用于生產(chǎn)包括汽油、柴油和噴氣燃料的可再生燃料的系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)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(yōu)先 權(quán)并且是其部分連續(xù)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(xiàn)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(xiàn)美國專利第8383049號）的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)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(yōu)先權(quán)， 其全部內(nèi)容通過引用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明大體上涉及用于制造可再生燃料的系統(tǒng)，并且更具體地涉及利用任選地可 編程系統(tǒng)，通過一系列的催化劑將生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化成可再生燃料和其它有用的化學(xué)化合 物，包括汽油、柴油和噴氣燃料。
【背景技術(shù)】
[0004] 隨著世界繼續(xù)通過其珍貴的化石燃料資源來運行，其將被迫轉(zhuǎn)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(jīng)轉(zhuǎn)向生物質(zhì)以通過燃燒木材 和其他生物質(zhì)來提供熱方面的能量。這本質(zhì)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(xiàn)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(tǒng)的一個例子。類似地，可以引入可編程系統(tǒng)用于導(dǎo)致生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化成高附 加值產(chǎn)品的化學(xué)鍵斷裂，其中，只有最小數(shù)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(zhì)轉(zhuǎn)化為工業(yè)上有用的產(chǎn)品（如汽油和柴油）的重要方面。 各種形式的實驗室和小規(guī)模商用生物質(zhì)熱解器已經(jīng)發(fā)展到從生物材料（從木肩到污水污 泥）的受控?zé)峤馍捎杏玫幕瘜W(xué)產(chǎn)品。盡管一些熱解器僅僅集中于生產(chǎn)合成氣，在開發(fā)較 溫和的熱解條件方面存在相當大的努力，這通常導(dǎo)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(tǒng)可以是有效的鍵斷裂和形成的例子。已經(jīng)在實驗室水平 上開發(fā)了許多形式的熱解器以產(chǎn)生這些統(tǒng)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(zhì)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(zhì)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(shè)計的更簡單的 配置。
[0006] 所得熱解油的基本問題是其由數(shù)百到數(shù)千種化合物組成，這是使未加工的生物質(zhì) 大批經(jīng)歷范圍廣泛的溫度、時間和壓力分布的結(jié)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(fù)雜時，結(jié)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(xué)穩(wěn)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(zhì)。另外，嘗試重新氣化熱解油通常會導(dǎo)致額外的化學(xué)反應(yīng)，這產(chǎn)生額外 的生物焦炭并導(dǎo)致轉(zhuǎn)化成所得氣體流中的低分子量組分。雖然可以在實驗室規(guī)模的試驗中 實現(xiàn)熱解油的相當高的產(chǎn)率，大工業(yè)規(guī)模的示范項目通常會產(chǎn)生低得多的產(chǎn)率。據(jù)推測這 是由于這種增加的架構(gòu)的大得多的加熱的三維體積內(nèi)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(yīng)性的先前努力包括建立幾個并聯(lián)的反應(yīng)器（類 似于微處理器總線）以研究催化氣體反應(yīng)的Gehrer設(shè)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(lián)反應(yīng)器。另 外，Garcia-Perez等人的美國專利申請2010/0223839公開了加熱生物質(zhì)至第一溫度，其目 的是提高在生物質(zhì)熱解產(chǎn)物的油部中發(fā)展的后續(xù)脫水糖含量。目的是為了提高用于隨后的 乙醇生產(chǎn)的油部的發(fā)酵能力。這是用于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一些可編程系統(tǒng)的例子。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本申請的實施方案提供用于將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可再生燃料的系統(tǒng)和方法，可再生燃 料的意思是衍生自生物質(zhì)的任何可燃燒的燃料?？稍偕剂峡梢杂糜谶\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(fā)明的一些實施方案涉及用于創(chuàng)建任選地可編程工藝的系統(tǒng)和方法，在該工藝 中衍生自生物質(zhì)分解的化學(xué)化合物被送到不同的催化工藝以產(chǎn)生含有可再生燃料和其他 增值產(chǎn)品的產(chǎn)物。
[0010] 本發(fā)明的進一步的實施方案針對一種用于將生物質(zhì)熱解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成有用的化學(xué) 物質(zhì)和可再生燃料的高效系統(tǒng)。
[0011] 另外的實施方案針對一種與生物質(zhì)的脫揮發(fā)分作用的溫度相關(guān)的、用于從用于轉(zhuǎn) 化成汽油或柴油的生物質(zhì)中提取最大量的能量的工藝。
[0012] 本發(fā)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(guān) 的、用于從用于轉(zhuǎn)化成的汽油或柴油的生物質(zhì)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(fā)明針對用于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成柴油或噴氣燃料的系 統(tǒng)，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?qū)ε_內(nèi)的生物質(zhì)施加至少一個起始溫度以產(chǎn)生揮發(fā)性和非揮發(fā)性組分；至少 一個催化反應(yīng)器（catalystreactor)用于接收在每個處理臺中產(chǎn)生的揮發(fā)性成分；其中， 所述至少一個催化反應(yīng)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(tǒng)包括額外的催化反應(yīng)器。
