CN103237869B - 低含水的源自生物质的热解油及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供低含水的源自生物质的热解油及其生产方法。该方法(200)包括使包括可冷凝的热解气体和不可冷凝的气体的热解气体冷凝(204)，以将该可冷凝的热解气体与该不可冷凝的气体分离开来，该不可冷凝的气体具有水含量；对该不可冷凝的热解气体进行干燥(206)，以降低该不可冷凝的气体的所述水含量，形成低含水的不可冷凝的热解气体；以及向热解反应器提供(208)该低含水的不可冷凝的热解气体，以形成该源自生物质的热解油。

Description

低含水的源自生物质的热解油及其生产方法

优先权陈述

本申请请求2010年7月23日提交的美国申请号12/842,394的优先权。

发明领域

本发明一般地涉及生物燃料，以及更具体地涉及低含水的源自生物质的热解油及其生产方法。

发明背景

源自生物质的热解油可以用作燃料，用于各种应用。例如，源自生物质的热解油可以作为燃料，应用于某种锅炉和熔炉。在其他情况下，源自生物质的热解油可以作为一种潜在的原料提供，用于石油精炼厂中生产燃料的催化过程。最近，源自生物质的热解油作为运输燃料的用途已经得到研究，这可以减轻消费者对传统石油的依赖并减少对环境的影响。

许多方法，如快速热解，是形成源自生物质的热解油的常用方法。一般地，在快速热解工艺中，有机生物质材料，如木材废弃物、农业废弃物等在不含空气的过程反应器中被快速加热至450℃到600℃的温度，得到有机蒸气、水蒸汽、热解气体和灰分（炭）。将有机蒸气和水蒸汽冷凝，以形成源自生物质的热解油。

虽然常规的热解工艺产生了有用形式的源自生物质的热解油，但这些工艺仍可以得到改进。例如，尽管生物质在被提供到热解反应器之前通常进行干燥，以除去其超过90％的水含量，但是常规生产的源自生物质的热解油仍然可能包含复杂的、高度氧化的含20-30wt％水的有机液体。常规生产的源自生物质的热解油其高水含量可以随着时间的推移，导致相分离，并能降低该热解油的能量密度。此外，热解前干燥生物质会消耗大量的能量。

因此，希望提供用于生产低含水的源自生物质的热解油的方法，该方法的操作可以比传统的热解工艺消耗更少的能量。此外，希望生产低含水的源自生物质的热解油，该热解油的贮存稳定性大幅增加。此外，从下文详细的本发明说明和所附的权利要求，并结合说明书附图和本发明的背景将显而易见地看出本发明的其他有利的特征和特性。

发明概述

在一个实施方式中，一种用于降低源自生物质的热解油中的水分的方法包括使包括可冷凝的热解气体和不可冷凝的气体的热解气体冷凝，以将该可冷凝的热解气体与该不可冷凝的气体分离开来，该不可冷凝的气体具有水含量；对该不可冷凝的热解气体进行干燥，以降低该不可冷凝的气体的所述水含量，形成低含水的(reduced-water)不可冷凝的热解气体；以及将该低含水的不可冷凝的热解气体提供至热解反应器，以形成该源自生物质的热解油。

在另一实施方式中，一种用于制备低含水的源自生物质的热解油的方法包括将热解气体引入冷凝器，该热解气体包含可冷凝的热解气体和不可冷凝的热解气体，该不可冷凝的气体具有水含量。将该冷凝器调节到预定的温度，以在该冷凝器中提供阈值水蒸气压，从而提供保留在该源自生物质的热解油中的最大水含量。该冷凝器中将热解气体冷凝，以将该可冷凝的热解气体与该不可冷凝的气体分离开来。对该不可冷凝的热解气体进行干燥，以降低该不可冷凝的热解气体的所述水含量，形成低含水的不可冷凝的热解气体。将该低含水的不可冷凝的热解气体提供至热解反应器，以形成该源自生物质的热解油。

在仍然另一实施方式中，一种用于制备低含水的源自生物质的热解油的方法包括使包括可冷凝的热解气体和不可冷凝的气体的热解气体冷凝，以将该可冷凝的热解气体与该不可冷凝的气体分离开来，该不可冷凝的气体具有水含量。对该不可冷凝的热解气体进行干燥，以降低该不可冷凝的气体的所述水含量，形成低含水的不可冷凝的热解气体。将该低含水的不可冷凝的热解气体提供至热解反应器，以形成该源自生物质的热解油。在该热解反应器中用该低含水的不可冷凝的热解气体热解生物质材料，以形成低含水的热解气体。将该低含水的热解气体冷凝，以形成该低含水的源自生物质的热解油，该低含水的源自生物质的热解油具有范围从2%到30%的水含量。

