CN102459527A - 生物质气化反应器和接收器构造的系统和方法 - Google Patents

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Z·约凡诺维克
S·R·斯特兰德
D·凯利
A·民登
R·里德里
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Abstract

太阳能驱动的化学装置的方法、设备和系统可以包括太阳热接收器，以从定日镜阵列吸收会聚的太阳能。此外，一些实施方式可以包括具有多个反应器管的太阳能驱动的化学反应器。会聚的太阳能驱动流经反应器管的生物质颗粒的吸热气化反应。一些实施方式也可以包括现场的燃料合成反应器，其在地理上位于与化学反应器相同的地点，并且结合在一起以从气化反应接收氢和一氧化碳产物。

Description

生物质气化反应器和接收器构造的系统和方法
相关申请
本申请要求2009年10月2日提交的题目为“Various Methods andApparatuses for Sun Driven Processes(太阳能驱动过程的各种方法和设备)”的美国临时专利申请序列号61/248,282和2009年6月9日提交的题目为“VARIOUS METHODS AND APPARATUSES FORSOLAR-THERMAL GASIFICATION OF BIOMASS TO PRODUCESYNTHESIS GAS(太阳热气化生物质以产生合成气的各种方法和设备)”的美国临时专利申请序列号61/185,492的权益。
版权声明
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发明领域
本发明的实施方式一般地涉及精炼生物质和其他材料的系统、方法和设备。更具体地，本发明的实施方式的一方面涉及精炼生物质和其他材料的太阳能驱动的系统、方法和设备。
发明背景
最初包括在化学反应中的物质/多个物质通常被称为反应物。化学反应的特征通常在于反应物中的化学变化，然后生成一种或者多种产物。生物质气化是产生合成气的吸热过程；必须向该过程中输入能量以驱动化学反应进行。典型地，这通过部分地氧化(燃烧)生物质本身进行。必须消耗30％和40％之间的生物质以驱动该过程，并且在通常地限制(由于效率的原因)该过程的温度下，转化通常是有限的，产生更加较低的产率并且产生焦油。还有，通常地设计这种传统的生物精制装置中的化学反应器以在不变的条件下昼夜不停地操作。相反地，提出的太阳能驱动的生物精制装置使用外部能量来源(太阳能)以提供反应所需的能量，因此不需要消耗生物质以实现转化。这比先前的技术得到每吨生物质加仑汽油的显著更高的产率。因此，用于驱动转化的能量来源是再生性的并且无碳。
发明概述
一些实施方式涉及用于太阳能驱动化学装置的方法、设备和系统，其可以包括太阳热接收器以从定日镜阵列吸收会聚的太阳能。此外，一些实施方式可以包括太阳能驱动的化学反应器，其具有多个反应器管。这些管可以是位于太阳热接收器内的下行式几何形状。此外，在多个反应器管内，可以在载气的存在下气化生物质的颗粒。该气化过程是吸热的，并且可以在超过1000℃的管出口温度下产生氢和一氧化碳产物。
在一些实施方式中，一个或者多个孔1)向地球的大气开放或者2)被窗玻璃(window)覆盖，可用于使会聚的太阳能经过进入太阳热接收器。该能量可射在接收器的多个反应器管和内腔壁上。因此，反应器管可以起双重功能1)隔离生物质气化反应环境与地球的大气，以及2)通过太阳辐射吸收和热辐射、对流以及传导传递能量至反应的颗粒。这可以驱动流经反应器管的生物质颗粒的吸热气化反应。此外，制成腔壁和反应器管的材料的高传热速率可以允许颗粒生物质达到足够高的温度，该足够高的温度是在0.01和5秒之间范围的非常短停留时间内，充分的焦油破坏和颗粒的高于90％的碳含量完全气化为反应产物所必需的，反应产物包括氢和一氧化碳气体。
一些实施方式也可以包括现场的燃料合成反应器，其可被地理上置于与太阳能化学反应器相同的地点上，并且结合在一起以从气化反应接收氢和一氧化碳产物。可以配置现场的燃料合成反应器，以在烃燃料合成过程中使用氢和一氧化碳产物产生液态烃燃料。
附图简述
附图指本发明的实施方式，其中：
图1阐明示例工艺流程的一个实施方式的方框图；
图2阐明示例多管反应器的一个实施方式的图；
图3阐明具有接收器和定日镜区域的示例太阳能塔的一个实施方式的图；
图4阐明代表性生物质材料的颗粒大小分布的一个实施方式的图表；
图5阐明具有气化器管的太阳热接收器的一个实施方式的图；
图6a和6b阐明夹带流生物质供给系统的一个实施方式的方框图；
图7阐明太阳能驱动的生物精制装置的一个实施方式的图；和
图8阐明系统的一个实施方式的流程图。
虽然本发明可有各种改型和可选形式，但已通过附图中的示例说明了其具体实施方式，并且在本文中详细描述其具体实施方式。应理解本发明不限于公开的具体形式，而是相反地，本发明覆盖落入本发明的精神和范围内的所有的改型、等价物和替代物。
发明详述
在下列描述中，阐明了许多具体细节，诸如特定数据信号的实例、命名的部件、连接、反应器管的数量等等，以便于提供本发明的全面理解。但是，对本领域普通技术人员明显的是不用这些具体细节可以实践本发明。在其他情况下，未详细描述众所周知的部件或者方法，而是在方框图中描述，以避免不必要地使本发明不清楚。可以进行进一步的具体数字指代，诸如第一反应器管。但是，具体数字指代不应被解释为字面顺序，而是被理解为第一反应器管与第二反应器管不同。因此，阐明的具体细节仅仅是示例性的。具体细节可以变化，并且仍被认为在本发明的精神和范围内。在一个实施方式中发现的特征一般地可用于另一实施方式中。术语连接被定义为意味着直接连接至部件或者通过另一部件间接地连接至部件。
一般地，太阳能驱动的化学装置包括供给化学反应器的夹带流生物质供给系统，至少通过生物质的颗粒大小控制，该反应器被灵活给料。一个示例系统包括供给现场的燃料合成反应器的化学反应器。化学反应器可以从定日镜阵列接收会聚的太阳热能，并且该能量可用于驱动包括生物质气化反应的化学反应。也可以对准太阳热接收器以从定日镜阵列吸收会聚的太阳能。
太阳能驱动的化学反应器可以具有多个反应器管。这些管可以是位于太阳热接收器内的下行式几何形状。此外，在多个反应器管内，可以在载气的存在下气化生物质的颗粒。这可以在吸热气化反应中进行，以在超过1000℃的管出口温度下产生氢和一氧化碳产物。
会聚的太阳能可射在接收器的多个反应器管上和内腔壁上。因此，反应器管可以起双重功能1)隔离生物质气化反应环境与太阳热接收器的大气，以及2)通过太阳辐射吸收和热辐射、对流以及传导传递能量至反应的颗粒。这可以驱动流经反应器管的生物质颗粒的吸热气化反应。此外，制成腔壁和反应器管的材料的高传热速率可以允许颗粒生物质达到足够高的温度，该足够高的温度在0.01和5秒之间范围的非常短停留时间内，充分的焦油破坏和高于90％的颗粒完全气化为反应产物所必需的，该反应产物包括氢和一氧化碳气体。
