生物质处理装置，系统，及方法与流程

生物质处理装置，系统，及方法
1.相关申请交叉引用
2.本申请根据35 u.s.c
§
119(e)要求于2018年8月3日提交的美国临时专利申请62/714,386的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
3.本技术一般地涉及用于将生物质转化为例如液态烃，可再生化学品，和/或复合物的生物质处理装置，系统，和方法。


背景技术：

4.随着大气中二氧化碳水平的持续上升，生产碳中和和/或减碳燃料的努力已呈指数增加。风能，太阳能，潮汐能,和其他能源的创新正在不断发展，以作为传统的化石燃料的替代品。
5.另一丰富的燃料来源是在森林和其他自然环境中被发现的生物质。生物质是在世界许多地区和地形中被发现的丰富燃料来源。然而，转化这种生物质(例如，植物，木材等)面临许多挑战。例如，将生物质转化为燃料通常效率低下，只有很少的生物质的成分部件被转化为可用燃料。另外，在将生物质转化为包括车辆，公用事业，和其他燃料使用系统等现有系统和装置可使用的燃料方面出现了挑战。其他挑战是物流方面的。例如，在偏远或半偏远地区更容易找到丰富的生物质资源。为了减少将生物质运送到更方便的位置(例如，固定的转化工厂或其他固定结构)的能源成本，希望在当前生物质丰富的位置收集和转化生物质。
6.因此，需要一种处理生物质的装置，系统，和方法，以解决上面讨论的部分或所有问题。
附图说明
7.参考以下附图可以更好地理解本技术的许多方面。附图中的部件未必按比例绘制。相反，重点放在清楚地说明本技术的原理上。
8.图1是生物质处理系统的一个实施例的示意图。
9.图2是生物质处理系统的另一个实施例的示意图。
10.图3是生物质处理系统的另一个实施例的示意图。
11.图4是生物质处理系统的另一个实施例的示意图。
12.图5是与生物质处理系统一起使用的热解装置(包括螺旋钻)的示意图。
13.图6是与生物质处理系统的热解装置一起使用的螺旋钻的侧视图。
14.图7是沿图6的切面a
‑
a截取的图6的螺旋钻的纵向剖视图。
15.图8是用于生物质处理系统中的脱氧装置的侧面平面图。
16.图9a和9b分别是用于生物质处理系统的脱氧装置的催化剂床的部分纵向截面图和横向截面图。
具体实施方式
17.下文描述了生物质处理系统以及相关系统和方法的几个实施例的具体细节。一般地，本公开的生物质处理系统包括热解装置。所述装置可包括被配置为接收生物质(例如，木屑和/或其他植物)的进气口。热解装置可以被配置为接收和处理生物质而无需预处理生物质。例如，热解装置可以接收作为标准木屑机的输出的木屑，而无需进一步减小木屑的尺寸。热解装置可被配置为在升高的压力下输出热解蒸气和焦炭(例如生物炭)。
18.生物质处理系统可以进一步包括加氢处理单元(例如，脱氧反应器)，其被配置为处理蒸气和/或焦炭。在一些实施例中，加氢处理单元可以将蒸气转化为可用的烃。该加氢处理可以在不需要将烃中间转化为生物油或其他中间产物的情况下进行。
19.在一些实施例中，本公开的生物质处理系统可以包括一个或多个气化单元，其被配置为促进反应成分(例如，co2，h2o，焦炭等)转化为可用/期望的成分(例如，h2，co，烃等)。
20.在一些实施例中，本公开的生物质处理系统是能够在偏远地点操作并根据需要被移动到其他地点的偏远生物质处理系统。这样的系统可以被配置为“离网”操作，使得不需要现有的电力，水，或其他公用事业系统来操作所述生物质处理系统。优选地，除了本地来源的生物质之外，所述生物质处理系统被配置为在很少或没有附加燃料或其他输入的情况下运行。
21.优选地，本公开的生物质处理系统，特别是偏远生物质处理系统相对较小。例如，系统可以具有小于200平方英尺，小于240平方英尺，小于300平方英尺，和/或小于400平方英尺的占地面积。系统能够具有每天至少2吨，每天至少3吨，每天至少4吨，每天至少6吨，和/或每天至少8吨生物质的吞吐率。在一些实施例中，系统被配置为每天输出至少150加仑，至少200加仑，至少300加仑，和/或至少400加仑的可用烃。
22.生物质处理系统
23.图1提供了生物质处理系统10的实施例的示意图。所述系统10通常可以包括热解装置12，加氢处理器(例如，脱氧器或加氢脱氧单元(hdu))14，和/或气化器16。多个传质路径可在多个部件之间延伸，以促进在系统10的单元和装置之间的材料移动。