附图说明

下文将结合如下附图对本发明进行描述，其中相同的附图标记表示相同的元件，以及其中：

图1是根据一个实施方式，用于生产低含水的源自生物质的热解油的系统的简图；以及

图2是根据一个实施方式，用于降低源自生物质的热解油中的水分以生产低含水的源自生物质的热解油的方法的流程图。

发明详述

下面的本发明的详细说明在本质上仅仅是示例性的，并不意在限制本发明或本申请和本发明的用途。此外，亦没有意图受前述的本发明背景或下文详细的本发明说明中所呈现的任何理论的约束。

提供一种改进的源自生物质的热解油和生产该种改进的源自生物质的热解油的方法。该改进的源自生物质的热解油其水含量小于常规生产的源自生物质的热解油的水含量。根据一个实施方式，该改进的源自生物质的热解油具有范围从2％到30％的水含量。在另一实施方式中，该改进的源自生物质的热解油其水含量低于上述范围。

图1是根据一个实施方式，可用于生产低含水的源自生物质的热解油的系统100的简图。虽然未示出，但系统100可以包括一些用于形成源自生物质的热解油的附加的或替代的组件，如鼓风机、泵、储罐或其他设备。此外，系统100中所描述的组件不需要按所示的顺序放置，以及该系统100可以纳入具有本文未详细描述的附加功能的更全面的系统。此外，在系统100的一个实施方式中，只要该系统100的预期整体功能（例如，形成源自生物质的热解油的功能）保持不变，该系统100其组件中的一个或多个可以省略。

一般地，该系统100包括进料斗102、热解反应器104、再热器106、冷凝器108和干燥器110。系统100的组件通过管道、管线或气体、液体和/或固体可以穿流的其他线路流体连通。

该进料斗102被配置为接收来自供料源（未示出）的生物质材料。该生物质材料包括含碳的生物质原料，以及包括，但不限于木材、农业废弃物/残余物、坚果和种子、藻类、草、林业残余物、城市固体废物、建筑和/或拆卸碎片、纤维素和木质素等。根据一个实施方式，该进料斗102将该生物质材料提供至与该热解反应器104连通的供料槽112。该供料槽112将该生物质材料输送进入该热解反应器104。

该热解反应器104热解该生物质材料以产生炭、蒸汽和热解气体。在这方面，该热解反应器104包括适于热解生物质材料的多种热解反应器的任何一种。合适的热解反应器的例子包括，但不限于固定床热解反应器、流化床热解反应器、循环流化床反应器（CFBR）或其他能够热解的热解反应器。在其他实施方式中可使用其他热解反应器。

该热解反应器104通常包括内置有传热介质（未示出）的反应器提升管114。该反应器提升管114通常是管状的。在另一实施方式中，该反应器提升管114是盒状，或具有另一种适于容纳该传热介质的形状。该传热介质包括适于直接或间接地将热量传递给该反应器提升管114内的生物质材料的惰性固体（如沙子）、催化材料或其组合。该传热介质可以以流化状态提供，并保持在适于热解的温度下，以热解生物质材料。

第一分离器系统120与该热解反应器104流体连通，并且被配置为将固体与气体分离开来。例如，该第一分离器系统120接收来自该热解反应器104的经热解的材料以及将构成该传热介质的固体与该经热解的材料中所包含的热解气体分离开来。适于置入该分离器系统120的设备包括，但不限于气旋再循环装置等。线路122连通该第一分离器系统120和该再热器106，该再热器106将集自该第一分离器系统120的所述传热介质再加热。管道128提供从该再热器106到该热解反应器104的途径，以使得再加热的所述传热介质返回该热解反应器104，备用。

第二分离器系统124捕获从该再热器106排出的固体和气体。该第二分离器系统124可以包括气旋再循环装置或者诸如此类。来自该再热器106的可包括副产物灰分的固体被收集起来并经管道132从该系统100中除去。排出该分离器系统124的气体通过管道134从该系统100中排出。

