專利名稱：生物質快速熱轉化的制作方法
技術領域：
本發明涉及將木材和/或其它生物質快速熱轉化成高產率且有價值的液體產物， 例如生物油。
背景技術：
生物質在大部分人類歷史上是能量的主要來源。在十九世紀和二十世紀，隨著化 石燃料經濟發展的出現，世界能源中源自生物質的比例急劇下降，煤炭和石油產物占據了 市場。盡管如此，世界能源的15%仍然源自生物質，并且在發展中世界，生物質對能源供應 的貢獻接近38%。通常為木材或木材殘余物的固體生物質通過施加熱而轉化成有用的產物如燃料 或化學品。最常見的熱轉化實例是燃燒，其中加入空氣并且使整個生物質原料燃燒以提供 熱燃燒氣從而產生熱和蒸汽。第二個實例是氣化，其中一小部分生物質原料與空氣一起燃 燒，以將其余生物質轉化為可燃性燃料氣。稱為發生爐煤氣的可燃氣表現出類似天然氣的 特性，但是其通常只有天然氣能含量的10 30%。最后一個熱轉化實例是熱解，其中固體 生物質在基本無空氣存在下轉化成液體和炭以及氣體副產物。在一般意義上，熱解是通過熱作用將生物質轉化為液體和/或炭，通常在轉化單元 中不使用直接燃燒。小量可燃氣也是典型的副產物。歷史上，熱解是相對緩慢的過程，其中所 得到的液體產物是粘性焦油和“木干餾”液體。常規慢熱解通常發生在400°C以下并且處理 時間從幾秒鐘到幾分鐘。用于木炭生產的一些慢熱解過程所采用的處理時間可以為數小時。在二十世紀70年代末發現了更現代的熱解形式，稱為快速熱解，當時研究人員注 意到產率非常高的輕質易流動液體可能來自生物質。事實上，如果熱解溫度適度提高并且 使得轉化在通常少于5秒的極短時間內發生，則液體產率有可能接近所輸入的木材生物質 原料重量的80%。來自快速熱解的均質液體產物具有蒸餾咖啡的外觀并且已經公知為生物油。生物 油作為燃料適用于鍋爐中的清潔受控燃燒并且適用于柴油渦輪機和固定式渦輪機。這與以 非常低的產率產生稠密且低質量的兩相焦油_水混合物的慢熱解形成鮮明對比。在實踐中，固體生物質的快速熱解導致其固體有機物質的主要部分瞬間轉化成氣 相。該氣相既包括不可凝氣體(包括甲烷、氫氣、一氧化碳、二氧化碳和烯烴)，也包括可凝 蒸氣。正是可凝蒸氣構成最終的液體生物油產物，這種生物油產物的產量和價值與下游的 捕獲和回收系統的方法和效率密切相關。快速熱解過程中產生的可凝蒸氣繼續在氣相中反 應，因此必須在其可能劣化成為低價值的液體和氣體產物之前使其在下游過程中迅速冷卻 或“淬火”。由于快速熱解設備被擴大規模用以商業運行，因此必須特別注意液體生物油產 物的迅速冷卻、淬火和回收的策略和手段。

發明內容
本發明提供一種改進的生物質快速熱轉化方法，該方法通過大規模生產實現從氣相高效回收高產率且有價值的液體產物(例如生物油)。在一個實施方案中，將生物質原料例如木材進料至轉化系統，在其中在基本無氧的環境和350 600°C的熱轉化溫度范圍下，使生物質原料與熱的載熱體如砂的上升流混 合。熱的載熱體與生物質原料熱接觸，使得生物質轉化成熱蒸氣流，所述熱蒸氣流被冷卻、 冷凝并且在下游回收為液體產物。在一個優選實施方案中，熱轉化的溫度為約500°C，保留 時間小于5秒，更優選小于2秒。熱蒸氣流被引導至冷凝室或多個冷凝室，在其中熱蒸氣流從約350°C至600°C的 轉化溫度在小于1秒的時間內快速冷卻到低于100°c的溫度，更優選在小于100毫秒的時 間內冷卻到低于50°c的溫度，最優選在小于20毫秒的時間內冷卻到低于50°C的溫度。在 一個優選實施方案中，向上流動的蒸氣流通過利用向下流動的淬火介質快速淬火蒸氣流而 冷卻。這種通過向下流動的淬火介質進行的快速直接的冷卻或淬火使得蒸氣流冷凝成液體 產物。