在离开反应器管之前，从夹带流生物质供给系统供给的含碳生物质材料颗粒经历包括下列的气化反应的几个不同化学过程。
在一些实施方式中，有或者没有窗玻璃的一个或者多个孔是至少部分地包围多个反应器管的接收器外壳的一部分。接收器壳的内壁可以吸收或者高度地反射会聚的太阳能。这可以引起辐射热，并且然后通常辐射地传送该热至太阳能驱动化学反应器的管中的生物质颗粒。此外，接收器腔的内壁可由允许接收器腔在高(＞1200℃)壁温下操作的材料制成，以便能够产生高的传热速率、快速的反应动力学以及对合成气的高度选择性。
此外，对于每一个反应器管，一些实施方式可以包括不透明的外壁。在这种实施方式中，接收器的内壁和反应器管可以主要通过辐射交换能量，而不是通过对流或者传导。这可以允许反应器管达到相当均匀的温度分布，即使来自定日镜阵列或者聚太阳能器的会聚的太阳能仅从一个方向直接射在反应器管上。来自内壁和反应器管的辐射传热可以是驱动气化反应的主要能量来源，在该气化反应中小的生物质颗粒作为来自内壁和管的辐射热能的数百万微小吸收表面。
图1阐明示例工艺流程的方框图。一些实施方式包括太阳能驱动的生物质气化至液态燃料/电的过程。在特定的示例实施方式中，所述过程是太阳能驱动的生物质气化至‘绿色’液态燃料的过程。在一个实施方式中，该过程包括下列工艺步骤的一个或者多个。
生物质研磨或者致密化、运输和卸载100可以是全部过程的一部分。可通过压实机使生物质包捆压缩和致密化，以通过由压缩实现的致密化有利于运输至现场，并且包捆的大小为这样的尺寸——其可以例如适合在标准的厢式车尺寸或者集装箱尺寸内，或者适合在标准的压实机尺寸内。夹带流生物质供给系统可以在研磨系统的前面，研磨系统装备有机械切割器和颗粒分选器诸如多孔板筛或者旋风器，以控制颗粒的大小。生物质在一个实施方式中可以是非食物原料生物质。在一些情况下，食物原料生物质也可被处理。
然后可以存储生物质102。如需要，可以供给104生物质进入本申请的示例系统或者设备。例如，在研磨并且将生物质磨碎成颗粒之后，生物质的颗粒可被供给进入太阳能驱动的化学反应器并且在其中气化。两个或者更多进给线供应具有50微米(um)和2000um之间的平均最小尺寸大小的生物质颗粒至化学反应器。
太阳能接收器和气化器106可以用于使生物质气化。示例生物质气化器设计和操作可以包括太阳能化学反应器和太阳能接收器以产生合成气。可以改变化学反应器的构造、尺寸、形状和材料，以及其与其太阳能接收器的合作。化学反应器和太阳能接收器二者形成太阳能接收器和气化器106。驱动生物质气化器的各种定日镜区域设计和操作可被使用。一些示例系统可以包括聚太阳能器、二级集中器、聚焦镜阵列等等以驱动生物质气化器110。
可以提供焠灭、气体清除和从生物质气化器除灰108。一些气体可以是废物，然而可以在存储118或者例如甲醇合成116之前压缩114其他气体。然后可以存储120甲醇用于以后的甲醇向汽油转化122。
在各种实施方式中，可以供给合成气至另一技术应用。实例包括合成气向其他化学品的转化过程。产生的其他化学品或多个化学品可以包括液化燃料，诸如运输液化的燃料。在一个示例烃基燃料中，可由合成气形成甲醇116。可以进一步转化(concert)甲醇成为汽油或者其他燃料122，并且可以从汽油124或者合成气分离出各种产品。然后可以存储这些产品，例如汽油，用于以后用作能量来源。
一些实施方式可以包括现场的化学合成反应器，诸如燃料合成反应器，其可在地理上置于与化学反应器相同的地点上，并且结合在一起以从气化反应接收氢和一氧化碳产物。现场的燃料合成反应器具有输入端以接收氢和一氧化碳产物，并且在烃燃料合成过程中利用它们产生液态烃燃料。
通过距离通常小于15英里的管道，可以连接现场的燃料合成反应器至装置设施的其他部分。现场的燃料合成反应器可以提供各种反馈参数和其他要求至控制系统。例如，现场的燃料合成反应器可以要求控制系统改变由装置的焠灭和气体清除部分产生的合成气的H2与CO比例，并且控制系统会这样做。
本文描述的系统和方法的一些实施方式可以包括控制器，诸如计算机化控制器。可以使该控制器的调整和预测性参数对于整个接收器/反应器系统优化，其中考虑定日镜阵列在孔处的通量的滞后时间和响应参数、生物质热质的流动速度的变化。也可以为调整在峰值、中间和波谷太阳能条件下参数的控制系统，以及在10个典型的太阳日中具有+/-10％温度设定点的控制系统的操作，设定调整和预测性参数。
图2阐明可用于太阳能驱动的系统中的示例多管化学反应器的图。反应器具有多个反应器管202、204、206、208，并且单独的夹带线可用于化学反应器200中气化反应器管202、204、206、208的每一个。这可以允许独立的温度控制，以及在多管太阳能驱动化学反应器200中反应器管202、204、206、208的每一个中流动的生物质颗粒的量的平衡。显示了五个反应器管202、204、206、208的示例量。通过闭锁料斗旋转供给系统诸如Rotofeed
Figure BPA00001479864900061
闭锁料斗旋转供给系统，可以分配生物质供给的颗粒至反应器管202、204、206、208。这种系统可以允许平衡供给至各个反应器管202、204、206、208，并且基于通过仪器诸如测力传感器监测的闭锁料斗中生物质的重量变化，通过控制Rotofeed
Figure BPA00001479864900062
的旋转速度，控制颗粒的供给速度。
太阳能驱动的生物精制装置可以包括太阳热接收器200，其被对准以从定日镜阵列、一组太阳能集中盘或者二者的结合吸收会聚的太阳能。接收器200是收集和分配太阳能的腔，然而反应器管是在其中发生化学反应的单独的运输管。接收器腔是绝热的环境，其中放置反应器管。反应器管是生物质可以经其流动并且然后在其中发生气化反应的管。
各种实施方式可以包括可包括各种反应器尺寸、形状和材料的生物质气化反应器和接收器构造。例如，可以使用具有下行式几何形状的多个反应器管202、204、206、208的太阳能驱动化学反应器。多个反应器管202、204、206、208可位于太阳热接收器200内。在多个反应器管202、204、206、208中，在载气存在下在吸热气化反应中可以使生物质的颗粒气化，以在超过1000℃的管出口温度下产生氢和一氧化碳产物。
在一些实施方式中，可以使用向地球的大气开放或者被窗玻璃覆盖的一个或者多个孔，以使会聚的太阳能经过进入太阳热接收器200，射在多个反应器管202、204、206、208和接收器200的腔壁上。反应器管202、204、206、208起双重功能1)隔离生物质气化反应环境与地球的大气，和2)通过太阳辐射吸收和再辐射、对流和传导传递能量。传递该能量至反应的颗粒以驱动流经反应器管202、204、206、208的生物质颗粒的吸热气化反应。来自制成腔壁和反应器管202、204、206、208的材料的高传热速率可以允许颗粒生物质达到足够高的温度，该足够高的温度是在0.01和5秒之间范围的非常短停留时间内，充分的焦油破坏和颗粒的高于90％的碳含量完全气化为反应产物所必需的，该反应产物包括氢和一氧化碳气体。
