專利名稱：用于生產(chǎn)合成氣和醇的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將含碳材料(例如生物質(zhì))轉(zhuǎn)化為合成氣和其他下游產(chǎn)物(例如醇) 的靈活的、有效的并且可縮放的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
合成氣(synthesis gas)(以下稱為“合成氣(syngas) ”)是氣體的混合物，主要 包含氫(H2)和一氧化碳(CO)。合成氣基本上是含有元素碳(C)、氫(H)和氧(0)的穩(wěn)定分 子的氣體混合物。如本領(lǐng)域中所熟知的，合成氣是化學(xué)工業(yè)和生物精制工業(yè)中的平臺(tái)中間 體(platform intermediate)，并且具有十分廣泛的用途。合成氣可以被轉(zhuǎn)化為烷烴、烯烴、 含氧物質(zhì)(oxygenate)和醇。這些化學(xué)品中的一些可以共混為柴油、汽油和其他液體燃料， 或直接作為這些燃料使用。合成氣也可以直接被燃燒以產(chǎn)生熱和動(dòng)力。原則上，可以由幾乎任何含有C、H和0的材料生產(chǎn)合成氣。這樣的材料一般 包括化石資源，例如天然氣、石油、煤和褐煤；以及可再生資源，例如木質(zhì)纖維素生物質(zhì) (lignocellulosic biomass)和各種富含碳的廢材料。由于與化石資源相關(guān)聯(lián)的不斷上升 的經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)境成本和社會(huì)成本，優(yōu)選的是利用可再生資源生產(chǎn)合成氣。當(dāng)使用生物質(zhì)原料時(shí)，原料成本的很大部分歸因于與將原料從它們的生產(chǎn)地點(diǎn)移 動(dòng)至它們的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化或使用的地點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的處理。處理固體形式的生物質(zhì)是高成本的， 這有許多原因，包括所需要的操作的數(shù)量和原料的低堆密度，這造成高運(yùn)輸成本。此外，已經(jīng)估計(jì)在美國(guó)超過(guò)10億噸干生物質(zhì)可以用于向可再生的燃料的轉(zhuǎn)化。然 而，這種生物質(zhì)的大部分位于偏僻的地點(diǎn)。由于運(yùn)輸成本，生物質(zhì)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸通常被限于至 多約75英里的距離。因此，相當(dāng)大量的原料位于超出可以使用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸?shù)姆?圍之外的地點(diǎn)。考慮到本領(lǐng)域的上述的限制，需要用于將含碳原料例如生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為合成氣，然 后可以將合成氣轉(zhuǎn)化為醇或其他產(chǎn)物的改進(jìn)的方法和裝置。優(yōu)選地，改進(jìn)的方法將減輕與 運(yùn)輸相關(guān)聯(lián)的一些經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。發(fā)明概述在關(guān)于方法的第一方面，本發(fā)明提供一種形成合成氣的方法，所述方法包括以下 步驟(a)熱解或焙燒含碳第一進(jìn)料以形成熱解過(guò)的第一進(jìn)料或焙燒過(guò)的第一進(jìn)料；以及 (b)將熱解過(guò)的第一進(jìn)料或焙燒過(guò)的第一進(jìn)料轉(zhuǎn)化為合成氣。步驟(a)可以在催化劑的存 在下進(jìn)行。所述方法還可以包括將未被熱解或焙燒的第二進(jìn)料轉(zhuǎn)化為合成氣。所述方法還可以包括結(jié)合熱解過(guò)的第一進(jìn)料或焙燒過(guò)的第一進(jìn)料和未被熱解或焙燒的第二進(jìn)料，使得熱 解過(guò)的第一進(jìn)料或焙燒過(guò)的第一進(jìn)料和第二進(jìn)料都被轉(zhuǎn)化為合成氣。在一些實(shí)施方案中，所述方法包括熱解含碳第一進(jìn)料以形成熱解過(guò)的第一進(jìn)料， 焙燒含碳第二進(jìn)料以形成焙燒過(guò)的第二進(jìn)料，以及將熱解過(guò)的第一進(jìn)料和焙燒過(guò)的第二進(jìn) 料轉(zhuǎn)化為合成氣。在一些實(shí)施方案中，所述方法包括將焙燒過(guò)的第一進(jìn)料引入熱解反應(yīng)器 中以形成熱解過(guò)的第一進(jìn)料。所述方法可以至少部分在催化劑的存在下進(jìn)行?？梢酝ㄟ^(guò)使熱解過(guò)的第一進(jìn)料或焙燒過(guò)的第一進(jìn)料通過(guò)加熱的反應(yīng)容器例如蒸 汽重整裝置(steam reformer)或部分氧化反應(yīng)器(partial-oxidation reactor)以形成 合成氣，來(lái)將熱解過(guò)的第一進(jìn)料或焙燒過(guò)的第一進(jìn)料轉(zhuǎn)化為合成氣。在一些實(shí)施方案中，轉(zhuǎn) 化為合成氣包括以下子步驟(i)在脫揮發(fā)分單元中使熱解過(guò)的第一進(jìn)料或焙燒過(guò)的第一 進(jìn)料脫揮發(fā)組分以形成氣相和/或固相；以及(ii)使氣相和/或固相通過(guò)加熱的反應(yīng)容器 以形成合成氣。某些實(shí)施方案提供將熱解過(guò)的第一進(jìn)料或焙燒過(guò)的第一進(jìn)料和未被熱解或焙燒 的第二含碳進(jìn)料轉(zhuǎn)化為合成氣。某些實(shí)施方案包括熱解含碳第一進(jìn)料以形成熱解過(guò)的第一 進(jìn)料，焙燒含碳第三進(jìn)料以形成焙燒過(guò)的第三進(jìn)料，以及將熱解過(guò)的第一進(jìn)料、第二進(jìn)料和 焙燒過(guò)的第三進(jìn)料轉(zhuǎn)化為合成氣。其他實(shí)施方案在將材料轉(zhuǎn)化為合成氣之前結(jié)合熱解過(guò)的 第一進(jìn)料或焙燒過(guò)的第一進(jìn)料和第二進(jìn)料。在一些實(shí)施方案中，方法包括將熱解過(guò)的第一進(jìn)料或焙燒過(guò)的第一進(jìn)料和第二進(jìn) 料轉(zhuǎn)化為合成氣。這種特定的方法包括以下步驟(i)在脫揮發(fā)分單元中使熱解過(guò)的第一 進(jìn)料或焙燒過(guò)的第一進(jìn)料和第二進(jìn)料脫揮發(fā)組分以形成氣相和/或固相；以及(ii)使氣相 和/或固相通過(guò)加熱的反應(yīng)容器以形成合成氣。還可以將焙燒過(guò)的第一進(jìn)料引入熱解反應(yīng) 器中以形成熱解過(guò)的第一進(jìn)料。一些實(shí)施方案提供了一種形成合成氣的方法，所述方法包括以下步驟(i)在脫 揮發(fā)分單元中使熱解過(guò)的第一進(jìn)料或焙燒過(guò)的第一進(jìn)料脫揮發(fā)組分以形成氣相和固相；以 及(b)使氣相和固相通過(guò)加熱的反應(yīng)容器以形成合成氣?？蛇x擇地在催化劑的存在下的含碳進(jìn)料的熱解可以形成第一進(jìn)料?；蛘撸蛇x擇 地在催化劑的存在下的含碳進(jìn)料的焙燒可以形成第一進(jìn)料。未被熱解或焙燒的第二進(jìn)料可 以與第一進(jìn)料混合并且被轉(zhuǎn)化為合成氣。在一些實(shí)施方案中，熱解過(guò)的第一進(jìn)料或焙燒過(guò) 的第一進(jìn)料和第二進(jìn)料二者都被轉(zhuǎn)化為合成氣。某些實(shí)施方案包括熱解含碳第一進(jìn)料以形成熱解過(guò)的第一進(jìn)料，焙燒含碳第三進(jìn) 料以形成焙燒過(guò)的第三進(jìn)料，以及將熱解過(guò)的第一進(jìn)料、第二進(jìn)料和焙燒過(guò)的第三進(jìn)料轉(zhuǎn) 化為合成氣?？