在一個優選實施方案中，將一部分冷凝的液體產物排出冷凝室或多個冷凝室，并將其 冷卻并循環回到冷凝室或多個冷凝室，以提供淬火介質。用作淬火介質的液體產物在循環 回到冷凝室之前可以冷卻到30°C 50°C的溫度。優選地，淬火介質向下傾倒的速率為至少 10gpm/ft2 (加侖每分鐘/平方英尺)冷凝室截面積，更優選的速率為至少50 100gpm/ft2。 冷凝室內的液體產物作為有價值的液體產物如生物油進行收集，其可用作例如燃料和/或 用于其它商業用途。本發明的方法能夠生產高產率的有價值的液體產物，例如產率為約輸 入生物質原料的75%或以上。在一個實施方案中，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 未冷凝的蒸氣，以提高液體產物的產率。第二冷凝室可以使用與第一冷凝室相同或不同的 淬火介質。在一個實施方案中，除霧器和過濾器與第一和/或第二冷凝室相連，以清除離開 冷凝室的氣流中的微小顆粒，并從氣流中收集附加的液體產物。優選地，該轉化和收集過程是在大氣壓或接近大氣壓下進行的，這使得生物質的 進料、轉化和液體產物的收集更容易也更安全。這也允許生物質以利于大規模工業生產液 體產物的高速率連續進料到轉化系統。根據以下結合附圖的詳細說明，本發明各實施方案的上述及其它優點將顯而易 見。


圖1示出根據本發明的一個示例性實施方案的熱轉化和液體產物收集系統的圖。圖2示出根據本發明的一個示例性實施方案的生物質原料進料到熱轉化系統的 進料系統。圖3示出根據本發明的一個實施方案的用于再加熱載熱體的再加熱器。圖4是示出根據本發明的實施方案的示例性熱轉化方法的結果的表。
具體實施方案圖1示出根據本發明的一個示例性實施方案的用于將生物質如木材轉化成高產 率液體產物的快速熱轉化系統10。
進料系統進料系統15用于提供固體生物質原料到轉化系統10的調節流量。優選地，生物 質原料是干燥的木材原料，也可以是木屑的形式，但液相和蒸氣相(氣相)生物質原料可在 快速熱轉化系統中使用可選的液相或氣相進料系統進行有效處理。可用的生物質原材料包 括但不限于硬木、軟木、樹皮、農業和造林殘留物和其它生物質碳質原料。本發明實施方案 還可以應用于其它碳質原料的轉化，所述碳質原料包括但不限于塑料、聚合物、烴、石油、 煤炭和精煉原料。由于轉化系統在稍高于大氣壓力(即足夠克服下游設備背壓的壓力)下 運行，因此進料系統15應在稍高壓力(1.2大氣壓)下向轉化系統10提供原料，而同時在 大氣壓力下從例如木材貯存倉接收原料物質。為了實現原料以這種方式持續供應，使用鎖 斗系統，其在圖2中詳細示出。 進料系統10包括原料緩沖倉17、料倉20和在原料緩沖倉17與料倉20之間的輸 送閥22，例如刀閘閥。閥22使緩沖倉17與料倉20隔開，并且優選包括彈性體座以確保氣 密密封。閥22允許在大氣條件下將原料填充至緩沖倉17，同時保持料倉20密封，以使料倉 20可以在高于大氣壓下運行。原料緩沖倉17優選為碳素鋼構建的圓筒形容器并且具有足以容納足夠原料的容 積，例如在重新填充之前具有約30分鐘的原料輸送。緩沖倉17配備有底部出料系統和用于 移出所容納的生物質原料的內部橋斷裝置。橋斷裝置的例子包括具有或不具有指形突出物 的掃臂、振動設備、回轉鏈等。從緩沖倉17排放原料的速率可以是固定的并且是在約10分 鐘內完成的全輸送周期。可以使用三個料位傳感器(高料位開關高，低料位開關低，低-低 料位開關)來激活原料輸送。此外，可利用料位變送器實現連續監測緩沖倉17中的原料料 位。當緩沖倉17中的料位下降到激活低料位開關時，原料將從原料存儲系統(未顯示)自 動輸送到緩沖倉17。