专利名称：用于生物质分馏的系统和方法
技术领域：
本发明针对清洁能源，并且更特别地，本发明的一些实施例提供了用于生物质分馏的系统和方法。
背景技术：
在21世纪早期，全球变暖和其与广泛使用化石燃料的相互关系已经逐渐成为主要的技术挑战之一。寻找更有效使用可再生生物质(biomass)的方式是解决这些问题的非常重要的途径。在工业革命开始之前，木材和植物油是工业文明之前的主要能源，这些能量主要用于加热、烹饪和照明。在早期阶段，生物质只是简单地在户外燃烧以产生热和光。几千年以前，人们发现，如果在燃烧过程中限制空气的供给，则可从燃烧的木材中获得致密的黑色残余物(现在我们称作焦炭)。热焦炭可被水熄灭、被干燥并且被再燃烧从而产生更热更旺盛的火焰。焦炭的出现与冶金术的发展同时进行，冶金术依赖其较热并且较干净的火焰及从矿石中提炼金属并且将它们形成有用的产品的还原能力。现在，在氧减少的环境中或者在无氧环境中烘烤可燃材料的过程被称作热分解。热分解木材和其他形式的混合生物质产生焦炭(有时也被称作生物碳)以及氢气、一氧化碳和二氧化碳的碳氢混合物(有时也被称作合成气)。在无氧环境下烘烤化石燃料碳氢化合物首先导致较长的链烃断裂成较短的链烃，最终变成更基本的形式，例如甲烷(CH4)、氢气和元素碳。事实上，热分解是石化裂解的基本机制，其是精炼油工艺的主要部分。在精炼过程中使用强度更大的热分解以产生氢气和高纯度碳。同样地，在热分解过程中，生物质(由纤维素、半纤维素、木质素、淀粉和油脂组成)经过多个分解步骤。一般地，当经受高温(例如，800°C )延长的时间段时，热分解最终产生合成气。随着温度和暴露时间间隔的减小，残留的生物碳残余物的量增加。在更低的温度和时间间隔下，更复杂的烃和被氧化的烃存在于来自被热分解的生物质的气体流中。在低端，简单的日常烹饪食物一般除去水并且开始对生物质脱水，导致与被被烹饪的食物相关联的暗色化和焦化。已经研制了各种形式的实验室和小型商业生物质热分解器，用来从生物质材料 (包括从木片到污水污泥的范围)的受控制热分解中产生有用的化学产品。虽然一些热分解器仅关注产生合成气，但是在研究适度的热分解条件中作出了巨大努力，这一般产生通常被称作生物油的浓缩流体。已经在实验室阶段研究了多种形式的热分解器从而生产这些中间化合物，这被共同称作生物油或热分解油。配置包括简单的管式炉(其中生物质在陶瓷舟形器皿中被烘烤)、烧蚀(ablative)热分解器(其中木材与热表面摩擦)、各种形式的流化床(fluidized bed)热分解器(其中生物质与热砂混合)，以及各种基于早期焦炭烤箱/炼焦炉设计的更简单的配置。所产生的热分解油的基本问题是它是由几百到几千种化合物组成，这是使原料生物质经受宽范围的温度、时间和压力分布所导致的。当该过程在初始生物质给料中被几千种主要的生物质化合物复杂化时，得到大量几乎难处理的都混合在一起的生成化合物。从这种过程中得到的热分解油一般不是热力学稳定的。它们包含被有机酸和碱催化的活性被氧化的自由基，以便这些油一般在数天时间内从浅彩色液体演化成黑色混合物，其中焦油和树脂状物质被混合到混合物中。还有，尝试再次气化热分解油一般产生额外的化学反应， 这产生了额外的生物碳并且在所得到的气体流中产生了向分子量更低的化合物的转变。虽然可在实验室规模的实验中获得相对高产量的分解油，但在较大工业规模的示范项目中一般得到低很多的产量。这大概是由于这种大规模结构的大许多的被加热的三维体积内的温度、保持时间和局域压力的范围较宽。
发明内容
本发明的各种实施例提供了用于生物质分馏的系统和方法，所述系统和方法解决了以上详细描述的生物质热分解的主要问题同时仍然在降低的氧、中性或还原环境中利用加热生物质材料的基本机制。发明的某些实施例被称为生物质分馏器。本发明的一些实施例涉及将被磨碎的生物质分配成薄片以便进一步处理。在这种情况下，产生了类似于实验室规模试验的环境，但是，该环境的大小是可升级的，它能够在二维上膨胀至任何实际的工作输出量，同时保持用于热处理进入的材料的恒定厚度。本发明的其他实施例涉及使得生物质片的各个隔间(compartment)受到温度相对于时间、压力和局域工作气体成分的被精心控制的渐变，以便从处理过的生物质中选择性提炼各种化合物组。以此方式，生物质热分解产物被有效分馏成各种工作流，很像原油热裂解塔将进入的化石原油分离为各种工作流。在本发明的另一实施例中，使用模块机械结构有利于压力容器内的全部的多个分馏站，其可在低于大气压、露天和高达并包括将超临界水作为工作介质所需的温度和压力的升高压力下运行。