梢栽趯峤膺^(guò)的第一進(jìn)料或焙燒過(guò)的第一進(jìn)料和第二進(jìn)料轉(zhuǎn)化為合成氣之 前結(jié)合熱解過(guò)的第一進(jìn)料或焙燒過(guò)的第一進(jìn)料和第二進(jìn)料。焙燒過(guò)的第一進(jìn)料可以用于形 成熱解過(guò)的第一進(jìn)料。一些實(shí)施方案采用用于上文所描述的方法的至少一些步驟的模塊單元。一些實(shí)施方案還包括將合成氣轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的步驟，所述產(chǎn)物例如選自由醇、烯烴、 醛、烴、醚、氫氣、氨和/或乙酸組成的組的產(chǎn)物。所述烴可以是直鏈的或支鏈的C5-C15烴。 所述醇可以是甲醇和/或乙醇。第二方面涉及用于實(shí)施本發(fā)明的一些實(shí)施方案的裝置。在這些實(shí)施方案中的一些中，提供了一種用于生產(chǎn)合成氣的裝置，所述裝置包括與脫揮發(fā)分單元連通的熱解反應(yīng)器 和/或焙燒反應(yīng)器，所述脫揮發(fā)分單元與加熱的反應(yīng)容器連通。在一些實(shí)施方案中，熱解反 應(yīng)器、焙燒反應(yīng)器或所有這兩種反應(yīng)器適合于含有用于熱解或焙燒的一種或多種催化劑。在一些實(shí)施方案中，所述裝置還包括用于結(jié)合熱解過(guò)的進(jìn)料和未被熱解的進(jìn)料的 設(shè)備。在一些實(shí)施方案中，所述裝置還包括用于結(jié)合焙燒過(guò)的進(jìn)料和未被焙燒的進(jìn)料的設(shè) 備。該方面的一些實(shí)施方案提供了 一種用于生產(chǎn)合成氣的裝置，所述裝置包括與用于 結(jié)合熱解過(guò)的第一進(jìn)料或焙燒過(guò)的第一進(jìn)料和未被熱解或焙燒的第二進(jìn)料的設(shè)備連通的 熱解反應(yīng)器和/或焙燒反應(yīng)器(其可以是催化的)，其中所述設(shè)備與用于將第一進(jìn)料和第二 進(jìn)料轉(zhuǎn)化為合成氣的合成氣反應(yīng)器連通。某些裝置包括用于結(jié)合熱解過(guò)的進(jìn)料和焙燒過(guò)的進(jìn)料的設(shè)備，其中所述設(shè)備與 (i)熱解反應(yīng)器和/或焙燒反應(yīng)器和(ii)合成氣反應(yīng)器連通。合成氣反應(yīng)器可以包括與加 熱的反應(yīng)容器連通的脫揮發(fā)分單元。本發(fā)明的一些裝置還包括用于將合成氣轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物例如C1-C4醇(例如甲醇和/ 或乙醇)的產(chǎn)物反應(yīng)器，其中所述產(chǎn)物反應(yīng)器與合成氣反應(yīng)器連通。本發(fā)明的實(shí)施方案的詳述本詳述以例子的方式而非限制的方式闡述本發(fā)明的原理。本描述將使本領(lǐng)域的技 術(shù)人員能夠進(jìn)行和使用本發(fā)明，并且描述了本發(fā)明的幾種實(shí)施方案、修改、變化形式、替代 形式和用途，包括目前被認(rèn)為是實(shí)施本發(fā)明的最佳方式的內(nèi)容。還應(yīng)注意的是，如本說(shuō)明書 和所附的權(quán)利要求中所用的，單數(shù)形式“一(a)”、“一(an)”和“該(the) ”包括復(fù)數(shù)指示物， 除非上下文另外清楚地指出。除非另外定義，否則本文使用的所有的技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ) 具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所通常理解的含義相同的含義。如果本部分中所提 出的定義與以引用方式并入本文的專利、公布的專利申請(qǐng)和其他出版物中所提出的定義相 反或在其他方面不一致，那么本部分中所提出的定義勝過(guò)以引用方式并入本文的定義。除非另有說(shuō)明，否則說(shuō)明書和權(quán)利要求中使用的表達(dá)反應(yīng)條件、化學(xué)計(jì)量以及其 他的所有數(shù)字都將被理解為在所有情況下通過(guò)術(shù)語(yǔ)“約”修飾。因此，除非相反地指出，否 則在以下的說(shuō)明書和所附的權(quán)利要求中提出的數(shù)字參數(shù)是可以至少根據(jù)具體的測(cè)量技術(shù) 而變化的近似值。本發(fā)明的特征為用于在將原料轉(zhuǎn)化為合成氣之前熱解或焙燒原料的方法和裝置。 熱解和焙燒產(chǎn)生相對(duì)能量密集的原料(例如，通過(guò)除去水和/或原料的稠化)，從而降低了 所得到的原料的運(yùn)輸成本。在一些實(shí)施方案中，熱解過(guò)的原料和焙燒過(guò)的原料被轉(zhuǎn)化為合成氣。在其它實(shí)施 方案中，熱解過(guò)的原料和未經(jīng)受熱解或焙燒的原料被轉(zhuǎn)化為合成氣。一些實(shí)施方案將焙燒 過(guò)的原料和未經(jīng)受熱解或焙燒的原料轉(zhuǎn)化為合成氣。在一些實(shí)施方案中，焙燒過(guò)的原料、 熱解過(guò)的原料和未經(jīng)受熱解或焙燒的原料被轉(zhuǎn)化為合成氣。在一些實(shí)施方案中，化石燃料 (例如，原油、煤和/或石油)和以下物質(zhì)中的一種或多種被轉(zhuǎn)化為合成氣熱解過(guò)的原料、 焙燒過(guò)的原料和未經(jīng)受熱解或焙燒的原料。在一個(gè)方面，本發(fā)明的特征為使用用于原料的熱解或焙燒的模塊單元的方法和 系統(tǒng)。例如，原料可以在模塊熱解或焙燒反應(yīng)器(modular pyrolysisor torrefactionreactor)中反應(yīng)并且然后被運(yùn)輸至工廠以進(jìn)行進(jìn)一步加工，所述加工例如將已反應(yīng)的原料 轉(zhuǎn)化為合成氣或其他下游產(chǎn)物。在一些實(shí)施方案中，模塊單元還用于使熱解過(guò)或焙燒過(guò)的 原料脫揮發(fā)組分和/或蒸汽重整熱解過(guò)或焙燒過(guò)的原料。例如，熱解過(guò)或焙燒過(guò)的原料可 以被引入用于使原料脫揮發(fā)組分的模塊單元中。在一些實(shí)施方案中，模塊脫揮發(fā)分單元與 用于蒸汽重整脫揮發(fā)分單元的產(chǎn)物的模塊單元連通(例如可操作地連接)，從而形成合成 氣。在一些實(shí)施方案中，來(lái)自模塊脫揮發(fā)分單元的產(chǎn)物被運(yùn)輸至工廠以進(jìn)行進(jìn)一步加工，所 述加工例如向合成氣或其他下游產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化。為了本發(fā)明的目的，“生物質(zhì)”是并非來(lái)源于化石資源并且包含至少碳、氫和氧的 任何材料。生物質(zhì)包括例如植物和植物衍生的材料、植被、農(nóng)業(yè)廢物、林業(yè)廢物、廢木材、廢 紙、動(dòng)物衍生的廢物、家禽衍生的廢物和城市固體廢物。其他示例性的原料包括纖維素、烴、 碳水化合物或其衍生物、木炭和可再生原料。本發(fā)明還可以用于除了生物質(zhì)之外的含碳原 料，例如化石燃料(例如，煤或石油)。因此，本文所描述的與生物質(zhì)有關(guān)的任何方法、裝置 或系統(tǒng)可以可選擇地與任何其他原料一起使用。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可以適應(yīng)寬范圍的各種類型、大小和濕含量的原料。在本發(fā) 明的一些實(shí)施方案中，生物質(zhì)原料可以包括選自以下材料的一種或多種材料木材收獲殘 留物、軟木碎片、硬木碎片、樹枝、樹樁、葉子、樹皮、鋸屑、不合格紙漿、玉米、玉米秸、麥秸、 稻秸、甘蔗渣、柳枝稷、芒草(miscanthus)、動(dòng)物糞便、城市垃圾、城市污水、商業(yè)廢物、葡萄 渣(grape pumice)、杏仁殼、山核桃殼、椰子殼、咖啡渣、青草球團(tuán)、干草球團(tuán)、木材顆粒、紙 板、紙、塑料和布。