秒钟到几分钟。用于木炭生产的一些慢热解过程所采用的处理时间可以为数小 时。
[0006] 在二十世纪70年代末发现了更现代的热解形式，称为快速热解，当时研究人员注 意到产率非常高的轻质易流动液体可能来自生物质。事实上，如果热解温度适度提高并且 使得转化在通常少于5秒的极短时间内发生，则液体产率有可能接近所输入的木材生物质 原料重量的80 %。
[0007] 来自快速热解的均质液体产物具有蒸馏咖啡的外观并且已经公知为生物油。生物 油作为燃料适用于锅炉中的清洁受控燃烧并且适用于柴油涡轮机和固定式涡轮机。这与以 非常低的产率产生稠密且低质量的两相焦油-水混合物的慢热解形成鲜明对比。
[0008] 在实践中，固体生物质的快速热解导致其固体有机物质的主要部分瞬间转化成气 相。该气相既包括不可凝气体(包括甲烷、氢气、一氧化碳、二氧化碳和烯烃），也包括可凝蒸 气。正是可凝蒸气构成最终的液体生物油产物，这种生物油产物的产量和价值与下游的捕 获和回收系统的方法和效率密切相关。快速热解过程中产生的可凝蒸气继续在气相中反 应，因此必须在其可能劣化成为低价值的液体和气体产物之前使其在下游过程中迅速冷却 或"淬火"。由于快速热解设备被扩大规模用以商业运行，因此必须特别注意液体生物油产 物的迅速冷却、淬火和回收的策略和手段。
【发明内容】
[0009] 本发明提供一种改进的生物质快速热转化方法，该方法通过大规模生产实现从气 相高效回收高产率且有价值的液体产物(例如生物油）。
[0010] 在一个实施方案中，将生物质原料例如木材进料至转化系统，在其中在基本无氧 的环境和350~600°C的热转化温度范围下，使生物质原料与热的载热体如砂的上升流混 合。热的载热体与生物质原料热接触，使得生物质转化成热蒸气流，所述热蒸气流被冷却、 冷凝并且在下游回收为液体产物。在一个优选实施方案中，热转化的温度为约500°C，保留 时间小于5秒，更优选小于2秒。
[0011]热蒸气流被引导至冷凝室或多个冷凝室，在其中热蒸气流从约350°C至600°C的转 化温度在小于1秒的时间内快速冷却到低于l〇〇°C的温度，更优选在小于100毫秒的时间内 冷却到低于50°C的温度，最优选在小于20毫秒的时间内冷却到低于50°C的温度。在一个优 选实施方案中，向上流动的蒸气流通过利用向下流动的淬火介质快速淬火蒸气流而冷却。 这种通过向下流动的淬火介质进行的快速直接的冷却或淬火使得蒸气流冷凝成液体产物。 在一个优选实施方案中，将一部分冷凝的液体产物排出冷凝室或多个冷凝室，并将其冷却 并循环回到冷凝室或多个冷凝室，以提供淬火介质。用作淬火介质的液体产物在循环回到 冷凝室之前可以冷却到3 0 °C~5 0 °C的温度。优选地，淬火介质向下倾倒的速率为至少 10gpm/ft2 (加仑每分钟/平方英尺)冷凝室截面积，更优选的速率为至少50~100gpm/ft2。冷 凝室内的液体产物作为有价值的液体产物如生物油进行收集，其可用作例如燃料和/或用 于其它商业用途。本发明的方法能够生产高产率的有价值的液体产物，例如产率为约输入 生物质原料的75%或以上。
[0012] 在一个实施方案中，位于第一冷凝室下游的第二冷凝室用于冷凝在第一冷凝室中 未冷凝的蒸气，以提高液体产物的产率。第二冷凝室可以使用与第一冷凝室相同或不同的 淬火介质。
[0013] 在一个实施方案中，除雾器和过滤器与第一和/或第二冷凝室相连，以清除离开冷 凝室的气流中的微小颗粒，并从气流中收集附加的液体产物。
[0014]优选地，该转化和收集过程是在大气压或接近大气压下进行的，这使得生物质的 进料、转化和液体产物的收集更容易也更安全。这也允许生物质以利于大规模工业生产液 体产物的高速率连续进料到转化系统。
[0015] 根据以下结合附图的详细说明，本发明各实施方案的上述及其它优点将显而易 见。
【附图说明】
[0016] 图1示出根据本发明的一个示例性实施方案的热转化和液体产物收集系统的图。
[0017] 图2示出根据本发明的一个示例性实施方案的生物质原料进料到热转化系统的进 料系统。
[0018] 图3示出根据本发明的一个实施方案的用于再加热载热体的再加热器。
[0019] 图4是示出根据本发明的实施方案的示例性热转化方法的结果的表。 具体实施方案
[0020] 图1示出根据本发明的一个示例性实施方案的用于将生物质如木材转化成高产率 液体产物的快速热转化系统10。
[0021] 进料系统
[0022] 进料系统15用于提供固体生物质原料到转化系统10的调节流量。优选地，生物质 原料是干燥的木材原料，也可以是木肩的形式，但液相和蒸气相(气相)生物质原料可在快 速热转化系统中使用可选的液相或气相进料系统进行有效处理。可用的生物质原材料包括 但不限于:硬木、软木、树皮、农业和造林残留物和其它生物质碳质原料。本发明实施方案还 可以应用于其它碳质原料的转化，所述碳质原料包括但不限于:塑料、聚合物、烃、石油、煤 炭和精炼原料。由于转化系统在稍高于大气压力（即足够克服下游设备背压的压力）下运 行，因此进料系统15应在稍高压力（1.2大气压)下向转化系统10提供原料，而同时在大气压 力下从例如木材贮存仓接收原料物质。为了实现原料