高料位開關指示緩沖倉滿并終止從原料儲存系統輸送原料。低-低開 關是備份開關，用于在低料位開關未被觸發時指示空倉。這可能在例如原料留在低料位開 關上方導致給出誤讀的情況下發生。當緩沖倉進行填充時，閥22關閉。當料倉20內的料位達到低料位開關時，原料自動從緩沖倉17輸送到料倉20。在 打開閥22之前，緩沖倉17的壓力與料倉20的壓力相等。當緩沖倉17位于料倉20的正上 方而閥門22打開時，原料可以通過直接輸送從緩沖倉17輸送到料倉20。作為替代方案，如 果箱倉偏置時，則可以使用螺鉆或螺桿給料機系統(未顯示)將原料從緩沖倉17輸送到料 倉20。螺鉆或螺桿可根據兩個倉的相對方位進行水平或傾斜設置。料倉20優選由碳鋼構 建并且裝配有測定體積的底部出口給料器。測定體積的給料器提供計量原料流到恒速的轉 化進口螺桿輸送機35，輸送機35將原料輸送到轉化系統10。操作者可以通過調節螺桿輸 送機35的速度來調節所需的原料流。為了提供原料調節，引入內部橋斷系統。恒速螺桿輸送機35由不銹鋼構建并且配置有高溫密封和軸承。輸送機35可以恒 定速度運行并且能夠以高于測定體積給料器所提供的速率將原料排放至轉化系統10。這確 保了均勻、分散的原料流。為安全起見，螺桿35的出口裝配有緊急隔離刀閥和水淬火系統。熱轉化系統熱轉化系統10包括反應器30，其在混合區域將原料與向上流動的熱的載熱體流 例如砂混合。反應器是基本無氧的。原料在混合區正下方進入反應器30，并且與向上流動 的熱的載熱體(砂)流及其輸送流體(循環氣體)接觸。其結果是徹底和迅速的混合以及從載熱體向原料進行導熱傳遞(包括燒蝕(ablation))。熱的載熱體即刻將原料快速燒化 成熱蒸氣，然后將熱蒸氣冷卻、冷凝并且下游回收為液體產物。原料的熱轉換在合適溫度例如約500°C (約930° F)下在混合區中開始，并且繼 續通過位于反應器30下游的分離系統40。在反應器中的停留時間優選少于5秒，更優選小 于2秒。在分離系統40中從產物蒸氣流中移除固體載熱體和副產物炭。優選地，分離系統 裝配有高耐磨內襯以盡量減少過早失效的可能性。通過分離系統40的產物蒸氣流被引導 至下游液體產物回收系統50。
在圖1所示的實施方案中，分離系統40包括兩個旋風分離器43和45。第一旋風 分離器43將固體載熱體和副產物炭與產物流分離。已在第一分離器43中移除的固體被引 導至再加熱器單元47。第二分離器45移除在第一分離器43中未被移除的炭。圖3中更詳 細地示出再加熱器單元47。在再加熱器單元47中，副產物炭通過加入空氣而轉化成熱和燃氣。通常，副產物 炭和氣體燃燒產生的熱足以滿足熱轉化過程的熱需求(外部燃料如天然氣很少使用，一般 只用于系統啟動)。來自再加熱器的多余熱量可以高效地用于其它用途，包括生物質干燥、 產生蒸汽、空間加熱、發電等。再加熱器中產生的熱量提升了固體載熱體的溫度，該固體載 熱體然后可被輸送到反應器30中的原料，以達到所需的反應溫度。液體產物收集系統來自固體分離系統40的熱蒸氣產物流經由絕熱管引導到主收集柱或冷凝室50。 優選地，熱蒸氣流從約350°C至600°C的轉化溫度在小于1秒內降到低于100°C。更優選地， 熱蒸氣流在小于0.1秒(100毫秒)內降到低于50°C，最優選在小于20毫秒內降到低于 50°C。主收集柱50配備有位于柱50上部的液體分配器53。冷卻的液體產物或其它合適 的淬火介質(如水、柴油、其它石油基液體、聚山梨醇酯等)通過分配器53循環，并且允許 它們“落下”到進入的蒸氣流上。可以采用各種類型的分配器系統。例子包括但不限于葉 片、管道、煙 、指形分配器、噴頭、噴嘴設計、托盤、填料等。