用于生產包括汽油、柴油和噴氣燃料的可再生燃料的系統的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關申請
[0002] 本申請要求于2012年12月7日提交的PCT申請第PCT/US2012/068616號的優先 權并且是其部分連續申請，PCT申請第PCT/US2012/068616號要求于2012年1月30日提 交的美國申請第13/361840號（現美國專利第8431757號）和2012年1月30日提交的美 國申請第13/361828號（現美國專利第8383049號）的優先權，其全部內容通過引用并入 本文。該申請還要求于2012年8月21日提交的美國臨時申請第61/691713號的優先權， 其全部內容通過引用并入本文。
技術領域
[0003] 本發明大體上涉及用于制造可再生燃料的系統，并且更具體地涉及利用任選地可 編程系統，通過一系列的催化劑將生物質熱化學轉化成可再生燃料和其它有用的化學化合 物，包括汽油、柴油和噴氣燃料。
【背景技術】
[0004] 隨著世界繼續通過其珍貴的化石燃料資源來運行，其將被迫轉向其他能源。目前 的全球目標包括低廉和快速地獲取能量。古往今來，人類已經轉向生物質以通過燃燒木材 和其他生物質來提供熱方面的能量。這本質上是一種非常低效的過程。通過引入可編程性 可以使得燃燒更有效。其類似于將計算機引入到需要進行加熱的建筑物。為了只有當人出 現時才加熱該建筑物，在該建筑物中放置傳感器以便當傳感器檢測到人時接通加熱器。這 是可編程系統的一個例子。類似地，可以引入可編程系統用于導致生物質高效轉化成高附 加值產品的化學鍵斷裂，其中，只有最小數目的鍵斷裂，因此，耗費最小量的能量用于斷裂 這些鍵。
[0005] 鍵斷裂和形成是生物質轉化為工業上有用的產品（如汽油和柴油）的重要方面。 各種形式的實驗室和小規模商用生物質熱解器已經發展到從生物材料（從木肩到污水污 泥）的受控熱解生成有用的化學產品。盡管一些熱解器僅僅集中于生產合成氣，在開發較 溫和的熱解條件方面存在相當大的努力，這通常導致被稱為生物油或熱解油的冷凝液。用 溫和的熱解條件操作的可編程系統可以是有效的鍵斷裂和形成的例子。已經在實驗室水平 上開發了許多形式的熱解器以產生這些統稱為生物油或熱解油的中間化合物。配置包括其 中在陶瓷船中烘烤生物質的簡單的管式爐、其中木材相對于熱表面摩擦的燒蝕熱解器、其 中生物質與熱砂混合的各種形式的流化床熱解器和各種基于早期焦化爐設計的更簡單的 配置。
[0006] 所得熱解油的基本問題是其由數百到數千種化合物組成，這是使未加工的生物質 大批經歷范圍廣泛的溫度、時間和壓力分布的結果。當該過程由于原始生物原料中的成千 上萬的主要生物化合物變得復雜時，結果是一大批幾乎棘手的所有混合在一起的所得化合 物。這樣的方法得到的熱解油通常不是熱力學穩定的。它們包含由有機酸和堿催化的活性 含氧自由基，從而使得這些油通常歷時幾天從淺色液體演變成深色混合物，該混合物中夾 帶著焦油和樹脂物質。另外，嘗試重新氣化熱解油通常會導致額外的化學反應，這產生額外 的生物焦炭并導致轉化成所得氣體流中的低分子量組分。雖然可以在實驗室規模的試驗中 實現熱解油的相當高的產率，大工業規模的示范項目通常會產生低得多的產率。據推測這 是由于這種增加的架構的大得多的加熱的三維體積內的更寬范圍的溫度、保持時間和局部 壓力。
[0007] 向催化體系引進可編程的適應性的先前努力包括建立幾個并聯的反應器（類 似于微處理器總線）以研究催化氣體反應的Gehrer設計。（JournalofPhysics E:ScientificInstruments18 (1985) 836)。Dales等人的美國專利 6548026 和Safir等人 的美國專利6994827公開了能夠控制容器攪拌速度、溫度和壓力的可編程并聯反應器。另 外，Garcia-Perez等人的美國專利申請2010/0223839公開了加熱生物質至第一溫度，其目 的是提高在生物質熱解產物的油部中發展的后續脫水糖含量。目的是為了提高用于隨后的 乙醇生產的油部的發酵能力。這是用于生物質轉化的一些可編程系統的例子。