多个反应器管202、204、206、208的每一个可以提供辐射热驱动以发生化学反应的室。此外，该反应器设计中的多个反应器管202、204、206、208增加了与反应物的辐射交换和管之间辐射交换可用的反应器表面积。化学反应可以包括生物质气化、蒸汽甲烷重整、甲烷裂化、产生乙烯的蒸汽甲烷裂化、金属精炼和CO2捕获的一种，其可在该反应器中使用太阳热能进行。
示例太阳能驱动化学装置具有多个反应器管202、204、206、208的顶部。管在太阳能接收器腔中垂直地定向。在反应器管202、204、206、208的顶部引入生物质颗粒，其通过载气诸如蒸汽夹带，并且通过重力和压力被引导经过反应器管202、204、206、208的气化反应区域。以1100℃和1450℃之间的接收器腔壁温度可以清楚地描绘操作温度，并且来自反应器管202、204、206、208的气化反应区域的出口的气体温度超过1000℃。一些实施方式使用在良好的反应器效率的温度下操作的反应器管202、204、206、208，该温度不高于1600℃的硅石熔化温度。
在一些实施方式中，太阳能驱动的化学装置包括反应器管202、204、206、208，其内径的尺寸为允许从管的边缘至中心生物质颗粒基本均匀气化。一些具有设定为在1400℃下内部管壁上经受至少75psig压力的壁厚度。
一个或者多个孔可以是至少部分地包围多个反应器管202、204、206、208的接收器外壳的一部分。接收器的壳可以吸收或者高度地反射会聚的太阳能以引起辐射热，并且然后通常辐射地传送该热至太阳能驱动化学反应器的管中的生物质颗粒。此外，接收器腔的内壁可由允许接收器腔在高(＞1200℃)壁温下操作的材料制成。这能够产生高传热速率、非常短停留时间的快速反应动力学以及由气化反应产生用于合成气的一氧化碳和氢的高度选择性。
注意，化学反应器是在其中发生化学反应的容器。同样地，化学反应器可以是单个反应器管或一组反应器管。因此，化学反应器可以是具有多个反应器管的单个反应器或者每个是单个反应器管的多反应器，或一些其他类似的组合。进一步，不同的化学反应可以发生在太阳能驱动化学反应器的不同反应器管中。例如，蒸汽甲烷重整可以发生在第一组反应器管中，生物质气化可以发生在组成化学反应器的另一组反应器管中，其至少部分包含在太阳热接收器中。同样地，不同的反应诸如SMR和生物质气化可以同时发生在相同的反应器管中。此外，控制系统可以通过如本文所述的许多机制控制在反应器管中发生的化学反应。例如，控制化学反应物诸如生物质颗粒和载气进入并且经过反应器管的流动速度，以及流动经过反应器管的每种反应物的浓度。控制系统可以单独地控制每个反应器管，或成组/成套地控制，例如18根管的簇，或整体控制所有的管。如本文所述，反应器管的形状、取向和其他特征可以变化。注意，为了对照的目的，多于一个的化学反应器可位于共有塔上，诸如在图3中。该实例显示了至少部分包含在其本身相关的太阳热接收器中的第一化学反应器、第二化学反应器和第三化学反应器。位于相同的塔上的第一、第二和第三化学反应器可不共享共有的控制系统或者共有的太阳热接收器，并且因此，实际上是每个不同的化学反应器。但是，它们均可以从一些共有的进料容器/闭锁料斗进料，和/或可以共享下游的焠灭和气体清除系统组件。
在化学反应器的多个反应器管中，发生辐射热驱动的化学反应。化学反应包括生物质气化、蒸汽甲烷重整、甲烷裂化、蒸汽甲烷裂化以产生乙烯、金属精炼和CO2或者H2O分解的一种或多种，其在该化学反应器中使用来自吸收的会聚太阳能的太阳热能进行。第一组管可具有蒸汽甲烷重整反应发生，而第二组管具有生物质气化反应发生。
生物质气化通过许多复杂的反应发生，但是这些可被分为数个宽泛的组。在第一组中，在相对低的温度(200℃-600℃)释放挥发分(氢、轻的链烷和链烯)。反应起初是吸热的，并且在下降颗粒的反应器中，由于传热限制在这些低温下很可能驱动这些最初的反应。随着反应进行，不含氧的碳被留下，大部分地来自木质素。该成分需要更高的温度(＞800℃)以及氧化剂以气化。此外，在高温(1000℃-1200℃)来自第一系列反应的更重的挥发性产物(焦油)进一步分解为CO和H2。
因此，在排出反应器管之前，由夹带流生物质供给系统供给的含碳生物质材料颗粒经历气化反应的几个不同的化学过程，包括下列。
1)最初，含碳生物质颗粒的分解产生1)含碳炭和2)蒸发为气体产物的挥发分。2)其次，包括木质素部分的含碳炭的完全气化产生1)包括一氧化碳、氢气和焦油的气体产物以及2)高于99％纯度的含碳灰。其次，3)包括统称为焦油的较大烃和芳香化合物的焦油裂化发生在高于1000℃下，以产生充分的焦油破坏至低于200mg/m3以下以及优选地低于50mg/m3，并且多于90％的生物质颗粒气化成为包括氢和一氧化碳气体的反应产物。至少焦油的气化和裂化的步骤在化学反应器中的反应区域中在0.01和5秒之间范围的生物质颗粒停留时间内开始和完成。分解可以始于低温300℃或者更低，在进入反应器管之前由载气预热。
对于每一个反应器管202、204、206、208，本文描述的太阳能驱动化学装置的一些实施方式包括不透明的壁。在这种系统中，接收器200的内壁和反应器管202、204、206、208可以主要通过辐射交换能量，而不是通过对流或者传导。这可以允许反应器管202、204、206、208达到相当均匀的温度分布，即使会聚的太阳能仅从一个方向直接射在反应器管202、204、206、208上。来自内壁和反应器管202、204、206、208的辐射传热可以是驱动气化反应的能量的主要来源，在该气化反应中小的生物质颗粒作为来自内壁和管的辐射热能的数百万微小吸收表面。
因为接收器腔内的高温，用于制成接收器腔的壁的材料可以具有机械和化学性质以在高温(在1100℃-1500℃之间)下保持其强度。对于接收器腔，这些材料可具有非常高的发射率或者高的反射率以及高的热容和低热导率。此外，反应器管202、204、206、208的材料可具有包括0.7发射率系数或者更好的高发射率，包括30瓦特每米开尔文或者更好的高热导率，8焦耳每摩尔-开氏度或者更好的至少中等的热容。进一步，材料可以抵抗腔中的氧化空气环境以及管内部上的还原环境，以允许分散下降的生物质颗粒的迅速气化。这可以导致稳定的灰形成、完全减少焦油至低于50毫克每标准立方米毫米、以及氢和一氧化碳产物的产生。
在一些实施方式中，太阳能驱动的化学装置可以包括多个管202、204、206、208的第一和第二反应器管。管202、204、206、208可以在材料上由耐火陶瓷或者金属制成。在高温(1100℃-1500℃)下，选择的材料必须具有良好的化学稳定性以及高的强度。此外，可以选择对于生物质颗粒大小和蒸汽浓度具有高的抗腐蚀性和抗磨损性级别和对太阳能通量引起的脆性具有良好抗性的材料。良好的抗热冲击性可以提供对可用太阳能迅速变化的防护。例如，为管构造选择的材料单独地或者结合地选自下列材料，包括碳化硅、Si/SiC复合材料、碳化硅涂层的石墨、钨、钼、富铝红柱石、氧化锆、具有硫化铝的钼、烧结的亚微碳化硅粉末诸如Hexoloy SA