24.所述热解装置12可以包括，例如被配置为处理木材生物质13的螺旋钻。可以被引入热解装置12中的示例性生物质，包括但不限于木屑和锯末。在一些实施例中，在将生物质引入热解装置12之前对其进行处理，以减少生物质的水分含量。在一些实施例中，对生物质进行处理以将水分含量降低至10重量％(wt％)或更少。如关于后面的实施例更详细地讨论的，螺旋钻可以是渐变的(tapered)，使得螺旋钻的毂从热解装置12的入口端到出口端在尺寸上增加。后面的实施例也更详细地讨论的，热解装置12可包括在接收生物质13的第一部分15的入口与热解装置12的出口之间的密封件。生物质13的第二部分17可被引导至，例如，所述气化器16。
25.热解装置12通过应用热量和/或压力来将生物质转化为热解蒸气和/或焦炭。只要将生物质转化成热解蒸气和/或焦炭，则在热解装置12中可以使用任何合适的热和/或压力参数。热解装置12可以输出热解蒸气和/或焦炭，在该点处输出材料可以被分离。例如，热解蒸气与焦炭可以被分离，使得热解蒸气(或主要为热解蒸气)通过传输路径18被传输至加氢处理器14，而焦炭(或主要为焦炭)通过传输路径20离开加氢处理器14。本文讨论的任何和所有传输路径，包括传输路径18，20可以包括一个或多个管道，管，和/或其他通道或导管。
类似地，本文讨论的任何传输路径可包括一个或多个被设置于其中的阀。阀可以是止回阀，其被配置为在最小开启压力下打开。在一些实施例中，阀是电磁阀或其他阀，其被配置为被控制(例如，通过控制器)以在打开和关闭配置之间转换。
26.加氢处理器14可以被配置为将由热解装置12产生的热解蒸气转化成可用物质。例如，加氢处理器14可以包括被设置于加氢处理器14内的一个或多个催化剂。在一些实施例中，催化剂涂覆在加氢处理器14的多个内表面上。在一些实施例中，催化剂被装载在延伸通过加氢处理器14的管中。在下面更详细讨论，这些催化剂可以被配置为处理热解蒸气以产生水，烃，和/或轻质气体的混合物。在一些实施例中，加氢处理器14被配置为在升高的压力和温度下处理热解蒸气，而无需在处理之前冷凝蒸气。优选地，由在加氢处理器14中进行的加氢处理产生的产物混合物是不混溶的，允许容易地将烃，水，和轻质气体彼此分离(例如，通过虹吸)。
27.如图1进一步所示，由加氢处理器14产生的产物混合物可以被进行分离以形成水流，烃流,和轻质气体流。烃流可以从加氢处理器14通过输出路径22被输出。输出路径22可以将烃引导至储罐，引导至进一步处理装置，和/或生物质处理系统10的一个或多个部件。轻质气体可以通过第二输出路径24从加氢处理器14被引导。加氢处理器14的第二输出路径24可以将轻质气体引导到储罐。在一些实施例中，轻质气体和/或烃被用于操作生物质处理系统14的其他部件。例如，轻质气体或烃可以被用于操作内燃机或被配置为操作热解装置12的其他机构。在一些实施例中，轻质气体或烃被用于加热热解装置12(例如，通过加热套，熔融盐回路，电加热套，或其他加热机构)。
28.热解装置12的输出的一部分(例如，热解蒸气)可以通过传输路径18被引导至加氢处理器14，而热解装置12输出的另一部分(例如，焦炭)可以通过传输路径20被引导至气化器16。如前所述，来自热解装置12的输出物可以被选择性地引导至传输路径18，20，通过使用过滤器和/或阀去减少被引导至加氢处理器14的焦炭的量同时减少引导至气化器16的蒸气的量。
29.在一些实施例中，由加氢处理器14产生的水，或其至少一部分，通过传输途径26被引导至气化器16。气化器16可以被配置为使用来自加氢处理器14的水，来自热解装置12的焦炭，和/或生物质(例如，引导至气化器16的生物质的第二部分17)以产生期望的化合物。例如，气化器16可以被配置为通过传输路径28将co输出到热解装置12以增加热解装置12的效率。在一些实施例中，气化器16产生氢气，该氢气通过传输路径30被输出到加氢处理器14，以提高加氢处理器14的效率(例如，烃的产量)。
30.如图1所示，加氢处理器14输出的水以及气化器16输出的一氧化碳和氢气在整个过程中被重复使用，从而提高了c和h的效率。
31.图2示出了生物质处理系统110的实施例，其在一些方面与生物质处理系统10相似或相同。例如，生物质处理系统110，10在结构和功能之一或两者上可以彼此相似。在后续的描述中，像被用于指示特征的数字(例如，热解装置12与热解装置112，其中参考数字中的最后两位数字是相同的)在两个生物质处理系统10，110之间可以相似或相同。
32.如图2所示，加氢处理器114可以包括脱氧装置132。脱氧装置132可以配置为通过传输路径118从热解装置112接收热解蒸气。脱氧装置132可以包括一个或多个嵌埋式的，涂覆的，或其他方式与脱氧装置132关联的催化剂。脱氧装置132可以被配置为从气化器116或