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地意識(shí)到原料的選擇實(shí)際上是無(wú)限制的。根據(jù)本發(fā)明，特定的一種或多種原料的選擇不被認(rèn)為是技術(shù)上關(guān)鍵的，而是以傾 向于有利于經(jīng)濟(jì)過(guò)程的方式進(jìn)行。通常，與所選擇的原料無(wú)關(guān)，可以(在一些實(shí)施方案中) 進(jìn)行篩選以除去不期望的材料?？梢栽诩庸ぶ翱蛇x擇地干燥原料。還可以但不必要，在 將原料轉(zhuǎn)化為合成氣之前降低粒度。然而，對(duì)本發(fā)明來(lái)說(shuō)，不認(rèn)為粒度是關(guān)鍵的。為了本發(fā)明的目的，“重整”或“蒸汽重整”是指當(dāng)蒸汽是反應(yīng)物時(shí)合成氣的生產(chǎn)。 “部分氧化”是指當(dāng)氧氣是反應(yīng)物時(shí)合成氣的生產(chǎn)?！皻饣蓖ǔＪ侵钢辽貱0、C02和H2的混 合物的生產(chǎn)，并且可以包括脫揮發(fā)分、重整或部分氧化，以及一些量的熱解、燃燒、水煤氣變 換和其他化學(xué)反應(yīng)中的一種或多種?！┦纠缘淖兓问教峁┝?一種用于由生物質(zhì)或其他含碳材料合成合成氣的 工藝。原料的一部分或全部被引入原料反應(yīng)器中，原料反應(yīng)器例如熱解反應(yīng)器或焙燒反應(yīng) 器。然后，來(lái)自原料反應(yīng)器的產(chǎn)物被引入合成氣反應(yīng)器中。在一些實(shí)施方案中，不將原料的 一部分引入原料反應(yīng)器中。而是將此部分直接加入合成氣反應(yīng)器中。在一些實(shí)施方案中，合成氣反應(yīng)器包括脫揮發(fā)分單元和/或重整裝置反應(yīng)器。在 合成氣反應(yīng)器中產(chǎn)生的合成氣可以被冷卻和壓縮。在一些變化形式中，合成氣在被轉(zhuǎn)化為 另一種產(chǎn)物之前被過(guò)濾、純化或以另外的方式調(diào)節(jié)(condition)。例如，合成氣可以被引入 合成氣調(diào)節(jié)段，在所述合成氣調(diào)節(jié)段中苯、甲苯、乙苯、二甲苯、硫化合物、氮?dú)?、金屬?或 其他雜質(zhì)或潛在的催化劑毒物被可選擇地從合成氣除去。在一些實(shí)施方案中，合成氣被引 入用于將合成氣轉(zhuǎn)化至另一種產(chǎn)物例如甲醇和/或乙醇的一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)物反應(yīng)器中。示例性的原料反應(yīng)器包括一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)熱解反應(yīng)器和/或焙燒反應(yīng)器。在一 些實(shí)施方案中，熱解反應(yīng)器用于使用標(biāo)準(zhǔn)方法熱解原料的一部分或全部原料(參見，例如，Czernik 禾口 Bridgwater，Energy & Fuels，18 :590_598，2004 禾口 Mohan 等人，Energy & Fuels，20:848-889，2006，其各自據(jù)此以引用方式以其整體并入，特別是關(guān)于熱解反應(yīng)器和 方法)。熱解是原料的熱分解。優(yōu)選地，存在比原料的完全燃燒所需要的氧氣更少的氧氣 (例如原料的完全燃燒所需要的氧氣的約或小于40 %、30 %、20 %、10 %、5 %、1 %、0. 5 %或 0. 01% )。在一些實(shí)施方案中，熱解在沒有氧氣的情況下進(jìn)行。在熱解期間可能發(fā)生的示例性的變化包括以下中的任一種(i)來(lái)自熱源的傳熱 提高原料內(nèi)部的溫度；(ii)主要的熱解反應(yīng)在此較高的溫度的引發(fā)釋放揮發(fā)物并且形成 炭；(iii)熱揮發(fā)物朝向較冷固體的流動(dòng)導(dǎo)致熱揮發(fā)物和較冷的未熱解原料之間的傳熱； (iv)原料的較冷部分中某些揮發(fā)物的冷凝、之后的繼發(fā)反應(yīng)可以生產(chǎn)焦油；(ν)自動(dòng)催化 繼發(fā)熱解反應(yīng)進(jìn)行，而主要的熱解反應(yīng)同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)地發(fā)生；以及(vi)還可以發(fā)生另外的熱分 解、重整、水煤氣變換反應(yīng)、自由基再化合和/或脫水，這些是停留時(shí)間、溫度和壓力分布曲 線的函數(shù)。熱解使原料部分脫水。在各種實(shí)施方案中，熱解從原料除去大于或約5%、10%、 20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%或更多的水。除去初始存在的水的至少90% 可以是有益的，但不是必需的。來(lái)自熱解反應(yīng)器的產(chǎn)物通常是氣體、油(還被稱為“熱解 油”(pyrolysis oil)或“生物油”(bio-oil))和炭?？梢允褂萌魏螛?biāo)準(zhǔn)熱解反應(yīng)器來(lái)熱解原料。示例性的反應(yīng)器構(gòu)型包括但不限于螺 旋鉆、燒蝕反應(yīng)器(ablative reactor)、旋轉(zhuǎn)錐(rotating cone)、流化床反應(yīng)器(例如，循 環(huán)流化床反應(yīng)器)、夾帶流反應(yīng)器(entrained-flowreactor)、真空移動(dòng)床反應(yīng)器、傳送床 反應(yīng)器(transported-bed reactor)、固定床反應(yīng)器和微波輔助熱解反應(yīng)器。在其中使用螺旋鉆的一些實(shí)施方案中，原料和砂在螺桿的一端被供入。螺桿混合 砂和原料并且將它們輸送通過(guò)反應(yīng)器。螺桿可以提供對(duì)原料停留時(shí)間的良好的控制并且不 使用載氣或流化氣體稀釋熱解過(guò)的產(chǎn)物。砂在單獨(dú)的容器中被再加熱。在其中使用燒蝕工藝的一些實(shí)施方案中，原料靠著熱的金屬表面以高速度移動(dòng)。 在顆粒表面形成的任何炭的燒蝕保持高速率的傳熱。優(yōu)選地，裝置使用在原料床內(nèi)部的高 速度的金屬表面旋壓(metal surface spinning)，這防止對(duì)產(chǎn)物的任何稀釋。作為替代形 式，原料顆粒可以被懸浮在載氣中并且通過(guò)其壁被加熱的旋風(fēng)分離器以高速度被引入。產(chǎn) 物用載氣來(lái)稀釋。在一些實(shí)施方案中，將預(yù)熱過(guò)的熱砂和原料引入旋轉(zhuǎn)錐中。由于錐的旋轉(zhuǎn)，砂和原 料的混合物通過(guò)離心力被運(yùn)輸經(jīng)過(guò)錐表面。與其他淺傳送床反應(yīng)器相似，相對(duì)細(xì)的顆粒用 于獲得良好的液體收率。在其中使用流化床反應(yīng)器的一些實(shí)施方案中，將原料引入被氣體流化的熱砂的床 中，所述氣體通常是再循環(huán)的產(chǎn)物氣體。來(lái)自流化砂的高傳熱速率導(dǎo)致對(duì)原料的快速加熱。 可以有由于砂顆粒的磨損引起的一些燒蝕。通常通過(guò)換熱器管提供熱，熱燃燒氣體流過(guò)所 述換熱器管。存在產(chǎn)物的一些稀釋，這使得更難以冷凝并且然后除去來(lái)自離開冷凝器的氣 體的生物油霧(bio-oil mist)。在其中使用循環(huán)流化床反應(yīng)器的一些實(shí)施方案中，將原料引入熱砂的循環(huán)流化床 中。氣體、砂和原料共同移動(dòng)。示例性的運(yùn)輸氣體包括再循環(huán)的產(chǎn)物氣體和燃燒氣體。來(lái)自砂的高傳熱速率確保對(duì)原料的快速加熱，并且燒蝕比使用常見的流化床更強(qiáng)。