優選地，至少10gpm/ft2(加侖每 分鐘/平方英尺)柱截面直徑的淬火液體循環經過收集柱。更優選地，至少50 IOOgpm/ ft2(加侖每分鐘/平方英尺)柱截面直徑的淬火液體循環經過收集柱。沿著柱流下的液 體密集流不僅用來對進入的蒸氣進行立刻冷卻和淬火，而且為液體產物的收集提供成核位 點。通常，熱蒸氣正好在柱50中收集的液體的正常操作液位上方進入收集柱50。未在主收 集柱50中收集的蒸氣與不可凝氣體一起經過上出口端55離開柱50。這種運行模式是逆流 的。在期望盡量減少熱蒸氣管道長度的另一運行模式中，熱蒸氣通過柱50的上部進入，并 且在主收集柱50中未被收集的蒸氣與不可凝氣體一起經過位于柱下部(正好在正常液位 上方)的端口離開。這種運行模式是并流的。柱50可在柱的氣體出口段裝配有除霧器以 減少夾帶進入第二收集柱60的液滴。與向下流動的霧化淬火流合并的冷凝液聚集在柱50的下部。此外，重的冷凝液滴 因重力沉降而下降到柱50的下部。柱50中的液位變送器用于監測和維持所需的液位。在 一個實施方案中，一部分液體產物從柱50中抽出并且用冷凝泵57泵抽經過換熱器58以冷 卻液體產物至例如30至50°C。換熱器58的冷卻介質可以是水。也可以使用其它冷卻手 段，包括乙二醇系統、空氣冷卻器等。冷卻的液體產物循環回到柱分配系統53，用以為進入 的蒸氣流提供淬火介質。
將收集柱中的液體產物泵出到產物貯存罐(未顯示)，以維持所需的液位。所收集 的液體產物提供有價值的液體產物即生物油，它們可以用作例如燃料和/或用于其它商業 用途。
蒸氣迅速淬火是因為蒸氣和液體產物是熱不穩定的(在較高溫度下發生化學反 應)。通過使用高液體循環/淬火速率，進入的蒸氣被迅速淬火，從而避免了在較高溫度下 發生不期望的化學反應如聚合反應。此外，用作淬火介質的液體產物的高循環速率防止淬 火介質達到不期望的高溫。在主收集柱50或容器中未被收集的蒸氣被弓I導至輔收集柱60 (輔冷凝柱)。同樣 如主冷凝柱50中的情況一樣，所收集的產物液體經由頂置分配系統63用作淬火介質。優 選地，至少10gpm/ft2 (加侖每分鐘/平方英尺)柱截面直徑的液體循環經過柱60。更優選 地，至少50 100gpm/ft2 (加侖每分鐘/平方英尺)柱截面直徑的液體循環經過柱60。柱 60可在柱60的氣體出口段裝配有除霧器以減少夾帶進入下游除霧器或過濾系統的液滴、 霧或氣溶膠。柱60的截面直徑可以與主收集柱50的相同。但是，柱60的直徑通常較小， 因為更大的表觀氣體速度將有利于移除柱60的除霧器部分中的微細液滴或氣溶膠。離開輔收集柱60的霧、氣溶膠和不可凝氣體被引導至單獨的除霧器系統70。如果 輔收集柱60配備有內部除霧器單元，則可不需要下游單獨的除霧器。除霧器系統70優選 移除大于3微米的霧滴。傾向于在除霧器中通過慣性碰撞來捕獲這些液滴。在氣流中行進 的這些顆粒在流經除霧系統70時由于其重量而不能突然改變隨氣體的流動方向。結果，它 們撞擊除霧器的纖維，然后被捕獲。與除霧器纖維接觸的霧粒通過弱范德華力粘合。累積 的碰撞霧滴傾向于結合在一起形成較大的單個液滴，最后因重力沉降而落到除霧器容器的 下部。除霧器系統70可包括一系列除霧器單元。第一單元是葉片除霧器，其可消除約 99%的低至10微米的霧。接著是具有約51b/ft3的密度和0. 011英寸線徑的不銹鋼絲網 墊(表面積為45ft2/ft3并具有99.0%的空隙)。除鋼外可使用的其它材料包括玻璃、合金 20、聚四氟乙烯、聚丙烯等。然后是91b/ft3的不銹鋼絲網墊，線徑同樣為0.011英寸(表 面積為85ft2/ft3并具有98. 0%的空隙)。最后的除霧器單元是共編織類型，包括由纖維玻 璃構造的金屬絲。