其他来源接收氢气和/或一些其他化合物，以帮助对从热解装置112接收的热解蒸气进行脱氧。一般而言，由脱氧装置132进行的脱氧过程通过制水将氧气除去。脱氧装置132还能够在气相中脱氧为烃。
33.加氢处理器114还可以包括冷凝器134或其他部件(例如，容器，流体分离器，或其他装置)，其被配置为接收来自脱氧装置132的输出。冷凝器134可以冷凝输出的水，轻质气体，和/或来自脱氧装置132的烃。优选地，来自脱氧装置132的输出成分是不混溶的，并且容易被分离成它们各自的部分(例如，水，轻质气体，或烃)。轻质气体可以通过传输路径124输出到热电联产(chp)系统136。水可以通过传输路径126被循环回气化器116。在一些实施例中，烃通过传输路径122被传输到存储容器中或到系统110的一些其他部件中。冷凝器134操作以确保不会因相分离或生物油再蒸发而损失碳。
34.图3示出了生物质处理系统210的实施例，其在一些方面与热解系统10，110相似或相同。例如，生物质处理系统210，110，10可以在结构和功能中的之一或两者上彼此相似。在后续的描述中，相似的数字(例如，热解装置12相对热解装置112相对热解装置212，其中参考数字中的最后两位数字是相同的)被用于表示生物质处理系统10，110，210之间相似或相同的特征。
35.如图3所示，加氢处理器214可以包括过滤器装置240。该过滤器或分离器装置240被配置为从焦炭中分离热解蒸气，这两者均通过传输路径218从热解装置212被接收。如将在下面进一步详细解释的，加氢处理器214的一个或多个部件被配置为在焦炭的存在下操作。这样，并不是所有实施例都需要从热解蒸气中完全滤除焦炭。在从热解蒸气中分离(至少部分地)焦炭之后，过滤器装置240被配置为通过传输路径242输出焦炭(或主要为焦炭)并且通过第二传输路径244输出热解蒸气(或主要为热解蒸气)。来自过滤器装置240的用于焦炭的传输路径242可以通向容器。在一些实施例中，来自过滤器装置240的焦炭被引导至用于化学反应的气化器或其他部件，如下面进一步详细讨论的。
36.加氢处理器214可以可选地包括冷凝器246。冷凝器246可以被配置为冷凝从脱氧装置232被接收的混合物(例如，水，烃，和/或轻质气体)。冷凝的混合物可以被引导至分离装置248，其被配置为分离混合物的成分。分离装置可以被配置为通过传输路径222输出水并且通过第二传输路径226输出烃。分离装置248可以通过第三传输路径224输出燃料气体(例如，轻质气体)。水和/或烃可以被引导至系统210的其他部件以用作燃料和/或用在化学反应中。
37.在一些实施例中，燃料气体，或其中一部分被引导到致动器250。致动器250可以被配置为操作热解装置212(例如，旋转螺旋钻)。示例性的致动器250包括被配置为向热解装置212提供动力的内燃机，电动机，涡轮机械，或其他机构。在一些实施例中，燃料气体被引导至被配置为向致动器250提供电力和/或向系统210的其他部件供电的发电机。
38.热解系统210可以包括燃料气体储存器252，该燃料气体储存器252被配置为在使用致动器250之前保存由加氢处理器214提供的燃料气体。在一些实施例中，使用传统化石燃料或不是被系统210生产的其他燃料至少部分地填充燃料气体储存器252，以向系统210提供初始或补充能量。
39.至少一部分储存在存储器252中的燃料气体可以被引导至燃烧器254。如图3所示，在一些实施例中，燃料气体通过传输路径256从燃料气体存储器252提供给燃烧器254。燃烧
器254可被配置为燃烧燃料气体以向热管258或其他加热机构提供热量。热管258可以被配置为向热解装置212提供热量。例如，热管258可以沿着热解装置212的长度向热解装置212的一部分提供热量。热量可以沿着热解装置212的长度的至少一部分被引导围绕热解装置212的外表面的全部或一部分。在一些实施例中，来自热管258的热量加热围绕热解装置212的一部分的护套。在一些实施例中，来自致动器250的排放气体260也可以被引导到热管258以补充提供给热解装置212的热量。在一些实施例中，电加热器可以被用作热管258的补充或替代。电加热器可以沿着热解装置212的长度的一部分围绕热解装置212的一部分。
40.在一些实施例中，生物质处理系统210包括在致动器250和/或储存器252上游的燃料处理器262。在一些实施例中，燃料处理器262可以被设置于(例如，物理上和/或流路径)燃料储气罐252和分离装置248之间。燃料处理器262可以是，例如，气化器和/或具有氢分离膜或其他结构被配置以从燃料气体中分离氢的装置。燃料处理器262可以被配置为将分离的氢引导至热解装置212，以促进热解装置212中的生物质的热解。在一些实施例中，生物质处理系统210包括被配置为向分离装置262和/或热解装置212提供氢气的第二氢源264。