快速分離 器(fast separator)將產(chǎn)物氣體和蒸氣與砂和炭顆粒分離。砂顆粒在流化燃燒器容器 (fluidized burnervessel)中被再加熱，并且被循環(huán)至反應(yīng)器。可以使用任何標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)條件在熱解反應(yīng)器中熱解原料(參見，例如，Czernik和 Bridgwater, Energy & Fuels，18 :590_598，2004 ；禾口 Mohan 等人，Energy & Fuels，20 848-889, 2006) 0本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以選擇生產(chǎn)作為熱解過(guò)程的產(chǎn)物的液體(而非僅形 成固體和/或氣體)的溫度、壓力和停留時(shí)間的組合。例如，如果反應(yīng)溫度、壓力和/或停 留時(shí)間過(guò)低或過(guò)高，那么產(chǎn)物可能主要是固體。技術(shù)人員通過(guò)常規(guī)實(shí)驗(yàn)，可以調(diào)整這些參數(shù) 以主要獲得作為熱解過(guò)的產(chǎn)物的液體。在一些實(shí)施方案中，使用快速熱解(fast pyrolysis)?？焖贌峤馐瞧渲性媳谎?速地加熱的高溫工藝。在一些實(shí)施方案中，原料在沒有氧氣的情況下被加熱。原料分解以 生成蒸氣、氣溶膠和一些木炭狀的炭。在冷卻和冷凝蒸氣和氣溶膠之后，形成具有常規(guī)燃 料油的熱值的約一半的熱值的暗褐色易流動(dòng)液體?？焖偌訜岷涂焖俅慊鹂梢援a(chǎn)生中間體 熱解液體產(chǎn)物，所述中間體熱解液體產(chǎn)物在另外的反應(yīng)將較高分子量物種分解為氣體產(chǎn)物 之前冷凝。快速熱解工藝通常產(chǎn)生，例如，60-75襯％的液體生物油、15-25wt%的固體炭和 10-20wt %的不凝氣體，這取決于所使用的原料。熱解可以在催化劑的存在下進(jìn)行。示例性的催化劑包括多相催化劑(例如 Si02-Al203、Pt/Si02-Al203、W0x/Zr02、S0x/&02)、沸石(例如 HY 沸石、α 沸石、HZSM_5、ZSM_5 或klinoptilolite)、酸催化劑、粘土催化劑(例如酸化或活化粘土催化劑)、A1_MCM_41型 中孔性催化劑、活性氧化鋁、Co-Mo催化劑(例如Criterion-534)和Ni/Al共沉淀催化劑。 在一些實(shí)施方案中，諸如K+、Li+或Ca2+的陽(yáng)離子可以用于在熱解期間增加炭的選擇性和收 率和/或降低焦油的選擇性和收率。在一些實(shí)施方案中，原料在被加入熱解反應(yīng)器中之前被磨細(xì)，以促進(jìn)高加熱速率 和快速傳熱。在一些實(shí)施方案中，當(dāng)使用熱解催化劑時(shí)，反應(yīng)溫度在約300-600°C之間，例如 約450°C。在特別的實(shí)施方案中，溫度在約300-400°C、約400-500°C或約500-600°C之間。 在一些實(shí)施方案中，使用熱解催化劑允許使用較低的溫度，例如約250-450°C。高反應(yīng)速率 使炭的形成最小化。在一些條件下，不形成炭。在一些實(shí)施方案中，壓力在約O至約2，OOOpsi之間，例如約0至約50psi之間。在 一些實(shí)施方案中，停留時(shí)間在約0. 1秒至約10秒之間，例如約1-5秒。在一些實(shí)施方案中， 熱解蒸氣和氣溶膠被迅速地冷卻以生成熱解油。還可以使用緩慢熱解。在緩慢熱解中，原料被加熱至約500°C。蒸氣停留時(shí)間在約 5分鐘至約30分鐘之間變化。在緩慢熱解中，蒸氣不如其在快速熱解中逸出得那么快。因 此，當(dāng)固體炭和任何液體正在形成時(shí)，蒸氣相中的組分繼續(xù)彼此反應(yīng)。緩慢熱解中的加熱速 率通常比用于快速熱解中的加熱速率慢很多。原料可以被保持在恒溫下或被緩慢加熱。蒸 氣可以在它們形成時(shí)被連續(xù)除去。在一些實(shí)施方案中，使用真空熱解。在此方法中，原料在真空中被加熱，以降低沸 點(diǎn)和/或避免不利的化學(xué)反應(yīng)。可以使用慢的或快的加熱速率。一些實(shí)施方案采用約450°C 的溫度和在約l_5psi之間的壓力。熱解油可以含有水，例如約10%至約25%的水(重量％ )。如果期望，熱解油的部分或全部水層可以在其被加入脫揮發(fā)分單元和/或重整裝置反應(yīng)器中之前使用標(biāo)準(zhǔn)方法 除去，標(biāo)準(zhǔn)方法例如相分離或基于揮發(fā)性的差異的分離。示例性的方法包括通過(guò)傾析的相 分離、蒸餾和使用膜的分離。在一些實(shí)施方案中，在熱解油被加入脫揮發(fā)分單元和/或重整 裝置反應(yīng)器中之前不從熱解油除去水。熱解油中的水可以提供蒸汽的來(lái)源，如果期望，所述 蒸汽可用于通過(guò)水煤氣變換反應(yīng)增加合成氣的氫含量。在一些實(shí)施方案中，來(lái)自熱解反應(yīng)器的氣體和/或固體產(chǎn)物被循環(huán)通過(guò)熱解反應(yīng) 器或被燃燒以產(chǎn)生能量。本發(fā)明的一些變化形式利用焙燒的原理。焙燒可以改進(jìn)含碳原料(例如生物質(zhì)) 的性質(zhì)。焙燒由在惰性氣氛中將原料緩慢加熱至約300°C的最高溫度組成。該處理得到與 初始的原料相比具有較低的濕含量和較高的能含量的固態(tài)均一產(chǎn)物。該工藝可以被稱為溫 和熱解，其除去產(chǎn)生煙的化合物并且形成固體產(chǎn)物，保留(在一些實(shí)施方案中)初始重量的 約70%和最初能含量的約90%。焙燒過(guò)的材料通常具有以下性質(zhì)(i)疏水性(例如，材料在儲(chǔ)存中不恢復(fù)濕度，并 且因此與木材和木炭不同，是穩(wěn)定的并具有定義明確的組成)；(ii)與初始的原料相比，較 低的濕含量和較高的熱值；(iii)當(dāng)燃燒時(shí)形成較少的煙；以及(iv)與初始的原料相比，較 高的密度和相似的機(jī)械強(qiáng)度。在一些實(shí)施方案中，焙燒反應(yīng)器用于使用標(biāo)準(zhǔn)方法焙燒原料的一部分或全部 原料，所述標(biāo)準(zhǔn)方法例如 WO 2007/078199 中或 Bergman 和 Kiel，“Torrefaction for biomass upgrading(用于生物質(zhì)升級(jí)白勺j；音@ )，，，14thEuropean Biomass Conference & Exhibition, ENC-RX-05-180, Paris, France, 2005中所描述的那些，這些出版物各自據(jù)此以 引用方式以其整體并入，特別是關(guān)于焙燒反應(yīng)器和方法?？梢允褂萌魏螛?biāo)準(zhǔn)焙燒反應(yīng)器來(lái)焙燒原料。示例性的反應(yīng)器構(gòu)型包括但不限于螺 旋鉆、燒蝕反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)錐、流化床反應(yīng)器(例如，循環(huán)流化床反應(yīng)器)、夾帶流反應(yīng)器、真空 移動(dòng)床反應(yīng)器、傳送床反應(yīng)器和固定床反應(yīng)器。在一些實(shí)施方案中，原料在其被加入脫揮發(fā) 分單元和/或重整裝置反應(yīng)器中之前被焙燒。在其它實(shí)施方案中，原料在其被容納在脫揮 發(fā)分單元中時(shí)被焙燒?？梢允褂萌魏螛?biāo)準(zhǔn)反應(yīng)條件在焙燒反應(yīng)器中焙燒原料。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以容 易地選擇生產(chǎn)作為焙燒工藝的產(chǎn)物的干燥的固體的溫度、壓力和停留時(shí)間的組合。在一些 實(shí)施方案中，反應(yīng)溫度在約150-300°C之間，例如約200-300°C。各種壓力可以用于焙燒，例 如大氣壓或更大的壓力。在一些實(shí)施方案中，停留時(shí)間在約10分鐘至約8小時(shí)之間。停留 時(shí)間優(yōu)選基于所使用原料的類型調(diào)整。在一些實(shí)施方案中，焙燒在沒有氧氣的情況下進(jìn)行。 在一些實(shí)施方案中，焙燒過(guò)的原料被使用標(biāo)準(zhǔn)方法壓碎或壓實(shí)(例如，使用造粒機(jī)壓縮以 形成小球)以形成更易于運(yùn)輸和/或更易于與其他原料混合的較小的顆粒。在一些實(shí)施方案中，焙燒在催化劑的存在下進(jìn)行。用于焙燒的示例性的催化劑包 括多相催化劑(例如 SiO2-Al2O3^ Pt/Si02-Al203、W0x/Zr02、S0x/Zr02)、沸石(例如 HY 沸石、 α沸石、HZSM-5、ZSM-5或klinoptilolite)、酸催化劑、粘土催化劑(例如酸化或活化粘土 催化劑)、A1-MCM-41型中孔性催化劑、活性氧化鋁、Co-Mo催化劑(例如Criterion_534) 和Ni/Al共沉淀催化劑。焙燒過(guò)的原料(例如來(lái)自焙燒反應(yīng)器的固體產(chǎn)物)可以加入熱解反應(yīng)器(例如本