该冷凝器108被配置为与该热解反应器104连通，并接收来自该热解反应器104的热解气体。该冷凝器108被配置为冷却可冷凝的气体，导致该可冷凝的气体相变为液体。例如，该热解气体包括可冷凝的部分（也称为“可冷凝的热解气体”）和不可冷凝的部分（也称为“不可冷凝的热解气体”），该冷凝器108冷却该热解气体的该可冷凝的部分，以将该可冷凝的热解气体的部分转换为液体。该冷凝器108也可以被配置为被调节到预定的温度，以在该冷凝器108中提供阈值水蒸气压，以便所得的源自生物质的热解油保留预定的最大热解水含量。因此，该不可冷凝的热解气体具有的气态水含量依赖于该冷凝器中的水蒸气压。虽然图1中作为单一的冷凝器108示出，但是该冷凝器108在其他的实施方式中可包括串联设置的一个以上的部件。冷凝器的合适类型包括，但不限于表面冷凝器，如热交换式冷凝器、液体骤冷冷凝器等。在其他实施方式中，也可以采用另一种类型的冷凝器。

由该冷凝器108收集的液体经管道136被带走。所述液体的一部分流经另一管道138到冷却器126，而所述液体的另一部分改道通过管道142并从该系统100中移除，作为该源自生物质的热解油。在一个实施例中，该源自生物质的热解油被导入储罐（未示出）中。该冷却器126冷却来自该冷凝器108的所接收的液体部分，并将液体重新导入该冷凝器108中，以用作该冷凝器108的冷却剂。

未通过该冷凝器108冷凝的不可冷凝的热解气体从该冷凝器108流出，进入管道140，以在该系统100中被重新使用。包括氢气、甲烷和氧化碳的该不可冷凝的热解气体可以用来提供燃烧能燃料，以用于该系统100的各种组件或其他地方。在一个实施例中，将该不可冷凝的热解气体的一部分从管道140重新导入干燥器（未示出），以在生物质材料被供给到进料斗102之前将其干燥。比如，该不可冷凝的热解气体的重新导入部分在接点146处改道进入管道150并流向该干燥器。在另一个例子中，该不可冷凝的热解气体的一部分从管道140改道进入管道148并被输送到该再热器106中燃烧。该不可冷凝的热解气体的仍然另一部分被提供到该热解反应器104以作为该热解反应器中的流化态气体，以将该反应器提升管114中的传热介质（例如沙子）与生物质混合。相应地，该不可冷凝的热解气体继续沿着管道140流向该反应器104。

该不可冷凝的热解气体在引入该热解反应器104之前，经过脱水以除去水分，因为水会降低热解形成的热解油的品质。在这方面，该干燥器110被布置在该冷凝器108和该热解反应器104之间。本文所用的术语“干燥器”被定义为能够从气体或液体中除去水分的装置。在一个实施方式中，该干燥器110被选择为能够去除该不可冷凝的热解气体中的至少50％水含量的干燥器。在另一个实施例中，该干燥器110被选择为能够去除该不可冷凝的热解气体中的至少90％水含量的干燥器。在又一实施方式中，该干燥器110去除该不可冷凝的热解气体中的少于50％的水含量。

可以采用各种不同的被配置以除去水分的装置来从该不可冷凝的热解气体中除去水分。例如，该干燥器110可以被配置为通过将该不可冷凝的热解气体冷却到预定温度来除去水分，在该预定温度下，水液化，以及将水收集并转移到收集罐130中。在这样的实施方式中，该干燥机110包括冷冻器。在另一实施方式中，该干燥机110可以被配置为当含水的所述不可冷凝的气体通过该干燥器110时，除去水分子。在这样的配置中，吸附式干燥器（如分子筛）可用作该干燥器110。在一个实施例中，选择诱捕尺寸范围为3埃至5埃的分子的分子筛。在另一实施方式中，该吸附式干燥器可以包括柱撑粘土、氧化铝、盐或另一种类型的分子筛。在一个实施方式中，从该干燥器110除去的水沿管道152流出该系统100。在另一实施方式中，该管道152与储罐或贮器（未示出）流体连通。

根据另一实施方式中，该系统100还包括气体预处理区144，以制备低含水的不可冷凝的热解气体，用于引入到该干燥器110中。图2是根据一个实施方式，用于形成低含水的源自生物质的热解油的方法200的流程图。方法200表示用于形成低含水的源自生物质的热解油的方法的一个实施方案。为了说明的目的，方法200的下文说明可结合图1，参阅上文提到的组件。在实践中，方法200的部分可以通过所描述的系统100的不同组件（例如，热解反应器104、冷凝器108、干燥器110等）操作。此外，方法200可以包括任意数量的附加的或替代的步骤，图2中所示的步骤不需要按所示的顺序操作，以及方法200可以纳入生产本文未详细描述的附加产品的更全面的程序或方法。此外，在方法200的一个实施方式中，只要整体的意图（例如，产生低含水的源自生物质的热解油的意图）保持不变，图2中所示的步骤中的一个或多个可以省略。