Figure BPA00001479864900101
SiC和Hexoloy SE
Figure BPA00001479864900102
SiC、透明的和/或半透明的蓝宝石、高铝含量镍基合金诸如Haynes
Figure BPA00001479864900103
214、和包括氧化铝(Al2O3)的耐火陶瓷、包括熔融渗透的SiC/SiC在内的陶瓷基体复合材料、和其他类似的材料。此外，可以单独地或者结合地使用材料。多个反应器管可以具有一个或者多个增加的1)抗磨损涂层、2)抗热涂层(＞1050℃)、和3)抗腐蚀涂层。以许多方式包括溅射、沉积和其他类似的技术，涂层可被增加至反应器管和接收器腔内表面上。
在一些实施方式中，如果用非惰性气体诸如空气充满接收器腔，在高温下管的材料可具有高的抗氧化性。一些实施方式包括擅长吸收太阳能、凭借辐射发射率的高再辐射性质和高热导率的材料。一种这样的材料可以是碳化硅保护的石墨。石墨可以具有需要的热机械性质，诸如高温性能、优异的热导率、非常好的抗热冲击性以及断裂韧性、和高的发射率。厚度在0.001″和0.020″之间的碳化硅涂层可以提供抗氧化性。通过化学气相沉积或者通过石墨的直接硅化，该涂层可以可被置于反应器管上，并且在1150℃和1400℃之间的壁温下操作反应器管202、204、206、208。
因此，反应器管可以由碳化硅涂层的石墨制成。接收器200的窗玻璃可以由蓝宝石制成，并且使接收器200的腔是封闭的。惰性气体供给引起接收器腔内的容积充满惰性气体，其排除氧气使之不影响碳化硅涂层的石墨制成的反应器管。
化学反应器也可由透明的材料构造成，允许由接收器的内部腔壁发射的辐射直接经过容纳的反应器管并且射在反应的颗粒上。该管可以由任何可以经受高温的透明材料构造成，并且蓝宝石对该应用是优选的材料。蓝宝石或者蓝宝石基化合物具有良好的高温性能、在可见光和IR中高的透射和低的吸收，使得其很好地适合于该应用。
在一些实例中，太阳能驱动的化学装置可以具有每一个反应器管202、204、206、208的气化反应区域的长度和直径尺寸，该反应器管的尺寸可以在气化温度下产生0.01秒至5秒的快速停留时间。多个管的第一个与多个管的第二个可以具有不同的直径。此外，每一个管的形状可能是圆柱形的管或者矩形的管。
在一些实施方式中，太阳能驱动的化学装置可以包括下行式几何形状至多个反应器管202、204、206、208，在反应器管中生物质颗粒下降经过下行式反应器设计，不需要分离在气化反应期间产生的无机化合物或者焦油，该无机化合物或者焦油可能在下游沉积并且弄脏关键的系统部件。因此，腔壁和管表面的辐射传热随表面温度的四次方而增加。在高于1000℃的温度下，这些高的传热速率可以允许生物质颗粒在非常短的停留时间(0.01s-5s)内达到焦油破坏和完全气化所必需的高温。
例如，因为拉动颗粒经过反应器管的反应区域的压力和重力，生物质颗粒可以下降经过下行式反应器以基本清除反应区域中管壁上的不期望的固体或者液态物质的聚集，该物质可能导致减少的传热并且甚至堵塞管。此外，低的表面积与容积比例可为材料粘在其上提供较小的表面积。
在50微米(um)和2000um之间的平均最小尺寸大小，一般范围在200um和1000um之间，可被用于生物质颗粒。此外，因为与反应器管表面积相比，分散颗粒的表面积如此大，所以辐射热可以是传热的主要方式。因此，在一些实施方式中，这些小的颗粒的使用提供了增加的表面积，以极大地增加小的生物质颗粒的气化反应速度，有利于短的停留时间。
在一些实施方式中，太阳能驱动的化学装置可以包括多个反应器管202、204、206、208中的两个或者更多个的进给线。每一个进给线可以供给反应器管以控制生物质颗粒进入其相应的反应器管的分散模式。可以基于运载生物质颗粒至其相应反应器管的进给线管的出口形状和宽度进行该操作，以当注入反应器管时最大化颗粒的辐射吸收。
各种实施方式包括在间接辐射驱动几何形状的腔、吸收腔、和太阳热接收器周围的绝热层。此外，多个反应器管202、204、206、208可被置于腔的中间。
可以设定绝热的厚度以控制传导性热损失。腔温度和一个或者多个孔处的太阳能的平均浓度可以控制辐射性损失。在一些实施方式中，设定孔设计、取向、和腔工作流体(浮力)以控制对流性损失。至少部分地包围多个反应器管202、204、206、208的腔作用类似于炉。例如，腔可以通过辐射在周围传播热通量，并且在反应器管202、204、206、208上(方位上和轴向上)比入射的太阳能辐射产生均匀得多的流量分布。此外，对从吸收腔壁和多个管发出的热通量，在腔内发生平均影响。
反应器管202、204、206、208的轴可以包括聚焦移动的阳光的定日镜太阳区域，以移动会聚太阳能阳光光束自西至东集中(weighting)跨过孔。该太阳能阳光光束在每一天的过程中可以射在反应器管202、204、206、208本身的轴上。此外，在其设计的容积负荷下，腔的炉效应连同颗粒可以趋于使其本身之间的能量平均。这些容积负荷可以结合以给出相当均匀的温度分布以及生物质颗粒的随后相当均匀的径向反应分布。
此外，间接辐射驱动的腔反应器可具有不被窗玻璃覆盖的孔。在这种系统中，不需要窗玻璃(因此不需要冷却或者保持这样的窗玻璃清洁)，并且将反应环境与腔环境密封起来。然而因为不直接照射反应的固体，有一些效率损失，在高温下，辐射传热使得需要的温度差异非常低(因为其随温度增长至四次方)。不需要窗玻璃和迅速夹带流动力学的效率增长远远地超过间接的辐射损失。来自定日镜阵列的太阳能可以被引向管上以及需要能量的反应器腔内。注意，具有吸收壁和多个管的腔具有如本文所述的优势。
窗玻璃，例如，是固体透明的材料，其允许选定波长的辐射通过但是不通过固体、液体或者气体，并且密封住接收器腔，而不仅作为不涉及透射太阳能至反应器管和腔的观察窗。太阳能驱动的化学装置的各种实施方式可以包括第一窗玻璃，其对可见光辐射是至少部分地透明的但是反射IR辐射，并且没有孔。这可以允许来自热的腔的再辐射被捕获并且再引向反应器管202、204、206、208，提供总效率。此外，窗玻璃可以由下列材料的一种或者多种构造成：石英、蓝宝石、蓝宝石的平铺片、或者另一适当的材料，并且用任意数量的抗反射性和反射性涂层涂布以达到期望的一组反射和透射性质。例如，蓝宝石可被用作窗玻璃材料，其使能够实现石墨材料用于多个管，其中蓝宝石窗玻璃可以允许接收器被封闭并且接收器腔中的容积充满惰性气体(例如N2或者Ar)，从石墨管排除O2。
在本文描述的系统和方法的一些实例中，太阳能驱动的化学装置可以包括每一个反应器管202、204、206、208的气化反应区域的长度和直径尺寸，连同与来自定日镜区域的阳光浓度的量可以相匹配的管的布置和量。这在气化温度下可以给出0.01秒至5秒的停留时间。例如，多个管的第一个可具有与多个管的第二个不同的直径。暴露于较高的辐射通量(直接或者间接)的管直径可以较小，并且暴露于较低的辐射通量(直接或者间接)的管直径可以较大，从而对可变的辐射通量提供相同的颗粒加热速度。此外，每一个管的形状可能是圆柱形的管、矩形的管或者一些其他形状的管。此外，在腔中存在多个管中的这种反应区域——其中可以使管/反应区域的内部气氛与来自环境的氧密封并且不受该氧的影响。