11文所描述的熱解反應(yīng)器)中，以在將所述焙燒過(guò)的原料加入合成氣反應(yīng)器、脫揮發(fā)分單元 和/或重整裝置反應(yīng)器之前進(jìn)一步處理所述焙燒過(guò)的原料。在一些實(shí)施方案中，熱解過(guò)的產(chǎn)物(例如來(lái)自熱解反應(yīng)器的熱解油和/或固體產(chǎn) 物)和焙燒過(guò)的產(chǎn)物(例如來(lái)自焙燒反應(yīng)器的固體產(chǎn)物)在它們被加入脫揮發(fā)分單元和/ 或重整裝置反應(yīng)器之前結(jié)合。任何標(biāo)準(zhǔn)方法都可以用于這種混合。在一些實(shí)施方案中，使 用螺桿混合熱解過(guò)的產(chǎn)物和焙燒過(guò)的產(chǎn)物。在一些實(shí)施方案中，使用進(jìn)料混合器，例如立式 或臥式混合器。立式混合器由例如立式螺桿組成，該立式螺桿將材料抬升至頂部，材料再?gòu)?頂部落下，并且重復(fù)這個(gè)過(guò)程以混合材料。臥式混合器包括，例如，附著于水平轉(zhuǎn)子的槳葉 或葉片。在一些實(shí)施方案中，使用具有在大殼體中的兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的混合器來(lái)混合熱 解過(guò)的產(chǎn)物和焙燒過(guò)的產(chǎn)物。在一些實(shí)施方案中，使用班伯里密煉機(jī)。班伯里密煉機(jī)包括， 例如，被圍在圓柱形殼體的部分(segment)中的兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的螺旋型葉片，所述葉片相 互交錯(cuò)以在葉片之間留出脊(ridge)。所述葉片可以是有芯的(cored)以進(jìn)行加熱介質(zhì)或 冷卻介質(zhì)的循環(huán)。在一些實(shí)施方案中，使用例如標(biāo)準(zhǔn)噴淋泵和噴嘴將熱解油噴淋至焙燒過(guò)的產(chǎn)物 上，以將熱解油作為霧分布至焙燒過(guò)的產(chǎn)物上。如果期望，在熱解油被噴淋至焙燒過(guò)的產(chǎn)物 上之后，可以進(jìn)一步混合熱解過(guò)的產(chǎn)物和焙燒過(guò)的產(chǎn)物。在一些實(shí)施方案中，將熱解過(guò)的產(chǎn)物(例如來(lái)自熱解反應(yīng)器的熱解油和/或固體 產(chǎn)物)和/或焙燒過(guò)的產(chǎn)物(例如來(lái)自焙燒反應(yīng)器的固體產(chǎn)物)在它們被加入脫揮發(fā)分單 元之前與另一種原料(例如未經(jīng)受熱解或焙燒的原料)結(jié)合。任何標(biāo)準(zhǔn)方法都可以用于這 種混合，例如上文所描述的用于混合熱解過(guò)的產(chǎn)物和焙燒過(guò)的產(chǎn)物的方法中的任一種。當(dāng)使用不同的原料時(shí)，它們可以以任何比率使用并且它們可以被引入脫揮發(fā)分單 元或重整裝置反應(yīng)器的相同的或不同的位置?？梢允褂脽峤膺^(guò)的產(chǎn)物與焙燒過(guò)的產(chǎn)物的任 何比率，例如按重量計(jì)約1 0.01至約1 100的比率，例如約1 0. 1、1 1或1 10。 可以使用熱解過(guò)的產(chǎn)物與另一種原料(例如未經(jīng)受熱解或焙燒的原料)的任何比率，例如 按重量計(jì)約1 0.01至約1 100的比率，例如約1 0. 1、1 1或1 10?？梢允褂帽?燒過(guò)的產(chǎn)物與另一種原料(例如未經(jīng)受熱解或焙燒的原料，例如生物質(zhì)或化石燃料)的任 何比率，例如按重量計(jì)約1 0.01至約1 100的比率。應(yīng)理解，原料比率的具體選擇可 以受許多因素的影響，所述因素包括經(jīng)濟(jì)情況(原料價(jià)格和可用性)、過(guò)程最優(yōu)化(取決于 原料組成分布)、效用最優(yōu)化、設(shè)備最優(yōu)化等等?？梢允褂萌魏螛?biāo)準(zhǔn)合成氣反應(yīng)器來(lái)將原料或原料的混合物(例如以下物質(zhì)中的 兩種或更多種的混合物熱解過(guò)的原料、焙燒過(guò)的原料和未被熱解或焙燒的原料)轉(zhuǎn)化為 合成氣。示例性的反應(yīng)器構(gòu)型包括但不限于固定床反應(yīng)器(例如逆流或并流固定床反應(yīng) 器)、固定式流化床反應(yīng)器(Stationaryfluidized-bed reactor)、循環(huán)流化床反應(yīng)器(例 如由Varnamo,Sweden所開發(fā)的那些)、氧氣驅(qū)動(dòng)(oxygen-driven)流化床反應(yīng)器(例如由 Biosyn，Canada所開發(fā)的那些)、鼓泡流化床反應(yīng)器(bubbling fluid-bed reactor)、加壓 流化床反應(yīng)器(例如加壓鼓泡流化床反應(yīng)器或加壓循環(huán)流化床反應(yīng)器)、移動(dòng)床氣化器(例 如由芬蘭的BMG開發(fā)的那些)、逆流移動(dòng)床反應(yīng)器、并流移動(dòng)床反應(yīng)器、錯(cuò)流移動(dòng)床反應(yīng)器、 夾帶流反應(yīng)器(例如造渣夾帶流反應(yīng)器(slagging entrained-flow reactor)或渣池夾帶流反應(yīng)器)、吹氧的氣化器(oxygen-blown gasifier)、蒸汽氣化器和多級(jí)氣化器(例如具 有用于燃燒的單元和用于氣化的單元的那些，或具有脫揮發(fā)分單元和重整裝置反應(yīng)器的那 些)。在一些實(shí)施方案中，合成氣反應(yīng)器包括脫揮發(fā)分單元和重整裝置反應(yīng)器(參見，例如， 美國(guó)專利第6，863，878號(hào)和美國(guó)專利申請(qǐng)公布第2007/0205092號(hào)，它們各自以引用方式以 其整體并入本文)。在其中使用逆流固定床反應(yīng)器的一些實(shí)施方案中，反應(yīng)器由原料的固定床組成， “氣化劑”(例如蒸汽、氧氣和/或空氣)以逆流構(gòu)型流過(guò)所述固定床?；曳直桓稍锏爻?或者作為渣除去。在其中使用并流固定床反應(yīng)器的一些實(shí)施方案中，反應(yīng)器與逆流類型相似，但是 氣化劑氣體與原料以并流構(gòu)型流動(dòng)。通過(guò)燃燒少量的原料或從外部熱源將熱加入床的上 部。所生產(chǎn)的氣體在高溫下離開反應(yīng)器，并且這種熱的大部分被轉(zhuǎn)移至在床的頂部加入的 氣化劑，產(chǎn)生了良好的能量效率。因?yàn)樵谶@種構(gòu)型中焦油通過(guò)炭的熱床，所以焦油水平比逆 流類型低很多。在其中使用流化床反應(yīng)器的一些實(shí)施方案中，原料在氧氣和蒸汽或空氣中被 流化?