这些实施例包括多级输入和输出气锁/气间，以便于在高效基础上输入大量生物质并且从潜在地具有非常高的温度和压力的内部环境中释放生物碳和各种分馏流。一些实施例还允许本文描述的各模块化热分解处理站之间的可变的热隔离和气体流隔离。这通过在不同处理站显著改变温度、压力和局域气体成份提高了分馏器的产量。本发明的各种实施例被专门设计为在超临界环境中运行。一般地，由于它们非常非常高的扩散速率，超临界流体环境提供了与气态环境相比在热输送方面的显著改进，也提供了与液体环境相比在化学反应速率方面的显著升高。具体地，实施例被设计为以超临界二氧化碳、超临界水、甲醇和其他小的碳氢化合物、它们的含氧物以及以上物质构成的混合物运行，例如60 %的CO2、30 %的水、10 %的甲醇和其他有机物。下表列出了一些重要成分的超临界参数。
权利要求
1. 一种用于生物质分馏的方法，包括将生物质分配为由被磨碎的生物质构成的薄片； 使得所述薄片经受温度渐变；以及当各组化合物被从所述薄片中释放时选择性地收集所述各组化合物。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述温度渐变在时间、压力或局域工作气体成分的范围上增加。
3.一种用于生物质分馏的系统，包括用于将被磨碎的生物质接收到所述系统中的生物质加载和倾卸站； 用于压缩被磨碎的生物质的加热粉碎处理站； 用于收集残余碳和生物碳的生物碳倾卸站；以及多个生物质反应隔间，其中所述生物质反应隔间将被磨碎的生物质在站与站之间运载。
4.如权利要求3的系统，其中所述生物质运载和倾卸站包括 用于存储并且漏下被磨碎的生物质的料斗；用于从所述料斗分配被磨碎的生物质的分配器； 从所述分配器接收被磨碎的生物质的气锁；以及输送机构，用于在所述生物质加载倾卸站内移动被磨碎的生物质。
5.如权利要求3所述的系统，其中所述加热粉碎处理站加热所述被磨碎的生物质以便使所述被磨碎的生物质脱水。
6.如权利要求3所述的系统，其中所述被加热粉碎处理站通过电子加热元件、直接火焰燃烧、被加热的工作气体的定向喷射或超临界流体的定向喷射加热所述被磨碎的生物质。
7.如权利要求3所述的系统，其中所述加热粉碎处理站加热所述被磨碎的生物质以便收集生物中间化合物。
8.如权利要求3所述的系统，其中所述加热粉碎处理站在所述被磨碎的生物质被粉碎时压缩所述被磨碎的生物质。
9.如权利要求3所述的系统，其中所述多个生物质反应隔间被实施为一个或更多个
10.如权利要求3所述的系统，其中所述多个生物质反应隔间被实施为一系列相互连接的板。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述一系列相互连接的板被配置为椭圆形构造。
12.一种用于生物质分馏的方法，包括 切碎生物质，其中产生了第一生物质；将所述第一生物质经由多个生物质反应隔间中的一个加载到输入料斗内； 使所述第一生物质脱水并且粉碎；进一步加热所述第一生物质以释放低沸点生物化合物和热分解碎片；并且将残余碳和生物碳从所述多个生物质反应隔间中的一个刮擦到出口料斗。
13.如权利要求12所述的方法，其中在所述第一生物质被脱水时下一个生物质反应隔间加载第二生物质。
14.一种用于在生物质分馏器中的站与站之间运载被磨碎的生物质的生物质反应隔间的系统，所述系统包括具有一个或更多个腔室的盘。
15.如权利要求14所述的生物质反应隔间，还包括平滑或被涂覆的顶表面以允许站与站之间的密封。
16.一种用于接收被磨碎的生物质的生物质加载和倾卸站，包括 用于存储并且漏下被磨碎的生物质的料斗；用于从所述料斗分配被磨碎的生物质的分配器；用于从所述分配器接收被磨碎的生物质的气锁；以及输送机构，用于在所述生物质加载倾卸站内移动被磨碎的生物质。
17.一种加热粉碎处理站，包括用于压缩被磨碎的生物质的多个压缩块；以及用于加热所述多个压缩块的加热部件。
18.—种生物碳倾卸站，其包括气锁料斗，所述气锁料斗用于从生物质反应隔间收集残余碳和生物碳。
全文摘要
本发明描述了用于输入被磨碎的生物质并且输出几种蒸气流的生物质中间化合物以及合成气和生物碳的生物质分馏器和方法。在一个实施例中，生物质分馏的方法包括将生物质分配到由被磨碎的生物质构成的薄片中；使得薄片经受温度渐变；当各组化合物被从所述薄片中释放时选择性地收集所述各组化合物。
文档编号C10B51/00GK102292414SQ201080005185
公开日2011年12月21日 申请日期2010年1月15日 优先权日2009年1月21日
发明者M·C·谢利 申请人:酷星生物燃料有限公司