41.图4示出了生物质处理系统310的实施例，在一些方面其与热解系统10，110，210相似或相同。例如，生物质处理系统310，210，110，10在结构和功能之一或两者均可以彼此相似。在后续的描述中，相似的数字(例如，热解装置12相对热解装置112相对热解装置212相对热解装置312，其中参考数字中的最后两位数字是相同的)被用于表示生物质处理系统10，110，210，310之间相似或相同的特征。
42.如图4所示，提供了旋风分离器形式的第一分离单元340，用于分离热解蒸气和焦炭。旋风分离器340通过传输路径318接收热解单元312的产物，并使用，例如离心力，将热解蒸气与焦炭分离。焦炭通过传输路径342离开旋风分离器340，而热解蒸气通过传输路径344a被传输到硫防护床形式的第二分离单元341。硫防护床341从热解蒸气中除去硫，以使热解蒸气中的硫含量接近于零。然后将处理后的热解蒸气通过传输路径344b传输到脱氧装置332。氢源333被提供以便向脱氧装置332提供更多的氢气。氢气333在分压下被提供，并且氢气333与被包括在脱氧装置332中的催化剂一起用于优化选择性和产率。
43.热解装置和螺旋钻
44.图5示出了热解装置512的实施例。任何或所有热解装置12，112，212，312可以共享热解装置512的全部或一些特征。如图所示，热解装置512可以包括螺旋钻570。螺旋钻570可具有入口端572和出口端574。螺旋钻570的芯可从入口端572朝向出口端574向外渐变。螺旋钻570可包括围绕芯包裹的叶片576(例如，呈螺旋状)。叶片576可具有从芯在垂直于芯的旋转轴线的方向上测量的叶片高度。叶片576的高度可以从螺旋钻570的进口端572到出口端574变化。例如，叶片576的高度可以在进口端572和出口端574之间减小。在一些实施例中，叶片576的高度在入口端和出口端574之间可以以与螺旋钻570的芯的直径的增加成比例的速率减小，使得叶片576的外尖端(例如，从沿螺旋钻570的旋转轴线开始测量)和螺旋钻570的旋转轴线之间的距离沿螺旋钻570的长度基本恒定。
45.加热器575可以被设置于围绕热解装置512的进料入口571和出口之间螺旋钻570的一部分。在所示的示例中，加热器575是电带式加热器。如关于先前实施例所解释的，加热器575可以是加热护套，热管，和/或用于加热热解装置512的全部或一部分的任何其他结构或方法。优选地，加热器575完全围绕热解装置512(例如，螺旋钻570)长度的一部分。在一些
实施例中，可使用熔融盐代替或附加于加热器575以向热解装置512提供热量。熔融盐可以在第一温度下通过熔融盐入口581被引入热解装置512，并且可以在第二较低温度下通过熔融盐出口582离开热解装置512。第一温度可以是，例如，至少300℃，至少400℃，至少500℃，至少600℃，和/或至少800℃。第二温度可以是小于或等于900℃，小于或等于800℃，小于或等于600℃，小于或等于400℃，和/或小于或等于200℃。在一些实施方案中，熔融盐由气化器提供。
46.在热解装置512的操作过程中，可以在沿螺旋钻570的长度的一点处形成密封件577。更具体地，随着生物质从生物质材料转变为热解蒸气和焦炭的转变，生物质经历了一个过渡阶段。至少部分地由于生物质的热塑性性质，在热解装置512的入口和出口之间的过渡生物质形成了高压密封件577(例如，“熔融”密封件)，能够维持热解装置512中密封件577和热解装置512出口间的高压。这些高压可以是至少300磅/平方英寸(psia)，至少400psia，至少500psia，至少1,000psia，和/或至少2,000psia。同时，入口571处和压力密封件577上游的操作压力可以基本上等于大气压(例如，在大约14
–
15psia之间)，这可以允许将生物质直接进料到热解装置512中，在入口571处不需要阀或其他压力维持机构。使用生物质形成密封件577可以减少或消除在螺旋钻570的上游部分中对附加的密封件或其他压力增加或压力维持机构的需要。在一些应用中，压力密封件577消除了使用压缩机或其他机制来增加热解装置512内的压力的需要。优选地，在螺旋钻570的正常操作期间，熔融密封件577逐渐被消融和被补充。例如，当熔融密封件577的下游侧被消融时，熔融密封件577的上游侧从密封件577的上游的生物质被补充。