；曳直桓稍锏爻セ蛘咦鳛槊摿骰?defluidize)的重團(tuán)塊被除去。干灰分反 應(yīng)器(dry-ash reactor)中溫度相對(duì)低，因此原料是期望地高反應(yīng)性的。附聚反應(yīng)器 (agglomerating reactor)具有略微更高的溫度。原料處理量高于固定床，但是不如夾帶流 反應(yīng)器那么高。可以使用固體的循環(huán)或后續(xù)的燃燒來(lái)增加轉(zhuǎn)化率。流化床反應(yīng)器對(duì)形成將 損壞造渣反應(yīng)器(slagging reactor)的壁的高腐蝕性灰分的原料最為有用。在其中使用夾帶流反應(yīng)器的一些實(shí)施方案中，干燥的粉碎過(guò)的固體、霧化液體原 料或原料漿料用氧氣或空氣以并流方式氣化。氣化反應(yīng)發(fā)生在非常細(xì)的顆粒的密云(dense cloud)中。高溫和高壓還意味著可以實(shí)現(xiàn)更高的處理量；然而，熱效率稍微較低，這是因?yàn)?氣體在其可以用現(xiàn)有技術(shù)清潔之前被冷卻。高溫還意味著焦油和甲烷不存在于產(chǎn)物氣體 中；需氧量可以高于其他類型的反應(yīng)器的需氧量。夾帶流反應(yīng)器除去作為渣的灰分的大部分，因?yàn)椴僮鳒囟冗h(yuǎn)高于灰熔溫度。灰分 的較小部分作為非常細(xì)的干燥飛灰或作為黑色的飛灰漿料產(chǎn)生。一些原料，特別是某些類 型的生物質(zhì)，可以形成對(duì)用來(lái)保護(hù)反應(yīng)器外壁的陶瓷內(nèi)壁具有腐蝕性的渣。然而，一些夾帶 流反應(yīng)器不具有陶瓷內(nèi)壁但是具有被部分固化的渣覆蓋的由水或蒸汽冷卻的內(nèi)壁。這些類 型的反應(yīng)器不被腐蝕性的渣腐蝕。一些原料具有灰熔溫度非常高的灰分。在這種情況下， 可以在氣化之前將石灰石與原料混合。石灰石的加入通?？梢越档腿刍瘻囟?。在一些實(shí)施 方案中，原料被粉碎，這需要比其他類型的反應(yīng)器在某種程度上更多的能量。焙燒過(guò)的或熱解過(guò)的生物質(zhì)(或其他含碳原料)可以使用任何已知的手段運(yùn)輸， 例如使用卡車、火車、船、駁船、牽引車掛車或任何其他交通工具或運(yùn)輸手段(例如管道)。 在一些實(shí)施方案中，使用被加熱的卡車將熱解油或焙燒過(guò)的材料運(yùn)輸至用于轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的 單元。在某些變化形式中，本發(fā)明可以利用用于生物質(zhì)和其他原料的熱解、焙燒、脫揮發(fā) 分、重整和/或氣化的模塊單元以形成有用的產(chǎn)物。“模塊單元”意指能夠可操作地單獨(dú)固 定或與至少一個(gè)其他模塊單元可操作地連接的裝置。在一些實(shí)施方案中，用于熱解或焙燒的模塊單元與用于將熱解過(guò)或焙燒過(guò)的原料轉(zhuǎn)化為合成氣的模塊單元連通(例如可操作地連接)。在一些實(shí)施方案中，用于熱解或焙燒 的模塊單元與用于使原料脫揮發(fā)組分的模塊單元連通(例如可操作地連接)。在一些實(shí)施 方案中，這些模塊單元還與用于重整脫揮發(fā)分單元和/或用于將合成氣轉(zhuǎn)化為另一種產(chǎn)物 (例如醇)的一種或多種模塊單元的產(chǎn)物的模塊單元連通。將模塊單元放置在原料來(lái)源附近可以最小化運(yùn)輸能量并且從而提高每單位消耗 能量的合成氣(和/或合成氣的衍生物)的收率。在一些實(shí)施方案中，模塊單元是便攜單元，例如安裝在滑軌、平臺(tái)或輸送機(jī)上以方 便模塊單元在不同的位置之間移動(dòng)的單元。在一些實(shí)施方案中，模塊單元可以比不能夠被 運(yùn)輸?shù)膯卧暂^少的步驟或在較少的時(shí)間內(nèi)被組裝和/或拆卸。在一些實(shí)施方案中，模塊單元可以被容易地拆卸為一個(gè)或多個(gè)部分，所述部分可 以在牽引車掛車的后部運(yùn)輸。在一些實(shí)施方案中，模塊單元的重量小于或約80，OOOlbs、 60，00011^或40，00011^。在一些實(shí)施方案中，模塊單元可以在滿足由美國(guó)交通部 (U. S. Department ofTransportation)制定的關(guān)于交通工具大小和重量的規(guī)范的交通工具 中被運(yùn)輸，美國(guó)交通部管理州際公路系統(tǒng)的使用。某些實(shí)施方案使用根據(jù)待審的、有效優(yōu)先日期為2007年7月9日的、標(biāo)題為 "MODULAR AND DISTRIBUTED METHODS AND SYSTEMS T0C0NVERT BIOMASS TO SYNGAS(用于 將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為合成氣的模塊和分布式方法和系統(tǒng))的美國(guó)專利申請(qǐng)第12/166，117號(hào)中 的描述的模塊單元和/或這些單元的分布方法，所述申請(qǐng)的受讓人與本專利申請(qǐng)的受讓人 相同，并且因此所述申請(qǐng)據(jù)此以引用方式并入本文?？梢砸栽S多方式利用根據(jù)本發(fā)明所描述的而產(chǎn)生的合成氣。合成氣通?？梢砸曰?學(xué)方法被轉(zhuǎn)化為和/或被純化為氫氣、一氧化碳、甲烷、石墨、烯烴(例如乙烯)、含氧物質(zhì) (例如二甲醚)、醇(例如甲醇和乙醇)、石蠟和其他烴。根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)所生產(chǎn)的合成氣可以進(jìn)一步生產(chǎn)直鏈的或支鏈 的C5-C15烴、柴油、汽油、蠟或烯烴，通過(guò)Fi scher-Tropsch化學(xué)方法；甲醇、乙醇和混合 醇，通過(guò)各種催化劑；異丁烷，通過(guò)異構(gòu)合成；氨，通過(guò)制氫，然后是哈伯固氮法(Haber process)；醛和醇，通過(guò)氧化合成；以及甲醇的許多衍生物，包括二甲醚、乙酸、乙烯、丙烯 和甲醛，通過(guò)各種工藝。在某些實(shí)施方案中，合成氣被轉(zhuǎn)化為高收率的醇，特別是乙醇。合成氣可以通過(guò) 化學(xué)催化劑被選擇性地轉(zhuǎn)化為乙醇，化學(xué)催化劑例如在2008年7月1日提交的、標(biāo)題為 "METHODS AND APPARATUS F0RPR0DUCING ALCOHOLS FROM SYNGAS (用于由合成氣生產(chǎn)醇的 方法和裝置)，，的美國(guó)專利申請(qǐng)第12/166，203號(hào)中所描述的，所述申請(qǐng)的受讓人與本專利 申請(qǐng)的受讓人相同，并且因此所述申請(qǐng)據(jù)此以引用方式并入本文。如本領(lǐng)域中所知的，合成 氣也可以使用微生物發(fā)酵為包含乙醇的混合物。根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)生產(chǎn)的合成氣也可以被轉(zhuǎn)化為能量?；诤铣蓺獾?能量轉(zhuǎn)換設(shè)備包括固體氧化物燃料電池、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(Stirlingengine)、微型渦輪機(jī) (micro-turbine)、內(nèi)燃機(jī)、溫差發(fā)電機(jī)、渦旋膨脹機(jī)(scroll expander)、燃?xì)馊紵?、熱?伏器件、或氣體液化(gas-to-liquid)設(shè)備。在一些情況下，可以結(jié)合兩個(gè)或更多個(gè)反應(yīng)器 的輸出合成氣以向包括合成氣冷卻器、合成氣清潔器和基于合成氣的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的下游 子系統(tǒng)提供合成氣。