一些实施方式可以包括反应器管的基本轴向长度。在该长度，可以使生物质颗粒沿着预定的路径经过反应器管的反应区域。该路径可以与反应器管轴基本一致。此外，可以完全限制生物质颗粒反应物在反应器管内。在一些实例中，腔的布置可以引起来自壁和管的高强度辐射能或者通过吸收、传导和再辐射(不透明的管)或者通过透射(透明的管)被引向经过反应器管202、204、206、208，以与每一个反应器管的反应区域在同一位置(coincide)。
在反应器管的反应区域中可以吸收足够的辐射能以使反应物的温度升高至需要的水平，引发并且维持期望的有机化合物的化学反应。可以使用湍流和/或可能的浮力驱动的再循环，在不同的操作方案中二者都可以在反应器管202、204、206、208中发生。此外，湍流具有沿着反应器管的轴的平均路径。
太阳能驱动的化学装置也可以包括太阳热接收器的室，其包含反应器管202、204、206、208的另外的结构，其具有高温存储材料，吸收会聚的太阳能并且用于一种或者多种辐射热物质，以在没有阳光的长时间期间、在装置中周期性运转和停转时间(up and down time)保持反应器管202、204、206、208是热的，以及在正常操作期间保持反应器200中的辐射温度更加稳定/更少瞬变。
在各种实施方式中，太阳能驱动的化学装置可以包括具有一个或者多个窗玻璃的接收器的外壳。在这种实施方式中，定日镜阵列可以聚焦会聚的太阳能经过窗玻璃。此外，至少窗玻璃之一可以包括具有空气/气体帘设计的落地窗(French window)设计，该帘设计具有正压鼓风或者负压真空。窗玻璃可以由蓝宝石材料制成。
太阳能驱动的化学装置可以包括金属或者陶瓷制成的罩，其悬垂于接收器腔的孔之上以使接收器中的气流的破坏最小化。接收器是在反应器管202、204、206、208周围的壳，如此接收器吸收或者高度反射太阳能通量以引起辐射热，并且然后通常辐射地传送该热至反应器200的管中的颗粒。此外，可以覆盖接收器腔中的孔在由透明的高温塑料或者高抗热钢铁材料制成的非常细的网中以防止不需要的物体从环境进入腔。
可以供给生物质颗粒至多管下行式太阳热接收器/反应器，在其中在蒸汽的存在下，在出口温度超过1000℃的温度范围内使生物质气化。可选的设计可以包括上行式反应器或者流化床反应器。对太阳热处理领域(以及生物质气化领域)，接收器使用间接辐射、具有多个管状下行式颗粒反应器的吸收腔接收器是新的。
辐射传热明显地与对流传热和传导传热不同。在辐射传热中，材料的反射率和发射率二者都通常依赖于波长。温度决定电磁辐射的波长分布，如由黑体辐射的普朗克定律限制强度。因此，辐射是否来自阳光还是单独的辐射热源是重要的设计考虑因素，因为管壁的反射率和发射率控制其辐射热(辐射传热)至反应的颗粒或者供给以传递能量至反应气体的惰性颗粒的能力。
一些实施方式可以以足够的量辐射地传热以维持反应物气体的期望化学反应，其中电磁辐射来自阳光/太阳能辐射。此外，接收器反应器可以具有在可见光和IR范围(0.3-10微米波长)二者中均高的发射率。
绝热腔方法基本上是黑体腔。通过改变绝热厚度可以控制传导损失，以及通过孔设计、定位和腔工作流体(浮力)可以控制对流损失。黑体腔的关键优势是辐射损失的控制，该辐射损失完全由腔温度和孔处的平均浓度决定。腔作用类似于炉，经过辐射在周围传播热通量，并且在反应器管202、204、206、208上(方位上和轴向上)比入射的太阳能辐射产生均匀得多的通量分布。这是太阳能区域的主要优势，在该区域在每一天的过程中移动的阳光自西至东移动光束集中跨过孔。
在一个实施方式中，存在于太阳热接收器的腔中的反应器管的数量在120-150个反应器管的优选范围内，范围包括少至30个反应器管以及多至多重100个。每一个反应器管与其他反应器管具有相同尺寸的直径。多个反应器管相对于彼此的几何布置是可能多于一行的弧形图案。每一个单独的反应器管的形状都是圆柱形的。接收器中的孔相对于来自定日镜阵列或者太阳能集中盘的会聚太阳能的预期尺寸、形状和定位近似地是7米乘以7米正方形。反应器管中的气化反应区域的长度和直径尺寸是管的内径是6英寸并且伸展管的全部长度诸如9米长。
图3阐明具有接收器302和定日镜区域304的示例太阳能塔300的图。太阳能塔300可用于具有夹带流生物质供给系统的太阳能驱动生物精制装置中。供给系统通过例如生物质的颗粒大小控制而可以是灵活给料的。
多个太阳热接收器302可以在共同的塔300上。每一个接收器302包含化学反应器306。每一个接收器302中的化学反应器306从定日镜阵列304或者集中盘接收会聚的太阳热能。化学反应器306可以是例如多反应器管、下行式的、太阳能驱动的、化学反应器306，其从定日镜阵列306接收会聚的太阳热能。太阳能驱动的生物精制装置也可以包括生物质供给系统，该系统具有进给线至多管化学反应器306中的每一个反应器管。在包括三部分的操作中可以供给生物质至太阳能反应器306：生物质运输和制备以供给至太阳能塔反应器300，生物质运输至例如500+英尺塔的顶部，以及分配进入反应器的特定下行式管。可以通过多个阶段进行分配。
太阳能热气化器具有下行式几何形状。管垂直地定位在太阳能接收器腔中，并且例如内径为16″，以及例如壁厚度为1英寸，以在内部管壁上经受至少75psig的压力。
存在吸收的太阳能接收器腔，在其中气化反应器管垂直地运转。太阳能通过向大气开放的孔进入腔并且射在反应器管和腔壁上。壁和管主要通过辐射交换能量，允许管达到相当均匀的温度分布，即使太阳能仅从一个方向射在管上。
示例接收器腔的截面是圆柱形的，具有10m的内径。接收器腔的内壁由耐火氧化铝片构造成。该片层的外面可以是氧化铝(或者类似的材料)纤维绝热层，其可具有例如24cm的厚度。接收器可以由具有厚度例如0.090″壁厚度的第一结构性碳钢壳容纳，其中具有厚度为例如2″的空气缝隙，其在该第一碳钢壳之外。与前者具有相同厚度的第二碳钢壳可用于形成空气缝隙的边界。该第二碳钢壳可以进一步抑制腔的传导损失。绝热层、空气缝隙和钢壳的厚度已被设计以限制腔的传导损失至低于从定日镜阵列入射在太阳热接收器的孔或者窗玻璃上的会聚太阳能的2％。类似地构造腔的顶面和底面。
在另一实例中，接收器302保证遍及所有管的能量均匀分布。管可以全部具有相同的直径，并且用相同的生物质供料速度供料，从而都产生相同的生产率。类似地，遍及接收器302能量分布可以不均匀，然而全部以相同的供料速度给管供料，并且产生相同的生产率。实现这样的方式可以是使管的直径不同，尺寸做成根据可变的通量提供相同的加热速度。也可以通过控制经过相同管的各供料速度的相应变化，应对接收器302中太阳能通量的变化。因此，存在类似于上面给出例子的许多方法，用于改变管的数量、尺寸直径和长度以及每个管的生物质供给速度以应对不同的通量环境。