47.在一些实施例中，熔融密封件577位于加热器575的上游端或附近。在一些实施例中，熔融密封件577被设置于加热器575的上游端和下游端之间。在一些实施例中，熔融密封件577跨越加热器575的上游端。
48.热解装置512还可以包括用于将氢气供应给热解装置512的氢气入口583。氢气可以来自，例如，燃料处理器262(图3)。将氢气添加至热解装置可促进热解装置512中生物质的热解。
49.在一些实施例中，螺旋钻570和/或螺旋钻壳体573的全部或一部分被涂覆有催化化合物。这些催化剂可以被配置为增强热解装置内的热解过程，以使装置512内的蒸气脱氧，和/或在蒸气中产生有利的碳链。在一些实施例中，多个催化剂被用于涂覆螺旋钻570和/或壳体573的多个部分。示例性催化剂可以包括钼(mo)基催化剂(例如，钴
‑
钼，镍
‑
钼，等)。mo基催化剂的使用可以提供贵金属基催化剂和其他更昂贵，难以获得的催化剂的便宜替代品。
50.图6和7提供了热解装置512的螺旋钻570的独立视图。如图所示，螺旋钻570可以由两个或更多个单独的部分形成。例如，螺旋钻570可包括上游段578和下游段580。这两个段可通过上游段和下游段578，580之间的螺纹接合579连接。
51.在垂直于螺旋钻570的旋转轴线的方向上，从螺旋钻570的芯到叶片576的尖端测量的螺旋钻570的叶片576(例如，螺纹)的深度可以沿螺旋钻570的长度变化。例如，在入口端572处的叶片576的深度(例如，叶片高度)和在螺旋钻570的出口端574处或附近的叶片576之间的比率可以大于10倍，大于8倍，大于6倍，大于3倍，和/或大于1.5倍。在一些实施例中，叶片576的最大深度与叶片的最小深度之间的比率在大约7：1到大约18：1之间。
52.除氧装置
53.本文描述的系统的脱氧装置可以被配置为在气相中以增加的压力使热解蒸气脱氧，而无需冷凝成生物油以及随后的生物油汽化。由脱氧装置产生的烃，水，和/或轻质气体可以被引导至冷凝器以冷凝出水，烃燃料，和轻质气体。一些或全部水可以被引导入气化炉以产生co，h2，和/或其他所需化合物，以用于系统的部件中，以提高效率并产生更高的烃产量。本文描述的系统的脱氧装置还可以被配置为利用催化剂和混合结构将热解蒸气转化为烃，水，和/或燃料气体。
54.图8示出了脱氧装置632。上面关于图1
‑
4所述的脱氧装置和/或加氢处理器可以共享以下描述的脱氧装置632的一些或全部结构和/或功能特征。
55.如图所示，脱氧装置632可包括在上游端684和下游端686之间延伸的处理部分682。上游端和下游端684，686可被配置为连接至一个或多个传质结构例如管，软管，管道，和/或其他结构。上游端684可以被配置为从热解装置接收热解蒸气。热解蒸气可以在热解装置的熔融密封件或其他密封件的下游实现的升高的压力和温度下被接收。
56.脱氧装置632的处理部分682可以包括单个管688。管688可以由热交换器管(未示出)或被配置为控制管688的温度的一些其他结构围绕。在一些实施例中，一个或多个混合结构690被提供在管688内。混合结构690可以是，例如，被设置于管688内的鳍，螺旋，肋，突起，或其他物理结构。
57.管688和/或混合结构690可以被涂覆和/或被嵌入一个或多个催化剂，该催化剂被配置成有助于热解蒸气的脱氧过程。催化剂可以是加氢处理催化剂。在一些实施例中，使用一个以上的催化剂。例如，可以在管688和/或混合结构690的上游部分上使用第一催化剂，并且可以在管688和/或混合结构690的下游部分上使用一个或多个与之不同类型的附加催化剂。当需要重新施加和/或更换催化剂时，使用静态部件(例如，混合结构690和管688)可以促进脱氧装置632的部分容易地更换。
58.混合结构690可以被配置为增加脱氧装置632内的湍流。增加脱氧装置632内的湍流可以增加脱氧装置632内的化学反应期间的传质。在一些实施例中，通过使用纤维的，粗糙的，和/或多孔的材料来增加混合结构690的表面积。例如，金属纤维片(例如，烧结金属纤维片)可以被用于形成混合结构690和/或覆盖混合结构690。示例金属纤维材料包括由aisi 316l，hastelloy c276，inconel 600，和hastelloy x制造的烧结金属纤维板。也可使用其他材料。
59.混合结构690和/或管688使用高表面积材料可以增加可施加到脱氧装置632表面的催化剂的量。例如，原子层沉积可被用于精确地沉积催化剂层。在一些实施例中，混合结构690和/或管688的表面可以用纳米颗粒(例如，镍和/或铁纳米颗粒)装饰，以增加混合结构690和/或管688在其上接收催化剂的能力。在一些实施例中，脱氧装置632的部分被浸入或要不然被涂覆在包含纳米颗粒的悬浮液中。增加的催化剂含量可增加由脱氧装置632产生的可用烃的量。由此得到的涂覆有催化剂材料的纤维结构的多尺度复合材料可允许在脱氧装置632内进行结构合理，高效的脱氧过程。