已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，并且已經(jīng)對(duì)本發(fā)明具體的實(shí)例進(jìn)行了描繪。雖然已經(jīng) 在特別的變化形式方面對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本發(fā) 明不限于所描述的變化形式。此外，如果上文所描述的方法和步驟表明以某種順序發(fā)生某 些事件，那么本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以修改某些步驟的順序，并且這樣的修改 是根據(jù)本發(fā)明的變化形式做出的。此外，某些步驟可以在可能時(shí)在并行的過(guò)程中同時(shí)地進(jìn) 行，以及可以如上文所描述的順序地進(jìn)行。本說(shuō)明書中所引用的所有的出版物、專利和專利申請(qǐng)都以引用方式以其整體并入 本文，如同每個(gè)出版物、專利或?qū)＠暾?qǐng)被具體地和單獨(dú)地在本文中提出那樣。在本詳細(xì)的說(shuō)明書中，已經(jīng)參照了多個(gè)實(shí)施方案?？梢岳梦刺峁┍疚乃岢龅?所有特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)的其他實(shí)施方案，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。在某種程度上，存在處于 本公開的精神的范圍內(nèi)或等同于在權(quán)利要求中所提出的本發(fā)明的本發(fā)明變化形式，期望本 專利也將覆蓋這些變化形式。
權(quán)利要求
一種形成合成氣的方法，所述方法包括以下步驟(a)熱解或焙燒含碳第一進(jìn)料以形成熱解過(guò)的第一進(jìn)料或焙燒過(guò)的第一進(jìn)料；以及(b)將所述熱解過(guò)的第一進(jìn)料或所述焙燒過(guò)的第一進(jìn)料轉(zhuǎn)化為合成氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括將未被熱解或焙燒的第二進(jìn)料轉(zhuǎn)化為 合成氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括結(jié)合所述熱解過(guò)的第一進(jìn)料或所述焙 燒過(guò)的第一進(jìn)料和未被熱解或焙燒的第二進(jìn)料，使得所述熱解過(guò)的第一進(jìn)料或所述焙燒過(guò) 的第一進(jìn)料和所述第二進(jìn)料都被轉(zhuǎn)化為合成氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法包括熱解含碳第一進(jìn)料以形成熱解過(guò)的第一 進(jìn)料，焙燒含碳第二進(jìn)料以形成焙燒過(guò)的第二進(jìn)料，以及將所述熱解過(guò)的第一進(jìn)料和所述 焙燒過(guò)的第二進(jìn)料轉(zhuǎn)化為合成氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括將所述焙燒過(guò)的第一進(jìn)料引入熱解反 應(yīng)器中以形成熱解過(guò)的第一進(jìn)料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述熱解過(guò)的第一進(jìn)料或所述焙燒過(guò)的第一進(jìn) 料轉(zhuǎn)化為合成氣的步驟包括使所述熱解過(guò)的第一進(jìn)料或所述焙燒過(guò)的第一進(jìn)料通過(guò)加熱 的反應(yīng)容器以形成合成氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述熱解過(guò)的第一進(jìn)料或所述焙燒過(guò)的第一進(jìn) 料轉(zhuǎn)化為合成氣的步驟包括以下子步驟(i)在脫揮發(fā)分單元中使所述熱解過(guò)的第一進(jìn)料或所述焙燒過(guò)的第一進(jìn)料脫揮發(fā)組分 以形成氣相和/或固相；以及( )使所述氣相和/或所述固相通過(guò)加熱的反應(yīng)容器以形成合成氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(a)在催化劑的存在下進(jìn)行。
9.一種形成合成氣的方法，所述方法包括將熱解過(guò)的第一進(jìn)料或焙燒過(guò)的第一進(jìn)料和 未被熱解或焙燒的第二含碳進(jìn)料轉(zhuǎn)化為合成氣。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，所述方法包括熱解含碳第一進(jìn)料以形成所述熱解過(guò) 的第一進(jìn)料，焙燒含碳第三進(jìn)料以形成焙燒過(guò)的第三進(jìn)料，以及將所述熱解過(guò)的第一進(jìn)料、 所述第二進(jìn)料和所述焙燒過(guò)的第三進(jìn)料轉(zhuǎn)化為合成氣。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，所述方法還包括在將所述熱解過(guò)的第一進(jìn)料或所述 焙燒過(guò)的第一進(jìn)料和所述第二進(jìn)料轉(zhuǎn)化為合成氣之前結(jié)合所述熱解過(guò)的第一進(jìn)料或所述 焙燒過(guò)的第一進(jìn)料和所述第二進(jìn)料。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述方法至少部分在催化劑的存在下進(jìn)行。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中將所述熱解過(guò)的第一進(jìn)料或所述焙燒過(guò)的第一 進(jìn)料和所述第二進(jìn)料轉(zhuǎn)化為合成氣的步驟包括以下步驟(a)在脫揮發(fā)分單元中使所述熱解過(guò)的第一進(jìn)料或所述焙燒過(guò)的第一進(jìn)料和所述第二 進(jìn)料脫揮發(fā)組分以形成氣相和/或固相；以及(b)使所述氣相和/或所述固相通過(guò)加熱的反應(yīng)容器以形成合成氣。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，所述方法還包括將所述焙燒過(guò)的第一進(jìn)料引入熱解 反應(yīng)器中以形成熱解過(guò)的第一進(jìn)料。
15.一種形成合成氣的方法，所述方法包括以下步驟(a)在脫揮發(fā)分單元中使熱解過(guò)的第一進(jìn)料或焙燒過(guò)的第一進(jìn)料脫揮發(fā)組分以形成氣 相和固相；以及(b)使所述氣相和所述固相通過(guò)加熱的反應(yīng)容器以形成合成氣。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，所述方法包括可選擇地在催化劑的存在下熱解含碳 進(jìn)料，以形成所述第一進(jìn)料。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，所述方法包括可選擇地在催化劑的存在下焙燒含碳 進(jìn)料，以形成所述第一進(jìn)料。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，所述方法還包括將未被熱解或焙燒的第二進(jìn)料轉(zhuǎn)化 為合成氣。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，所述方法還包括結(jié)合所述熱解過(guò)的第一進(jìn)料或所述 焙燒過(guò)的第一進(jìn)料和未被熱解或焙燒的第二進(jìn)料，使得所述熱解過(guò)的第一進(jìn)料或所述焙燒 過(guò)的第一進(jìn)料和所述第二進(jìn)料都被轉(zhuǎn)化為合成氣。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，所述方法包括熱解含碳第一進(jìn)料以形成所述熱解過(guò) 的第一進(jìn)料，焙燒含碳第三進(jìn)料以形成焙燒過(guò)的第三進(jìn)料，以及將所述熱解過(guò)的第一進(jìn)料、 所述第二進(jìn)料和所述焙燒過(guò)的第三進(jìn)料轉(zhuǎn)化為合成氣。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，所述方法還包括在將所述熱解過(guò)的第一進(jìn)料或所述 焙燒過(guò)的第一進(jìn)料和所述第二進(jìn)料轉(zhuǎn)化為合成氣之前結(jié)合所述熱解過(guò)的第一進(jìn)料或所述 焙燒過(guò)的第一進(jìn)料和所述第二進(jìn)料。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，所述方法還包括將所述焙燒過(guò)的第一進(jìn)料引入熱解 反應(yīng)器中以形成熱解過(guò)的第一進(jìn)料。