方法200的开始步骤202是热解生物质材料，以得到热解气体。在一个实施方式中，该生物质材料包括上文结合进料斗102所提到的生物质材料的一种或多种。在另一实施方式中，该生物质材料是另一种含碳的生物质材料。在热解之前，可制备生物质材料。例如，在某些情况下，该生物质材料含水，便将水分从该生物质材料中除去。可以对该生物质材料进行干燥，以保留范围从4％到20％的水含量。在另一实施方式中，将该生物质材料粉碎为粒径为0.5mm至12mm的颗粒。随后将该生物质材料供应到热解反应器（例如反应器104），进行热解。

热解包括于没有空气的条件下，在该热解反应器中以500℃/秒到50,000℃/秒的速率快速加热该生物质材料。在其他实施方式中，可以使用与前面提到的处理参数不同的处理参数执行热解工艺。虽然对上述的快速热解工艺进行了描述，但是其他的实施方式仍可采用其他的热解工艺。例如，适于获得热解气体的热解工艺的其他类型包括，但不限于真空热解、催化热解和慢速热解（也称为碳化作用）。

生物质原料热解后，固体炭、蒸汽和热解气体形成。固体和气体产物（例如，固体炭、蒸汽和热解气体），以及在某些情况下，来自所述热解反应器的传热介质的一部分从所述热解反应器逸出。将所述气体产物、固体炭和传热介质导入分离器系统（例如系统120），以将所述气体产物（例如，蒸汽和热解气体）与所述固体炭和传热介质分离。将所述固体炭和传热介质重新导入加热器（例如加热器106），以燃烧炭并再加热所述传热介质的。例如，该传热介质可以在稍微高于环境压力的条件下，在400℃至750℃的温度范围内，通过氧化再加热。传热介质的循环速度可用来控制所述加热器中燃烧床的温度。替代性地，稀释后的空气可用来控制所述再热器内的燃烧率。可将再生的传热介质和固体炭导入另一个分离器系统以从再生的传热介质中去除固体炭。然后，可以使再生的传热介质再循环到所述热解反应器。

使热解气体冷凝以将所述可冷凝的热解气体与所述不可冷凝的热解气体分离开来，即步骤204。将热解气体引入并使其流过冷凝器或一系列的冷凝器，以冷却所述可冷凝的热解气体并导致所述可冷凝的热解气体相变为液体，而所述不可冷凝的热解气体仍为气相。在一个实施方式中，所述冷凝器将所述热解气体冷却至10℃到90℃的温度范围，该温度范围适于使所述可冷凝的热解气体相变为液体。根据一个实施方式，将该冷凝器108中的温度调节到较高或较低的温度，从而控制所述不可冷凝的热解气体的气态水含量。例如，60℃以上的温度使得所述不可冷凝的热解气体中所保留的水含量能够比将该冷凝器108的温度调节至较低的温度时，所述不可冷凝的热解气体中所保留的水含量低。正如上文所暗示的，所述可冷凝的热解气体冷凝为源自生物质的热解油，该热解油可以改道进入储罐（未示出）或可被导入冷却器（例如冷却器124），以在随后的冷凝过程中用于冷凝器。含有氢气、甲烷、氧化碳和水的所述不可冷凝的热解气体从所述冷凝器中流出，流向所述反应器。

在回流入所述反应器中之前，将所述不可冷凝的热解气体干燥，以降低所述不可冷凝的热解气体的水含量并形成低含水的不可冷凝的热解气体，即步骤206。在一个实施方式中，使所述不可冷凝的热解气体经受温度影响，所述温度的范围内，水蒸汽的一部分相变为液体，而所述不可冷凝的热解气体仍为气相。适合的温度包括，但不限于0℃至90℃。在另一个实施方式中，使用吸附式干燥器吸附所述不可冷凝的热解气体中的水。不管具体的干燥过程如何，所述不可冷凝的热解气体中的水含量优选减少了至少50％。在另一个实施方式中，所述不可冷凝的热解气体中的水含量减少了至少90％。在其他实施方式中，水含量减少了小于50％。在任何情况下，从所述不可冷凝的热解气体中除去水分便产生了低含水的不可冷凝的热解气体，将所述低含水的不可冷凝的热解气体提供到所述热解反应器中，用于形成低含水的源自生物质的热解油，即步骤208。