间接的简单管状反应器设计具有简单的设计，其不仅不难设计，还不太可能在操作期间出现差错。相对于限于一种或者少数可用给料的方法，给料灵活性明显地产生了经济优势。通过用太阳能(其再辐射至颗粒)加热反应器管，消除了产生用于反应的热和设计反应器以传导反应的问题(本质上是吸热/放热平衡问题)。可以将太阳能引向需要它的地方。
下降颗粒的反应器是使得热能进入反应的固体颗粒(或者气体)的有效方式。通过颗粒壁接触传导、从管壁加热的周围气体对流、或者从管壁或者其他周围颗粒辐射，可以发生从反应器管至反应的和/或不反应的颗粒的传热。即使加热的不反应的颗粒可用于本文件中讨论的许多目的。在中等的温度下，当传递能量至流体时，对流和传导占优势，但是这些需要大量的有效表面积。为避开该问题，需要辐射传热，其需要温度高于1000℃(并且优选地高于1200℃)。但是，如果辐射的表面积小，局部温度变高，并且效率低。通过极大地增加接收表面积(其本质上是颗粒的表面积)，转移限制到辐射管，分散的颗粒反应器解决了该问题。在我们的容积负荷下颗粒趋于在它们本身之间平均能量，产生均匀的径向反应分布。如果期望气体被加热(例如，对甲烷的蒸汽重整或者甲烷裂化)，则惰性颗粒可被用作辐射接收器并且对流可用于从所述颗粒驱动能量至气体。因为颗粒的表面积如此大(如与管表面积相比)并且在高温下，所以颗粒与气体的对流传热不再是限制因素。
此外，小颗粒的使用增加用于反应的表面积。因为与气相成分(例如蒸汽、CO2)的反应是表面积特定性的，增加的表面积极大地增加反应速度。
注意，在一个实施方式中，以惰性颗粒的颗粒流形式的传热辅助装置可用于加热反应物气体。通过循环流化床系统的提升管，使惰性颗粒流经过化学反应器。流化气体源供应夹带惰性颗粒的反应物气体，以及生物质的颗粒向上流动经过反应器管。循环流化床的返回管然后经过太阳热接收器，具有一些出口产物。反应物气体与向下移动的惰性颗粒和生物质颗粒逆流地或者并流地流动。
在一个实施方式中，惰性颗粒流被机械地计量并且夹带在气流中以及向上或者向下供给通过反应器管。连接气体-固体分离器诸如旋风器至化学反应器。机械地将惰性颗粒与产品气流分离并且回收用于再利用。用于加热反应物气体的传热辅助装置也可以是其中反应物气体是流化气体的惰性颗粒非循环流化床。
另一传热辅助装置可以是用于加热反应物气体的规整填料的形式。规整填料是下列的一种或者多种：网状多孔陶瓷(RPC)泡沫、陶瓷整块或者在每一个反应器管中的陶瓷管。可以配置填料用于辐射，作为从反应器管壁至传热辅助装置的主要传热方式。传导、对流或者二者的一些结合是次要传热方式。
图4阐明累积粒度分布的图表。该图表阐明对于给定微米筛子尺寸的低于Y％的重量百分比。阐明示例材料包括刀剁碎的稻草和芒茎(miscanthus stems)。各种类型的生物质颗粒的尺寸越小，供给系统和反应器观察来自不同类型生物质的颗粒的方式的差异越小。
图5阐明具有气化器管502的太阳热接收器500的图。太阳热接收器500可以形成太阳能驱动化学装置的一部分。供给系统可以供给生物质颗粒进入多个反应管502，在其中在蒸汽的存在下、在反应器管的气化反应区域的出口超过950℃的温度下可以使生物质的颗粒气化。
太阳能驱动的化学反应器具有多个例如下行式构造的垂直地定向的反应器管、流化床、或者其他反应器构造。
如所讨论的，窗玻璃可以是固体透明的材料，其允许选择波长的辐射通过，但是不让固体、液体或者气体进入，以使会聚的太阳能进入太阳热接收器，射在接收器的多个反应器管和腔壁上。反应器管起双重功能1)隔离生物质气化反应环境与接收器的大气以及2)通过吸收和再辐射、对流以及传导传递太阳能。传递至反应的颗粒的能量可以驱动流经反应器管的生物质颗粒的吸热气化反应。此外，从内部腔壁穿过管的高的传热速率可以允许颗粒生物质达到足够高的温度，该足够高的温度是在0.01和5秒之间范围的非常短停留时间内充分的焦油破坏和生物质颗粒的高于90％的碳含量完全气化为反应产物所必需的，该反应产物包括氢和一氧化碳气体。
在一些实施方式中，由于有效的传热和传质，反应器使用高表面积的生物质颗粒以促进迅速的气化反应。由有效的传热引起气化反应，该有效的传热是接收器构造和温度以及颗粒分散模式的结果。
生物精制装置可以生产燃料、化学品或者二者。例如，一体化化学装置可以由该生物精制装置制造精细化学品，以及液态烃燃料。
在一些实施方式中，太阳能驱动的化学装置可以包括一个或者多个开放的孔或窗玻璃，其可以是接收器的外壳的一部分。接收器可以至少部分包围多个反应器管。此外，接收器的内壁可以吸收并且高度反射来自定日镜阵列的会聚太阳能，以辐射地传送该辐射热至太阳能驱动化学反应器的反应器管中的生物质颗粒。在一些实施方式中，热可以经过管壁通过传导传送。
在一些实施方式中，制成内壁或者至少涂布接收器腔的内壁的材料可以具有机械和化学性质以在高温(在1100℃-1500℃之间)下保持其强度。该材料也可具有非常高的发射率(ε＞0.8)或者高的反射率(ε＜0.2)以及高的热容(＞200J/kg-K)和(＜1W/m-K)低的热导率。反应器管的材料可以具有高的发射率(ε＞0.8)、高的热导率(＞1W/m-K)以及中至高的热容(＞150J/kg-K)。此外，其可以抵抗腔中的氧化空气环境以及生物质气化反应的还原环境，以允许分散下降的生物质颗粒的迅速气化，获得稳定的灰形成。
一些实施方式可以允许减少焦油至低于50毫克每标准立方米，以及氢和一氧化碳产物的生产。此外，接收器腔的内壁可以由吸收性太阳能材料而不是高度反射材料制成或者涂布。
对于腔壁，一些实施方式可以使用具有非常高的发射率或者高的反射率、低热导率和高热容的材料。对于反应器管，一些实施方式可以使用高的发射率、高的热导率和中至高热容的材料。一般地，反应器管可能需要能够仅在一侧操纵氧化环境并且在另一侧操纵蒸汽加还原环境。此外，通常仅反应器管需要经受压力。接收器壁可能仅是抗氧化的并且足够坚固以便于在其本身重量下在温度下不散架。
图6a和6b阐明夹带流生物质供给系统600的实施方式的方框图。可以与生物质进入反应器结合使用不同类型的供给系统，例如，下降管、全部固体供给进入反应器、淤浆供给进入反应器、反应器中移动床、或者这些方案的结合。
一个示例太阳能驱动化学装置可以包括夹带流生物质供给系统600，其在将生物质包捆带至研磨系统的传送器前面。研磨系统具有将生物质拆包的包切割机/拆包机。机械切割装置然后研磨生物质成为待供给进入太阳能驱动化学反应器的颗粒。研磨系统利用标准带式传送器供给颗粒至闭锁料斗系统604，该颗粒具有200微米(um)和2000um之间的平均最小尺寸大小，一般范围在500um和1000um之间。然后供给生物质颗粒经过压力边界，进入加压的夹带气体，以供给进入太阳能驱动的化学反应器。
如图6a和6b中所示，夹带流生物质供给系统600可以包括加压的闭锁料斗604，其供给生物质至旋转计量供给螺杆602并且然后进入闭锁料斗出口606处的夹带气体管。通过分流器分配生物质的颗粒进入多个夹带气体线，以供给构成太阳能驱动化学反应器的两个或者更多个反应器管。夹带流生物质供给系统的夹带气体可以是加压的干燥蒸汽，其由从下述回收的废热产生：1)烃燃料合成过程中的甲醇/甲醇-至-汽油(MTG)单元，或者2)太阳能驱动化学反应器中气化反应的产物。