23.根據(jù)權(quán)利要求1、9或15中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法至少部分在一個(gè)或多 個(gè)模塊單元中進(jìn)行。
24.根據(jù)權(quán)利要求1、9或15中任一項(xiàng)所述的方法，所述方法還包括將所述合成氣轉(zhuǎn)化 為產(chǎn)物的步驟。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述產(chǎn)物選自由醇、烯烴、醛、烴、醚、氫氣、氨和 乙酸組成的組。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述烴是直鏈的或支鏈的C5-C15烴。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述醇是甲醇。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述醇是乙醇。
29.一種用于生產(chǎn)合成氣的裝置，所述裝置包括與脫揮發(fā)分單元連通的熱解反應(yīng)器或 焙燒反應(yīng)器，所述脫揮發(fā)分單元與加熱的反應(yīng)容器連通。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，所述裝置包括熱解反應(yīng)器。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，所述裝置包括焙燒反應(yīng)器。
32.根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，所述裝置包括熱解反應(yīng)器和焙燒反應(yīng)器二者。
33.根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，其中所述熱解反應(yīng)器或所述焙燒反應(yīng)器包含催化劑。
34.根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，所述裝置還包括用于結(jié)合熱解過(guò)的進(jìn)料和未被熱解 的進(jìn)料的設(shè)備。
35.根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，所述裝置還包括用于結(jié)合焙燒過(guò)的進(jìn)料和未被焙燒的進(jìn)料的設(shè)備。
36.一種用于生產(chǎn)合成氣的裝置，所述裝置包括與用于結(jié)合熱解過(guò)的第一進(jìn)料或焙燒 過(guò)的第一進(jìn)料和未被熱解或焙燒的第二進(jìn)料的設(shè)備連通的熱解反應(yīng)器或焙燒反應(yīng)器，其中 所述設(shè)備與用于將所述第一進(jìn)料和所述第二進(jìn)料轉(zhuǎn)化為合成氣的合成氣反應(yīng)器連通。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，所述裝置包括熱解反應(yīng)器、焙燒反應(yīng)器或所有這兩 種反應(yīng)器。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的裝置，其中所述反應(yīng)器中的至少一種包含催化劑。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的裝置，所述裝置還包括用于結(jié)合熱解過(guò)的進(jìn)料和焙燒過(guò)的 進(jìn)料的設(shè)備，其中所述設(shè)備與(i)所述熱解反應(yīng)器和/或所述焙燒反應(yīng)器和(ii)所述合成 氣反應(yīng)器連通。
40.根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其中所述合成氣反應(yīng)器包括與加熱的反應(yīng)容器連通 的脫揮發(fā)分單元。
41.根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，所述裝置還包括用于將合成氣轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的產(chǎn)物反 應(yīng)器，其中所述產(chǎn)物反應(yīng)器與所述合成氣反應(yīng)器連通。
42.一種用于生產(chǎn)合成氣的裝置，所述裝置包括與脫揮發(fā)分單元連通的熱解反應(yīng)器或 焙燒反應(yīng)器，所述脫揮發(fā)分單元與加熱的反應(yīng)容器連通。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的裝置，所述裝置包括可選擇地包含催化劑的熱解反應(yīng)器、 焙燒反應(yīng)器或所有這兩種反應(yīng)器。
44.根據(jù)權(quán)利要求42所述的裝置，所述裝置還包括用于結(jié)合熱解過(guò)的進(jìn)料和焙燒過(guò)的 進(jìn)料的設(shè)備，其中所述設(shè)備與所述熱解反應(yīng)器、所述焙燒反應(yīng)器和所述合成氣反應(yīng)器連通。
45.根據(jù)權(quán)利要求42所述的裝置，所述裝置還包括用于將合成氣轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的產(chǎn)物反 應(yīng)器，其中所述產(chǎn)物反應(yīng)器與所述合成氣反應(yīng)器連通。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的裝置，其中所述產(chǎn)物包括一種或多種C1-C4醇。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的裝置，其中所述產(chǎn)物包括甲醇。
48.根據(jù)權(quán)利要求46所述的裝置，其中所述產(chǎn)物包括乙醇。
全文摘要
本發(fā)明的特征為用于在將含碳原料轉(zhuǎn)化為合成氣之前熱解或焙燒含碳原料的方法和裝置。在一些實(shí)施方案中，首先通過(guò)焙燒和/或熱解預(yù)處理生物質(zhì)，然后進(jìn)行脫揮發(fā)分和/或蒸汽重整以生產(chǎn)合成氣。可以采用與新鮮生物質(zhì)結(jié)合的這樣的預(yù)處理過(guò)的生物質(zhì)的各種混合物來(lái)生產(chǎn)合成氣。合成氣可以被轉(zhuǎn)化為醇例如乙醇，或被轉(zhuǎn)化為其他產(chǎn)物。
文檔編號(hào)C10J3/02GK101896580SQ200880120565
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2008年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月17日
發(fā)明者利奧·曼熱, 威廉·B·舍費(fèi)爾 申請(qǐng)人:雷奇燃料公司