【發明內容】

[0008] 本申請的實施方案提供用于將生物質轉化為可再生燃料的系統和方法，可再生燃 料的意思是衍生自生物質的任何可燃燒的燃料。可再生燃料可以用于運輸、加熱或其他目 的，并且可以用于例如汽油、柴油、噴氣燃料、煤油或其他有用的燃料摻合物（如苯、甲苯和 二甲苯的摻合物（BTX))的這些燃料的制備、摻合或者形成。
[0009] 本發明的一些實施方案涉及用于創建任選地可編程工藝的系統和方法，在該工藝 中衍生自生物質分解的化學化合物被送到不同的催化工藝以產生含有可再生燃料和其他 增值產品的產物。
[0010] 本發明的進一步的實施方案針對一種用于將生物質熱解產物轉化成有用的化學 物質和可再生燃料的高效系統。
[0011] 另外的實施方案針對一種與生物質的脫揮發分作用的溫度相關的、用于從用于轉 化成汽油或柴油的生物質中提取最大量的能量的工藝。
[0012] 本發明的另一個實施方案涉及一種與特定溫度下的催化劑輸出的負載平衡相關 的、用于從用于轉化成的汽油或柴油的生物質中提取最大量的能量的工藝。
[0013] 在更進一步的實施方案中，本發明針對用于生物質轉化成柴油或噴氣燃料的系 統，其包括：包括多個處理臺（N)(processingstation)和一系列催化劑的裝置；每個處理 臺能夠對臺內的生物質施加至少一個起始溫度以產生揮發性和非揮發性組分；至少 一個催化反應器（catalystreactor)用于接收在每個處理臺中產生的揮發性成分；其中， 所述至少一個催化反應器包含選自脫水催化劑、烯烴齊聚催化劑和加氫處理催化劑的催化 劑。
[0014] 在另一個實施方案中，該系統包括額外的催化反應器。
[0015] 在又一個實施方案中，串聯使用額外的催化反應器。
[0016] 在又一個實施方案中，并聯使用額外的催化反應器。
[0017] 在又一個實施方案中，該系統包括用于通過增量（AT)遞增單獨的處理臺溫度 的溫度控制器。
[0018] 在另一個實施方案中，非揮發性組分是碳質材料。
[0019] 在實施方案中，該系統還包括用于將碳質材料轉化成合成氣的氣化器。
[0020] 在實施方案中，該系統還包括從氣化器到催化反應器的用于引入合成氣的導管。
[0021] 在實施方案中，該系統還包括2至1000個的處理臺數量（N)，且其中在100°C 至1000°C的范圍內。此外，溫度增量（AT)在〇°C至200°C的范圍內。
[0022] 在另一個實施方案中，該系統還包括用于容納共進料的貯存器，和用于將共進料 引入到揮發性組分或至少一個處理臺中的導管，其中，所述共進料選自醇類、醛類、酮類、醚 類、羧酸類和烴類。
[0023] 在另一個實施方案中，該系統包括從氣化器到含有合成氣轉化催化劑的催化反應 器的導管，其中，所述共進料通過合成氣轉化催化劑產生。
[0024] 在另一個實施方案中，所述生物質選自脂質、半纖維素、纖維素和木質素。
[0025] 在又一個實施方案中，所述生物質是選自脂質、半纖維素、纖維素和木質素的兩種 或者更多種生物質的混合物。
[0026] 在更進一步的實施方案中，根據兩種或者更多種生物質的混合物中具有最高濃度 的生物質的類型選擇。在另一個實施方案中，將至少2個處理臺設定為相同的始。 在另一個實施方案中，將所有的處理臺設定為相同的。在另一個實施方案中，是基 本上恒定的溫度。在另一個實施方案中，非揮發性組分是導熱的。在另一個實施方案中，第 N個處理臺的非揮發性組分包括焦炭。