該墊的密度為91b/ft3，線徑為0. 00036英寸(表面積為3725ft2/ft3并 具有99.0%的空隙)。微細氣溶膠(即小于約3微米)、從除霧器系統70逸出的大于3微米的冷凝顆粒 和來自輔冷凝柱60或除霧器系統70的不可凝氣體來到最后的過濾系統80。過濾系統80 可包括兩個并聯設置的纖維床80A和80B，如圖1所示。同樣地，如除霧器系統70的情況一 樣，大于約3微米的顆粒通過慣性碰撞被捕獲。1至3微米的冷凝顆粒傾向于通過攔截而捕 獲，其中該顆粒遵循在纖維表面的約一個顆粒半徑內的不可凝氣體流線。而小于1微米的 顆粒則通過擴散或布朗運動被捕獲，其中顆粒由于其隨機運動而傾向于自身附著到過濾器 80的纖維上。同樣，捕獲的顆粒傾向于結合在一起形成較大的液滴。但是，在足夠量的原料 流到過濾容器的下部之前，跨越過濾器80的壓力降可能超過預定限制。此外，由于液體局 部負荷增加，過濾器的有效開口截面積降低，從而增大經過保留開口區域的氣體流量，因此 收集的原料可能會出現再夾帶。該增大的氣體流量導致速度增加，其可導致比預期更大的 壓力降，并可能出現再夾帶和捕獲液體的損失。因此，過濾系統80可以由多于一個的過濾單元組成，其可以根據需要并聯或串聯設置。通常采用2個并聯的過濾單元80A和80B，其 中一個過濾單元隨時在線。過濾單元可保持在線約8 24小時(一般12小時)時間段。 當過濾單元處于關閉離線狀態時，其允許排空。過濾單元的壓力降也可決定單元允許保持 在線的時間段。超過預定限制的壓力降(通常為100英寸水柱)可導致過濾單元的過濾元 件失效(即在織物中可發展出撕裂孔)。由于收集的霧和氣溶膠液體在環境條件下傾向于是相對粘滯的，因此可在輔冷凝 柱60和除霧器70和纖維床過濾器80A和80B之間使用再換熱器90。作為替代方案，如果 在輔冷凝柱60中并入除霧器，則再換熱器將僅安裝在纖維床過濾器80A和80B的上游。該 再換熱器90用于稍微提高蒸氣流的溫度(至約60 65°C )，并使得在下游系統70和80 中捕獲的液體的粘度能夠充分降低，以允許充分排空。經過濾系統80過濾的氣體通過反應器風機95循環回到反應器30。循環的氣體為 反應器30的混合區中載熱體的向上流動提供輸送流體。下面將討論根據本發明實施方案的示例性熱轉化過程的結果。在這些實施例中， 主收集柱和輔收集柱各自具有約4英尺的直徑。生物質原料進入轉化系統的進料速率在約 2650至3400磅/小時之間不等。進入的蒸氣的溫度為約500°C，流量為約1100標準立方 英尺每分鐘(scfm)。在這些實施例中，各個收集柱的液體產物的一部分被冷卻并循環回到 收集柱以提供淬火介質。下表1示出了9個示例性過程參數的淬火溫度和再循環速率。淬 火溫度是冷卻的液體產物在注射回收集柱之前的溫度，再循環速率是在收集柱頂部的液體 產物的流量。表1 淬火溫度和再循環速率 這九個實施例的結果示出在圖4的表2中。各個實施例過程在約12小時的時間段內進行。表2示出在主收集柱和輔收集柱或冷凝器中收集的生物油的百分比分布，其中 輔收集柱中的收集包括來自除霧器和纖維床過濾器的生物油收集。表2還示出從主收集柱 和輔收集柱中收集的生物油的特性。
雖然本發明在目前優選的實施方案方面進行了描述，但是應理解的是本公開內容 不能理解為限制。在閱讀本發明公開內容后，對本領域技術人員而言各種改動和修改無疑 將變得顯而易見。因此，旨在將所附權利要求解釋為涵蓋所有落入本發明的精神和范圍內 的改變和修改。
權利要求