在方法200的一些实施方式中，在将所述低含水的不可冷凝的热解气体引入干燥器中之前，使其经受预处理步骤，即步骤208。例如，将所述低含水的不可冷凝的热解气体加热，以防止液体在置于所述干燥器内的吸附介质上冷凝。在一个实施方式中，合适的加热温度包括大于步骤206中采用的温度、范围从5℃到150℃的温度。在其他实施方式中，将所述低含水的不可冷凝的热解气体加热到比上述范围内的温度较高或较低的温度。在另一实施例中，过滤所述不可冷凝的热解气体，以降低所述气体的雾负载（mist load）。

为了形成所述低含水的源自生物质的热解油，用所述低含水的不可冷凝的热解气体热解生物质材料，以及在步骤204时重复操作该过程并至少继续操作到步骤210。例如，所述生物质材料和低含水的不可冷凝的热解气体热解后，便产生低含水的热解气体。具体而言，该低含水的热解气体包括的水含量低于不使用所述低含水的不可冷凝的热解气体时，通过热解产生的热解气体中的水含量。当该低含水的热解气体冷凝时，可冷凝的热解气体和不可冷凝的热解气体彼此分离。特别是，所述可冷凝的热解气体冷凝而形成所述低含水的源自生物质的热解油。

因此，在所述热解反应器中采用所述不可冷凝的热解气体进行热解之前，除去所述热解气体中的水分，借此，所得的源自生物质的热解油比没有使用所述低含水的不可冷凝的热解气体时形成的源自生物质的热解油具有较低的水含量。具体而言，由方法200形成的源自生物质的热解油其水含量在20％至30％的范围内。在其中干燥的生物质材料用所述低含水的不可冷凝的热解气体进行热解的实施方式中，所述低含水的源自生物质的热解油可以具有在2％至30％范围内的水含量。所述低含水的源自生物质的热解油是一种单相液体，其与使用常规的热解工艺形成的热解油相比，显示出改进的贮存稳定性和较高的能量密度。因此，所述低含水的源自生物质的热解油比起始的源自生物质的热解油更适合作为生物燃料使用。

虽然前文详细的本发明说明中已经呈现了至少一个示例性的实施方式，但是应该理解的是，存在各种各样的变体。还应当理解的是，一个或多个示例性的实施方式仅仅是例子，并非意在以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反，前面的详细说明将为本领域的技术人员提供方便的用于实施本发明的示例性实施方式的路线图，可以理解的是，示例性实施方式中所述的元件其功能和布置可以进行各种改变，而不背离所附的权利要求及其合法等同物中所规定的本发明的范围。

Claims (7)

1.用于降低源自生物质的热解油中的水分的方法(200)，该方法包括如下步骤：

i)使热解气体冷凝(204)，以将可冷凝的热解气体与含水的不可冷凝的热解气体分离开来；

ii)对该含水的不可冷凝的热解气体进行干燥(206)，以降低该含水的不可冷凝的气体的水含量，形成低含水的不可冷凝的热解气体；以及

iii)将该低含水的不可冷凝的热解气体提供至热解反应器(208)，以形成该源自生物质的热解油；

iv)在该热解反应器中用该低含水的不可冷凝的热解气体热解(202)生物质材料，以形成低含水的热解气体；以及

v)将至少一部分该低含水的热解气体冷凝(204)，以形成该低含水的源自生物质的热解油。

2.根据权利要求1所述的方法(200)，其中干燥(206)的步骤包括使该含水的不可冷凝的热解气体从冷冻器上通过。

3.根据权利要求1所述的方法(200)，其中干燥(206)的步骤包括使该含水的不可冷凝的热解气体通过吸附式干燥器。

4.根据权利要求1所述的方法(200)，其中使该不可冷凝的热解气体通过吸附式干燥器的步骤包括使该不可冷凝的热解气体通过分子筛。

5.根据权利要求1所述的方法(200)，其中使热解气体冷凝(204)的步骤进一步包括

i)将该热解气体引入冷凝器以及

ii)将该冷凝器调节到预定的温度，以在该冷凝器中提供阈值水蒸气压，从而提供包含在该低含水的源自生物质的热解油中的预定的最大水含量。

6.根据权利要求1所述的方法(200)，进一步包括在冷凝和干燥的步骤之间，加热该低含水的不可冷凝的热解气体的步骤。

7.根据权利要求1所述的方法(200)，进一步包括在冷凝和干燥的步骤之间，过滤该含水的不可冷凝的热解气体以降低该不可冷凝的热解气体的雾负载的步骤。