60.在一些实施例中，使用上述多尺度复合材料可允许通过脱氧装置632的较大的流途径。使用具有静态结构和/或很少的收缩的大途径可允许脱氧装置632对在蒸气混合物中生物
‑
焦炭的存在具有耐受性。耐受生物
‑
焦炭可以允许使用生物
‑
焦炭以提高脱氧装置632
的效率，并且可以减少或消除从热解装置的输出中滤出生物
‑
焦炭的需要。
61.通过在混合结构690和管688之一或两者的表面上使用碳纳米管和/或纳米纤维，可以实现脱氧装置632内表面积的进一步增加。纳米管/纳米纤维可以具有非常高的表面积(例如200
–
1,100m2/g)能够被涂覆催化剂材料。在一些实施例中，纳米管和/或纳米纤维可以掺杂有氮以增强催化活性。
62.图9a和9b示出了脱氧装置的实施例，其中多个管903被放置在脱氧装置内，并且管903被填充或涂覆有催化剂904以促进脱氧反应。这些管903可以被用作壳管式换热器901的一部分，从而由脱氧反应产生的热量可以用于系统的其他部分。在一些实施例中，沿管903的长度所述管903被填充不同的催化剂904a，904b，904c，等，以进行连续的反应，从而产生所期望的最终产物分子。
63.参考图9b，可以在脱氧装置内使用的壳管式换热器901通常包括外壳902，外壳902中被放置有多个管903。在管903内，催化剂904被填充以填充管903内的一些或全部空隙空间。虽然在图9b中未示出，但是催化剂也可以被涂覆在管903的内壁上。热解蒸气通过管903的长度，并且在管903内发生脱氧反应。由于催化剂904的存在，引发和/或促进了脱氧反应。管903并未填充外壳902内的所有空隙空间，并且因此，在壳902内但在管902的外部形成通道。通过脱氧反应放出的热量可以穿过管并进入壳902内的通道。如果另一种材料通过通道(例如，与热解蒸气通过管903的方向相反)，则该材料可被脱氧反应产生的热量加热。
64.参考图9a，可以使得催化剂904的类型沿着管903的长度变化的方式将催化剂904装载在管903中。通过仔细校准沿管903长度使用的催化剂904的类型，可以在沿管903长度的不同点促进不同的反应。因此，当热解蒸气的组成随着其通过管903而改变时，催化剂904可以基于，例如，预期在沿管903的不同点处可用的反应物而不同以促进特定的反应。图9a示出了箭头905，表示了通过管903的热解蒸气的流动方向。更靠近管903上游侧的第一区域，提供催化剂904a以促进第一反应。第一反应的结果是改变了存在于管903的中间部分的材料的类型。这样，在管903的中间部分提供了第二催化剂904b，第二催化剂904b被设计为促进第二反应，该第二反应需要的更高含量或浓度的反应物由第一反应产生。第三催化剂904c更靠近管903的下游端。第三催化剂904c被设计为促进第三反应，该第三反应需要的更高含量或浓度的反应物由第二反应产生。基于该配置，脱氧装置的效率被提高了(例如，在将热解蒸气转化为期望的最终产物方面)。尽管图9a沿管903的长度显示了三种不同类型的催化剂，但是应该理解，在管903内可以使用任何数量的不同类型的催化剂。
65.本文所述的系统可以结合压力耦合器，该压力耦合器允许热解装置和加氢处理器(例如，脱氧单元)分离。该分离点允许进入热解单元和加氢处理器。例如，使用该压力耦合器，当采用壳管配置时，可以通过移除和替换壳体内的管来替换加氢处理器中的催化剂，而不会影响热解装置。类似地，可以去除例如，被设置于热解装置和脱氧装置之间(例如，如图4所示)的硫防护床中的催化剂，而不会影响脱氧装置。
66.碳效率
67.在一些实施例中，与现有技术的系统相比，上面描述的热解系统的使用可以允许碳效率的增加。例如，上述系统可允许来自加氢处理和/或脱氧过程的主要废弃物为水，以便将更多的碳转化为烃(例如，而不是二氧化碳)。然后可以在综合气化过程中使用副产物碳(例如焦炭)从水中产生氢气。理论质量平衡的一个示例如以下反应所示(以兆摩尔为单
位)：
68..23ch
1.33
o
.56
+.15h2→
.16ch2+.12h2o+.07ch
.71
o
.09
，
69..07ch
0.71
o
0.09
+.13h2o
→
.15h2+.07co270.在上述反应中，大约5吨/小时的生物质(0.225兆摩尔的ch
1.33
o
0.56