此外，夹带流生物质供给系统具有一个或者多个进给线以供给生物质颗粒进入多个反应器管，其中夹带流生物质供给系统的单独的夹带线和计量装置被用于化学反应器中每一个气化反应器管。这可以允许平衡1)流经进给线至每一个反应器管的生物质颗粒的量，与2)对多管太阳能驱动化学反应器中的该反应器管可用的太阳能的量。通过闭锁料斗604底部处的供给螺杆602的旋转速度可以控制生物质颗粒的供给速度，该供给速度基于诸如测力传感器的仪器监测的闭锁料斗中生物质重量变化，响应从计算机化控制系统收到的供给需求信号。
因此，螺杆或者螺旋加料器602的旋转速度的控制可以沿着螺旋加料器602的旋转轴移动固定量的生物质。螺旋加料器602可被置于闭锁料斗604的底部，并且可被置于闭锁料斗的底部，以及通过计算机化控制系统可以控制其旋转速度以响应系统的供给需求。控制系统硬件可以是一个或者多个可编程逻辑控制器，其通过不同的数据通信协议，使用个人电脑、Macintosh、CNC、神经网络、模拟装置，以及所附的软件应用和按脚本的算法以进行各种功能，或者这些系统的各种结合。在一个实施方式中，计算机化控制系统基于由包括温度传感器和/或照度计的传感器显示的可用太阳能的量，控制太阳能驱动化学反应器中生物质颗粒的供给速度。
此外，一些系统可以包括这样的计算机化控制系统，其配置来通过例如2相控制系统，使在每一个反应器管中流动的生物质颗粒的量与可用的太阳能的量平衡。通过控制供给生物质的闭锁料斗的螺杆/螺旋加料器的旋转速度，这种系统可用于控制各个反应器管中的流动。此外，可以施加夹紧阀构造的一定量的压缩至管道，诸如软管、管子、导管或者能够运输每一个单独进给线的材料部分的其他导管，生物质颗粒流动经过该进给线以提供例如流量的一些控制。
在一些实施方式中，太阳能驱动的生物精制装置可以包括夹带流生物质供给系统。夹带流生物质供给系统可以在机械切割装置前面，以研磨生物质并且将生物质粉碎至控制为50微米(um)和2000um之间的平均最小尺寸大小的颗粒大小，一般范围在200um和1000um之间。此外，夹带流生物质供给系统可以供应各种生物质源，作为颗粒供给进入太阳能驱动的化学反应器，而不改变反应器的结构。(在一些实例中，非食物原料生物质可被使用。)此外，种类可以包括单独地或者以结合的混合物可被供给的三种或者更多类型的生物质，选自稻草、稻壳、玉米秸秆、柳枝稷、非食物麦秸、芒草、果树废弃物、高粱、林业疏化物(forestry thinning)、林业废弃物、能量作物(energy crop)、来源分离的绿色废弃物和其它类似的生物质源。生物质可以处于未加工的状态或者部分地烘烤的状态，只要控制包括生物质的颗粒大小和反应器管的操作温度范围的几个参数。闭锁料斗或者供给容器中的机械搅拌器可用于增强生物质颗粒的整体流动，否则由于范德华力颗粒可能往往在容器中架桥。
配置反应器管以从下列的一种或者多种产生合成气：(i)生物质颗粒和蒸汽(ii)生物质颗粒、甲烷和蒸汽(iii)甲烷和蒸汽(SMR)。相同接收器中的不同反应器管可配置来操作上面列举的不同的化学反应物。同样地，在一些示例系统中，至少两种或更多不同类型的生物质材料可被用在相同的反应器管几何形状中。当使用新类型的生物质原料时，这可以消除对于完全再设计的任何需要。可以理解，多种原料可同时使用或者每次可以使用一种原料。
图7阐明太阳能驱动的化学精制装置800的图。在这种系统中，太阳能802经过窗玻璃或者开放的孔804加热反应室806。焠灭剂808可用于防止不期望的反应。如所示，生物质颗粒在810流入系统并且合成气流出。此外，在生物质颗粒和合成气之间可以发生热交换。
太阳能驱动的化学装置的一些实施方式可以包括接收器的外壳上的绝热层，以减少在操作期间以及停工期间整晚的热损失。绝热层可以足够厚以保持在操作期间传导损失小于10％。可以使用的绝热层的实例包括来自陶瓷砖、陶瓷垫(ceramic blanket)以及二者的结合的一种或更多。
在各种实施方式中，小的锅炉或者电阻加热器可被连接至接收器的接收器壳的外壁以帮助化学反应器温度控制。在操作期间以及在停工和启动操作期间，锅炉或者加热器可以帮助温度控制。
在一些实例中，焠灭区域可被紧接地包括在化学反应器的出口的下游，以立即并且迅速地冷却至少氢和一氧化碳反应产物。例如，该冷却可以发生在离开反应器的2-10秒之内。冷却可以至以可忽略速度发生不期望化学反应的水平以下的温度。
返回管也可以存在于化学反应器的出口处。返回管经过多个反应器管的接收器外面，以使来自化学反应器出口的气化反应的全部或者部分产物循环。
定日镜802的阵列可用于将光聚焦在窗玻璃804上，至反应器806。在反应器806中，生物质颗粒可以反应掉，成为合成气，其又可在液态燃料合成器808中合成为液态燃料。
可以配置太阳能驱动化学装置的一些实施方式，以便于在化学反应器的反应器管中的气化反应区域的出口处，来自多个管的生物质气化产物可被合并入几个大的管中。此外，然后水或者甲醇被注入该大的管中以迅速地冷却产物气体，并且在水注入的情况下，提供用于水煤气变换反应的蒸汽，这对于在燃料合成过程中现场的燃料合成反应器使用的合成气达到2.0和2.7之间的适当H2与CO比例是必需的。
在一些实施方式中，来自定日镜区域的高太阳能通量会聚在孔处可以提供或者产生等于或者高于3MW每平方米的太阳能。这可以给予接收器腔至少2000kW以及通常大约60,000kW的容量。腔的多管构造可以增加辐射传递至生物质颗粒的表面积。此外，反应器管的形状可以基本是矩形的，这对于相同体积也产生比圆柱形状的管更高的表面积。
当通过间接加热进行气化时，腔和管壁必须能够有效地传递太阳能至反应的颗粒。大于2秒的停留时间对于在500℃和1000℃之间的温度下气化的生物质是十分足够的。接收器设计中的主要限制因素是从间接加热的腔壁和反应颗粒的传热。
太阳能驱动的化学装置的一些实施方式可以包括惰性的吸热颗粒。这种颗粒的一些实例可以包括硅石、Carbo HSP或者其他支撑剂(proppant)。这些可与生物质颗粒一起夹带，并且驱动生物质颗粒的化学气化反应的热能来自下列三个来源1)吸热颗粒，2)反应器管和3)腔的内壁，并且所有热能来自会聚的太阳能。此外，可以使用灰和颗粒存储机械装置。在这种机械装置中，惰性的吸热颗粒和生物质的灰残余在高于1000℃下离开太阳能反应器。
一些实施方式也可以包括气体固体分离器。可以配置该分离器以分离惰性的吸热颗粒和灰残余与气体产物，然后可被转移到灰和颗粒存储系统中。颗粒存储系统可以存储这些颗粒和灰残余以回收其热，以加热工作流体，该工作流体驱动在操作以热为基础的过程中使用的发电设备或者其他设备。这种热回收的实例包括预热水、预热气流和其他热力学工作。
图8阐明系统的一个实施方式的流程图。在步骤900中，可以进行生物质研磨。通常用于研磨生物质的装置包括冲击研磨机(例如锤磨机)、磨碎机和运动分解磨(例如甩刀磨)。锤磨机系统可用于研磨拆散的生物质成为颗粒，该颗粒被供给进入太阳能热气化器。研磨的生物质颗粒具有500um和1000um之间的平均最小尺寸，并用标准的带式或者真空传送器装载至闭锁料斗系统中。