[0015] 在又一個實施方案中，串聯(lián)使用額外的催化反應(yīng)器。
[0016] 在又一個實施方案中，并聯(lián)使用額外的催化反應(yīng)器。
[0017] 在又一個實施方案中，該系統(tǒng)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(fā)性組分是碳質(zhì)材料。
[0019] 在實施方案中，該系統(tǒng)還包括用于將碳質(zhì)材料轉(zhuǎn)化成合成氣的氣化器。
[0020] 在實施方案中，該系統(tǒng)還包括從氣化器到催化反應(yīng)器的用于引入合成氣的導(dǎo)管。
[0021] 在實施方案中，該系統(tǒng)還包括2至1000個的處理臺數(shù)量（N)，且其中在100°C 至1000°C的范圍內(nèi)。此外，溫度增量（AT)在〇°C至200°C的范圍內(nèi)。
[0022] 在另一個實施方案中，該系統(tǒng)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(fā)性組分或至少一個處理臺中的導(dǎo)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(tǒng)包括從氣化器到含有合成氣轉(zhuǎn)化催化劑的催化反應(yīng) 器的導(dǎo)管，其中，所述共進料通過合成氣轉(zhuǎn)化催化劑產(chǎn)生。
[0024] 在另一個實施方案中，所述生物質(zhì)選自脂質(zhì)、半纖維素、纖維素和木質(zhì)素。
[0025] 在又一個實施方案中，所述生物質(zhì)是選自脂質(zhì)、半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的兩種 或者更多種生物質(zhì)的混合物。
[0026] 在更進一步的實施方案中，根據(jù)兩種或者更多種生物質(zhì)的混合物中具有最高濃度 的生物質(zhì)的類型選擇。在另一個實施方案中，將至少2個處理臺設(shè)定為相同的始。 在另一個實施方案中，將所有的處理臺設(shè)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(fā)性組分是導(dǎo)熱的。在另一個實施方案中，第 N個處理臺的非揮發(fā)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(nèi)部提供的循環(huán)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(tǒng)還包括導(dǎo)管以將系統(tǒng)中產(chǎn)生的水、二氧化碳和甲醇 導(dǎo)向氣化器以用于非揮發(fā)性組分向合成氣的轉(zhuǎn)化。
[0030] 在另一個實施方案中，來自臺的非揮發(fā)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)部生成的水、二氧化碳、甲醇用作所述碳質(zhì)材料向合成 氣的轉(zhuǎn)化中的反應(yīng)物。
[0033] 在又一個實施方案中，處理臺選自熱解反應(yīng)器，固定床反應(yīng)器，流化床反應(yīng)器，循 環(huán)床反應(yīng)器，鼓泡流化床反應(yīng)器，真空移動床反應(yīng)器，引流式反應(yīng)器，旋渦反應(yīng)器，渦動反應(yīng) 器，旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器，螺旋反應(yīng)器（augerreactor)，燒蝕反應(yīng)器，微波輔助的熱解反應(yīng)器，等 離子體輔助的熱解反應(yīng)器，生物質(zhì)分餾系統(tǒng)、氣化器和真空移動床反應(yīng)器中的腔室。
[0034] 在實施方案中，本發(fā)明包括用于將焦炭轉(zhuǎn)化成可再生燃料的系統(tǒng)，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(nèi)的焦炭經(jīng)歷至少一個起始溫 度以產(chǎn)生合成氣；用于接收在每個處理臺中產(chǎn)生的合成氣的至少一個催化反應(yīng)器； 其中，所述至少一個催化反應(yīng)器包含選自合成氣轉(zhuǎn)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(tǒng)包括額外的催化反應(yīng)器。這些額外的催化反應(yīng)器可以串聯(lián)或并聯(lián)使用。
[0035] 在另一個實施方案中，處理臺選自熱解反應(yīng)器，固定床反應(yīng)器，流化床反應(yīng)器，循 環(huán)床反應(yīng)器，鼓泡流化床反應(yīng)器，真空移動床反應(yīng)器，引流式反應(yīng)器，旋渦反應(yīng)器，渦動反應(yīng) 器，旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器，螺旋反應(yīng)器，燒蝕反應(yīng)器，微波輔助的熱解反應(yīng)器，等離子體輔助的熱解 反應(yīng)器，生物質(zhì)分餾系統(tǒng)、氣化器和真空移動床反應(yīng)器中的腔室。
[0036]另一個實施方案涉及用于將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為柴油或噴氣燃料的方法，包括：將生物 質(zhì)分配到多個處理臺（N);使臺內(nèi)的生物質(zhì)經(jīng)歷至少一個起始溫度以產(chǎn)生揮發(fā)性和 非揮發(fā)性組分；將所述揮發(fā)性組分導(dǎo)入至少一個催化反應(yīng)器，所述至少一個催化反應(yīng)器設(shè) 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(yīng)器中產(chǎn)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(zhuǎn)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(nèi)的焦炭經(jīng)歷至少一個開始溫度以產(chǎn)生合成氣；將所 述合成氣導(dǎo)入至少一個催化反應(yīng)器，所述至少一個催化反應(yīng)器設(shè)計成實施選自合成氣轉(zhuǎn)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(yīng)器中產(chǎn)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(yīng)器。在另一個實施方案中，額 外的催化反應(yīng)器串聯(lián)使用。在另一個實施方案中，額外的催化反應(yīng)器并聯(lián)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(yīng)器，固定床反應(yīng)器，流化床 反應(yīng)器，循環(huán)床反應(yīng)器，鼓泡流化床反應(yīng)器，真空移動床反應(yīng)器，引流式反應(yīng)器，旋渦反應(yīng) 器，渦動反應(yīng)器，旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器，螺旋反應(yīng)器，燒蝕反應(yīng)器，微波輔助的熱解反應(yīng)器，等離子 體輔助的熱解反應(yīng)器，生物質(zhì)分餾系統(tǒng)、氣化器和真空移動床反應(yīng)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