)与0.3吨/小时的h2反应生成2.2吨/小时的烃(例如，本示例中的ch2)以及2.1吨水和0.9吨焦炭(ch
0.71
o
0.09
)。这意味着进料生物质中的30％的碳最终以二氧化碳的形式被废弃，但原始生物质中的95％的能量保留在产生的烃中。
71.氢效率
72.上述质量平衡中提到的焦炭量可以用2.3吨水蒸汽气化，以产生所需的氢气和2.9吨二氧化碳。在一些实施例中，可以将一氧化碳进料至热解装置以在热解步骤中合并水
‑
气变换以产生附加的h2。以下示例性反应说明了一氧化碳如何既可用于生成烃，又可通过焦炭与二氧化碳(例如，由焦炭和水产生h2的时候产生二氧化氮)反应而产生：
73..23ch
1.33
o
.56
+.11h2+.04co
→
.16ch2+.08h2o+.04co2+.07ch
.71
o
.09
74..05ch
.71
o
.09
+.09h2o
→
.11h2+.05co275..02ch
.71
o
.09
+.02co2→
.01h2+.04co
76.上面列举的每个反应都说明了如何利用本公开的热解系统将碳和氢气循环利用，以增加总的烃产量。
77.附加示例
78.以下示例阐述了当前技术的几个方面：
79.1.一种热解装置，其包括：
80.具有入口和出口的壳体；和
81.被设置于所述壳体内的螺旋钻，所述螺旋钻具有：
82.邻近所述壳体的所述入口的上游端；
83.邻近所述壳体的所述出口的下游端；
84.在所述上游端和所述下游端之间延伸的芯；和
85.在所述上游端和所述下游端之间缠绕所述芯的螺旋叶片；
86.其中：
87.所述壳体的所述入口被配置为接收生物质；和
88.所述热解装置被配置为将所述生物质转化为热解蒸气，并产生由在生物质和热解蒸气转变过程中的材料形成的压力密封件，所述压力密封件被设置于所述壳体的所述入口和所述壳体的所述出口之间。
89.2.根据权利要求1所述的热解装置，其中，所述螺旋钻的所述芯从所述上游端的第一直径渐变至所述下游端的第二直径，所述第一直径小于所述第二直径。
90.3.根据权利要求2所述的热解装置，其中：
91.所述螺旋叶片具有沿垂直于所述芯的旋转轴线的方向从所述芯的外表面到所述螺旋叶片的末端测量的叶片高度；和
92.所述螺旋叶片的所述高度从所述螺旋钻的所述上游端到所述下游端变化。
93.4.根据权利要求3所述的热解装置，其中，所述螺旋叶片的所述高度从所述上游端到所述下游端减小。
94.5.根据权利要求4所述的热解装置，其中，所述螺旋叶片的所述高度以与所述螺旋钻的所述芯的所述直径的增加成比例的速率减小，使得所述叶片的所述末端与所述螺旋钻的所述旋转轴线之间的距离沿所述螺旋钻的所述长度基本恒定。
95.6.根据权利要求1所述的热解装置，还包括：
96.加热器，其在所述壳体的所述入口与所述壳体的所述出口之间围绕所述螺旋钻的一部分。
97.7.根据权利要求1所述的热解装置，其中，在操作过程中：
98.所述壳体内在所述入口和所述压力密封件之间的压力约为大气压；和
99.所述壳体内所述压力密封件和所述出口之间的压力至少为300磅/平方英寸(psia)。
100.8.根据权利要求1所述的热解装置，其中，所述壳体的所述入口被配置为接收木屑，锯末，或其组合形式的生物质。
101.9.根据权利要求1所述的热解装置，还包括用于将气体引入到所述壳体中的气体入口。
102.10.根据权利要求1所述的热解装置，其中，所述气体入口与一氧化碳源或氢源流连通。
103.11.一种生物质处理系统，包括：
104.热解装置，被配置为接收生物质，热解所述生物质以产生热解蒸气，并输出所述热解蒸气；和
105.与所述热解装置流连通的脱氧装置，所述脱氧装置被配置为接收所述热解蒸气并使所述热解蒸气脱氧以产生脱氧产品流，其包括水，烃，和燃料气体中的至少两种。
106.12.根据权利要求11所述的生物质处理系统，其中，在不将所述热解蒸气冷凝为生物油的情况下将所述热解蒸气的进行脱氧。
107.13.根据权利要求11所述的生物质处理系统，其中，所述热解装置以至少300磅/平方英寸(psia)的压力输出热解蒸气。
108.14.根据权利要求11所述的生物质处理系统，其中，热解所述生物质还产生焦炭，并且所述系统还包括与所述热解装置流连通的过滤器，所述过滤器被配置为将所述焦炭与所述热解蒸气分离。
109.15.根据权利要求14所述的生物质处理系统，还包括：
110.与所述脱氧装置流连通的分离器，所述分离器被配置为将所述脱氧产品流分离成水流，烃流，和燃料气体流。
111.16.根据权利要求15所述的生物质处理系统，还包括：