[0027] 在又一個實施方案中，第N個處理臺包括能夠接受外部水源、二氧化碳或甲烷、或 內部提供的循環水或由催化劑處理引起的可燃氣體的輸入端。
[0028] 在另一個實施方案中，脫水催化劑包括任何酸催化劑或者酸催化劑的組合。在又 一個實施方案中，烯烴齊聚催化劑是脫水催化劑。
[0029] 在另一個實施方案中，該系統還包括導管以將系統中產生的水、二氧化碳和甲醇 導向氣化器以用于非揮發性組分向合成氣的轉化。
[0030] 在另一個實施方案中，來自臺的非揮發性組分包括用于下一個臺的原料。
[0031] 在另一個實施方案中，產生的柴油或噴氣燃料包括一種或多種煤油組分。在另一 個實施方案中，其中，產生的柴油或噴氣燃料包括一種或多種噴氣燃料組分。在另一個實施 方案中，產生的柴油或噴氣燃料包括一種或多種柴油燃料組分。
[0032] 在另一個實施方案中，將內部生成的水、二氧化碳、甲醇用作所述碳質材料向合成 氣的轉化中的反應物。
[0033] 在又一個實施方案中，處理臺選自熱解反應器，固定床反應器，流化床反應器，循 環床反應器，鼓泡流化床反應器，真空移動床反應器，引流式反應器，旋渦反應器，渦動反應 器，旋轉錐反應器，螺旋反應器（augerreactor)，燒蝕反應器，微波輔助的熱解反應器，等 離子體輔助的熱解反應器，生物質分餾系統、氣化器和真空移動床反應器中的腔室。
[0034] 在實施方案中，本發明包括用于將焦炭轉化成可再生燃料的系統，其包括：包括多 個處理臺（N)和一系列催化劑的裝置；每個處理臺能夠使臺內的焦炭經歷至少一個起始溫 度以產生合成氣；用于接收在每個處理臺中產生的合成氣的至少一個催化反應器； 其中，所述至少一個催化反應器包含選自合成氣轉化催化劑、甲醇合成催化劑、DME合成催 化劑、脫水催化劑、烯烴齊聚催化劑和加氫處理催化劑的催化劑。在另一個實施方案中，該 系統包括額外的催化反應器。這些額外的催化反應器可以串聯或并聯使用。
[0035] 在另一個實施方案中，處理臺選自熱解反應器，固定床反應器，流化床反應器，循 環床反應器，鼓泡流化床反應器，真空移動床反應器，引流式反應器，旋渦反應器，渦動反應 器，旋轉錐反應器，螺旋反應器，燒蝕反應器，微波輔助的熱解反應器，等離子體輔助的熱解 反應器，生物質分餾系統、氣化器和真空移動床反應器中的腔室。
[0036]另一個實施方案涉及用于將生物質轉化為柴油或噴氣燃料的方法，包括：將生物 質分配到多個處理臺（N);使臺內的生物質經歷至少一個起始溫度以產生揮發性和 非揮發性組分；將所述揮發性組分導入至少一個催化反應器，所述至少一個催化反應器設 計成實施選自脫水、烯烴齊聚和加氫處理的一種或者多種工藝；收集在所述至少一個催化 反應器中產生的柴油或噴氣燃料。
[0037] 進一步的實施方案包括用于將焦炭轉化成柴油或噴氣燃料的方法，包括：將焦炭 分配到多個處理臺（N);使臺內的焦炭經歷至少一個開始溫度以產生合成氣；將所 述合成氣導入至少一個催化反應器，所述至少一個催化反應器設計成實施選自合成氣轉化 催化、甲醇合成催化、DME合成催化、脫水、烯烴齊聚和加氫處理的一種或者多種工藝；收集 在所述至少一個催化反應器中產生的柴油或噴氣燃料。
[0038] 在另一個實施方案中，該方法還包括額外的催化反應器。在另一個實施方案中，額 外的催化反應器串聯使用。在另一個實施方案中，額外的催化反應器并聯使用。
[0039] 在該方法的進一步的實施方案中，處理臺選自熱解反應器，固定床反應器，流化床 反應器，循環床反應器，鼓泡流化床反應器，真空移動床反應器，引流式反應器，旋渦反應 器，渦動反應器，旋轉錐反應器，螺旋反應器，燒蝕反應器，微波輔助的熱解反應器，等離子 體輔助的熱解反應器，生物質分餾系統、氣化器和真空移動床反應器中的腔室。
[0040] 在另一個實施方案中，該方法使用用于通過增量（A