一種將生物質或非生物質原料轉化為液體產物的方法，包括在反應器中將原料與固體載熱體混合，以在350～600℃的轉化溫度下將所述原料熱轉化為蒸氣流；將所述固體載熱體與所述蒸氣流分離；在冷凝室中利用淬火介質將所述蒸氣流在小于1秒內快速淬火至低于100℃的溫度，以將所述蒸氣流冷凝成液體產物；和收集來自所述冷凝室的液體產物。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述原料包括生物質原料。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述生物質原料基本包括木材。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述原料包括非生物質碳質原料。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述非生物質碳質原料包括塑料、聚合物、烴、石油、 煤炭或精煉原料。
6.如權利要求1所述的方法，還包括 將液體產物泵抽出所述冷凝室；將泵抽出的液體產物冷卻到約30°C 50°C的溫度；和 將冷卻的液體產物循環回到所述冷凝室以提供所述淬火介質。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述淬火介質以至少10加侖每分鐘(gpm)每平方英 尺所述冷凝室截面積的流量向下傾倒至所述蒸氣流上。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述淬火介質以至少50加侖每分鐘(gpm)每平方英 尺所述冷凝室截面積的流量向下傾倒至所述蒸氣流上。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述蒸氣流在小于0.1秒內淬火至低于50°C的溫度。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述蒸氣流在小于0.02秒內淬火至低于50°C的溫度。
11.如權利要求1所述的方法，其中所述固體載熱體基本包括砂。
12.如權利要求1所述的方法，其中所述熱轉化產生副產物炭，所述方法還包括 將從所述蒸氣流中分離出的所述副產物炭和所述載熱體引入再加熱器單元； 在所述再加熱器單元中燃燒所述副產物炭以再加熱所述載熱體；和將再加熱的所述載熱體引回到所述反應器以熱轉化進入的原料。
13.如權利要求1所述的方法，還包括將在所述冷凝室中未冷凝的所述蒸氣流的一部分引導通過除霧器和過濾系統； 收集所述除霧器和過濾系統中的附加的液體產物；和將從所述除霧器和過濾系統中輸出的氣體引導至所述反應器，以在所述反應器中提供 載熱體流。
14.如權利要求1所述的方法，還包括將在所述冷凝室中未冷凝的所述蒸氣流的一部分引導至輔冷凝室； 在所述輔冷凝室中利用淬火介質將所引入的蒸氣流快速淬火；和 收集來自所述輔冷凝室的附加的液體產物。
全文摘要
本發明提供改進的快速熱轉化工藝，用于通過大規模生產將木材、其它生物質原料和其它碳質原料(包括烴)高效轉化成高產率且有價值的液體產物如生物油。在一個實施方案中，生物質原料如木材進料至轉化系統，在其中生物質原料與熱的載熱體如砂的上升流混合，將生物質熱轉化為熱蒸氣流。在一個或多個位于轉化系統下游的冷凝室中用淬火介質使所述熱蒸氣流快速淬火。快速淬火使蒸氣流冷凝成液體產物，從冷凝室中將其作為有價值的液體產物進行收集。在一個實施方案中，所述液體產物本身用作淬火介質。
文檔編號C10B53/02GK101874099SQ200880117154
公開日2010年10月27日 申請日期2008年11月10日 優先權日2007年11月20日
發明者巴里·A·弗里爾 申請人:安辛可再生能源有限公司