112.与所述分离器流连通的气化器，所述气化器被配置为接收由所述分离器产生的所述水流和由所述过滤器产生的所述焦炭，并产生氢气流和一氧化碳流。
113.17.根据权利要求16所述的生物质处理系统，其中，所述热解装置与所述气化器流连通，并且所述热解装置被配置为接收所述一氧化碳流。
114.18.根据权利要求16所述的生物质处理系统，其中，所述脱氧装置与所述气化器流连通，并且所述脱氧装置被配置成接收所述氢气流。
115.19.根据权利要求15所述的生物质处理系统，其中，所述分离器包括旋风分离器。
116.20.根据权利要求11所述的生物质处理系统，还包括：
117.与所述热解装置流连通的过滤器，所述过滤器被配置为从所述热解蒸气中分离出硫。
118.21.一种脱氧装置，包括：
119.入口；
120.出口；
121.在所述入口和所述出口之间延伸的壳体；
122.被设置于所述壳体内的在所述入口和所述出口之间的一个或多个混合结构，所述混合结构；和
123.被放置于所述壳体内的催化剂材料，所述催化剂被配置为促进脱氧反应。
124.22.根据权利要求21所述的脱氧装置，其中，所述一个或多个混合结构包括一个或多个金属纤维片，在所述金属纤维片上放置有碳纳米管，碳纳米纤维，或两者。
125.23.根据权利要求22所述的脱氧装置，其中，所述催化剂被放置在所述壳体的内表面，所述一个或多个混合结构，以及所述碳纳米管和/或碳纳米纤维中的一个或多个上。
126.24.根据权利要求21所述的脱氧装置，还包括：
127.位于所述壳体内的壳管式换热器，所述壳管式换热器包括多个管，其中所述催化剂被填充在所述多个管的每一个内。
128.25.根据权利要求24所述的脱氧装置，其中，每个管包括上游端和下游端，并且其中被配置以促进第一反应的第一类型的催化剂被填充在贴近所述上游端，并且被配置以促进第二反应的第二类型的催化剂被填充在贴近所述上游端。
129.26.一种处理生物质的方法，包括：
130.热解生物质以产生焦炭和热解蒸气；
131.从所述热解蒸气中分离所述焦炭；
132.使所述热解蒸气脱氧以产生脱氧产品流，所述脱氧产品流包括水，烃，和燃料气体；
133.将所述脱氧产品流分离为水，烃，和燃料气体，以及
134.将所述焦炭和所述水气化以产生氢气和一氧化碳。
135.27.根据权利要求26所述的方法，还包括：
136.利用所述氢气对所述热解蒸气进行脱氧。
137.28.根据权利要求26所述的方法，还包括：
138.使用所述一氧化碳热解所述生物质。
139.29.根据权利要求26所述的方法，还包括：
140.在分离所述脱氧产品流之前，将所述脱氧产品流冷凝。
141.30.根据权利要求26所述的方法，还包括：
142.处理所述燃料气体以从所述燃料气体中分离出氢气。
143.31.根据权利要求30所述的方法，还包括：
144.燃烧所述燃料气体以驱动所述生物质的所述热解。
145.32.根据权利要求26所述的方法，还包括：
146.在将所述热解蒸气脱氧之前，先从所述热解蒸气中分离出硫。
147.以上对技术实施例的详细描述并非旨在穷举或将技术限制为以上公开的精确形式。尽管以上出于说明性目的描述了本技术的特定实施例和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本技术的范围内多种等效修改是可能的。例如，虽然步骤以给定顺序呈现，但是替代实施例可以以不同顺序执行步骤。此外，本文描述的多个实施例也可以组合以提供其他实施例。本文中对“一个实施例”，“实施例”或类似表述的引用是指结合该实施例描述的特定特征，结构，操作，或特性可以包括在本技术的至少一个实施例中。因此，本文中此类短语或表述的出现不必全都指同一实施例。
148.此外，除非将单词“或”明确限制为仅指两个或多个项目列表中的排除其他项目之外的单个项目，否则在该列表中使用“或”被解释为包括(a)列表中的任何单个项目，(b)列表中的所有项目，或(c)列表中项目的任何组合。在上下文允许的情况下，单数或复数术语也可以分别包括复数或单数术语。附加地，术语“包括”在全文中用于表示至少包括所叙述的特征，使得不排除任何更多数量的相同特征和/或其他类型的附加特征。在本文中可以使用诸如“上”，“下”，“前”，“后”，“垂直”，和“水平”之类的方向性术语来表达和阐明多个元件之间的关系。应当被理解，这样的术语不表示绝对方向。此外，尽管已经在那些实施例的上下文中描述了与该技术的某些实施例相关联的优点，但是其他实施例也可以展现出这样的优点，并且并非所有实施例都需要展现出这些优点而落入本技术的范围内。因此，本公开和相关技术可以涵盖本文未明确示出或描述的其他实施例。