生物質快速熱轉化的制作方法
【專利說明】
[00011 本申請是申請日為2008年11月10日、申請號為200880117154.1、名稱為"生物質快 速熱轉化"的發明申請的分案。
技術領域
[0002] 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】
[0003] 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 %。
[0004]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。
[0005] 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。
[0006] 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 %。
[0007] 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。
[0008] 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】

[0009] 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）。
[0010] 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。
[0011]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l〇〇°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3 0 °C~5 0 °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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014]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。
[0015] 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。
【附圖說明】
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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
[0020] 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。
[0021] 進料系統
[0022] 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，也可以是木肩的形式，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