在步骤902中进行生物质供料。在一些实施方式中，可以使用高压供料。在一些这种系统中由于使用较小压缩机的能力，生物质固体的高压供料与压力下气化可以减少投资成本。此外，因为用于加压载气的能量来自太阳，而不是来自电，可以减小操作成本。闭锁料斗系统可以在压力下供料给反应器过程。例如，供给系统可以在高压下的蒸汽中夹带生物质材料，成功地在旋风器系统中分离颗粒，并且适当地分配流体至反应器管。
在步骤904中发生气化。例如，在一些实施方式中，会聚的太阳热能驱动生物质颗粒的气化，以由气化反应至少产生氢和一氧化碳产物。
在步骤906中发生燃料合成。现场的燃料合成反应器可以从气化反应接收氢和一氧化碳产物并且在烃燃料合成过程中使用氢和一氧化碳产物以产生液态烃燃料。
在一些情况下可以使用计算机软件实现本发明的方法和设备。如果以符合公认标准的编程语言书写，可以编辑设计来实施方法的指令顺序，用于在多种硬件平台上执行，并且用于与多种操作系统对接。可以理解，多种编程语言可用于实施本文描述的本发明教导。而且，当执行动作或者产生结果时，以一种形式或者另一形式(例如，程序、步骤、应用程序、驱动程序等等)提及软件在本领域是常见的。这些表达仅仅是通过计算机执行软件引起计算机的处理器完成动作或产生结果的说法的简略表达方式。
应理解机器可读介质包括以机器(例如，计算机)可读形式存储或者传送信息的任何机械装置。例如，机器可读介质包括只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；磁盘存储器；光学存储器；闪存器等。
尽管已示出本发明的一些具体实施方式，但本发明不限于这些实施方式。本发明可被理解为不被本文描述的具体实施方式限制，而仅由所附权利要求的范围限制。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.化学装置，其包括：
热接收器，其具有腔壁；
辐射热驱动的化学反应器，其具有位于所述热接收器内的下行式构造的多个反应器管，其中在所述多个反应器管中，在载气的存在下在吸热气化反应中使生物质的颗粒气化，以在超过1000℃的管出口温度下产生氢和一氧化碳产物；和
其中所述反应器管起双重功能1)隔离生物质气化反应环境与所述热接收器的大气，和2)通过吸收和再辐射、对流以及传导传递能量至反应的颗粒，以驱动流经所述反应器管的生物质颗粒的吸热气化反应，并且其中制成所述腔壁和所述反应器管的材料的高传热速率允许颗粒生物质达到足够高的温度，所述足够高的温度是在0.01和5秒之间范围的非常短停留时间内充分的焦油破坏至低于200mg/m3以及优选地低于50mg/m3和所述颗粒的高于90％的碳含量气化为反应产物所必需的，所述反应产物包括氢和一氧化碳气体。
2.权利要求1所述的化学装置，还包括：
其中所述热接收器是太阳热接收器，其被对准以从一个或者多个太阳能会聚区域吸收会聚的太阳能，所述会聚区域包括1)定日镜阵列，2)太阳能集中盘，以及3)二者的任何结合，其中所述太阳热接收器具有腔壁；
其中所述辐射热驱动的化学反应器由所述会聚的太阳能驱动，并因此是具有多个反应器管的太阳能驱动的化学反应器；
孔，其1)面向所述太阳热接收器内的大气开放或者2)被透明的窗玻璃覆盖，以使所述会聚的太阳能通过进入所述太阳热接收器，射在所述接收器的所述多个反应器管和腔壁上；和
所述多个反应器管的顶部，其中在所述太阳能接收器腔中垂直地定向所述管，并且所述生物质颗粒在所述反应器管的所述顶部引入，其被包括蒸汽的所述载气夹带，并且通过重力和压力被引导经过所述反应器管的气化反应区域，其中以1000℃和1600℃之间的接收器腔壁温度清楚地描绘操作温度，并且所述反应器管的所述气化反应区域的出口的气体温度超过1000℃但是不高于1600℃。
3.权利要求1所述的化学装置，还包括：
现场的燃料合成反应器，其在地理上位于与所述化学反应器相同的地点，并且结合在一起以从所述气化反应接收氢和一氧化碳产物，其中该现场的化学合成反应器具有输入端以接收所述氢和一氧化碳产物，并且在烃合成过程中利用它们产生液态烃或者其他烃，其中所述反应器管的内径的尺寸为允许从所述管的边缘至中心所述生物质颗粒基本均匀气化，并且具有设定为在1400℃下在内部管壁上经受至少75psig压力的壁厚度。
4.权利要求2所述的化学装置，其中一个或者多个孔是至少部分地包围所述多个反应器管的接收器外壳的一部分，其中所述接收器内壁吸收或者高度地反射来自定日镜阵列的所述会聚的太阳能，以引起辐射热，并且然后通常辐射地传送该热至所述太阳能驱动的化学反应器的所述管中的所述生物质颗粒，并且所述接收器腔的内壁由允许所述接收器腔在高——＞1200℃——的壁温下操作的材料制成，以能够产生所述高的传热速率、所述非常短停留时间的快速反应动力学、以及由所述气化反应产生的合成气的一氧化碳和氢的高度选择性，并且
所述反应器管由透明的或者半透明的材料——包括蓝宝石——构造成，允许辐射直接经过所述反应器管并且射在所述管中的任何反应颗粒上。
5.权利要求2所述的化学装置，还包括：
每一个所述反应器管的不透明外壁；
所述接收器的内壁，其中所述内壁和所述反应器管主要通过辐射交换能量，而不是通过对流或者传导，允许所述反应器管达到相当均匀的温度分布，即使来自所述定日镜阵列的所述会聚的太阳能仅从一个方向直接射在所述反应器管上，并且其中来自所述内壁和所述反应器管的辐射传热是驱动所述气化反应的能量的主要来源，在该气化反应中小的生物质颗粒用作来自所述内壁和所述管的辐射热能的微小吸收表面；并且
其中每一个反应器管的形状是圆柱形的管，至少30个反应器管存在于所述太阳热接收器的腔中，所述多个反应器管相对于彼此的几何布置是弧形图案。
6.权利要求2所述的化学装置，还包括：
制成所述接收器腔的壁的材料具有机械和化学性质以在1000-1600℃之间的高温下经受其强度，对于所述接收器腔，具有非常高的发射率(ε＞0.8)或者高的反射率(ε＜0.2)以及高的热容(＞200J/kg-K)和低的热导率(＜1W/m-K)，并且
制成所述反应器管的材料具有高的发射率——包括0.7发射率系数或者更好、高的热导率——包括30瓦特每米开尔文或者更好、8焦耳每摩尔-开氏度或者更好的至少中等的热容，并且抵抗所述接收器的腔中的氧化空气环境以及所述管的内部上的还原环境，以允许在所述管内分散下降的生物质颗粒迅速气化，获得稳定的灰形成，减少焦油至低于50毫克每标准立方米毫米，以及在1000-1600℃之间的在所述管中的操作温度下产生氢和一氧化碳产物。
7.权利要求6所述的化学装置，其中所述接收器腔的所述内壁由耐火的氧化铝片构造成，该耐火的氧化铝片层的外面是氧化铝纤维绝热层，该绝热层被第一结构性碳钢壳容纳，其中在该第一碳钢壳之外具有空气缝隙，接着是第二碳钢壳，并且其中所述绝热层、空气缝隙和钢壳的厚度已被设计，以限制腔的传导损失至低于从所述定日镜阵列入射到所述太阳热接收器的所述孔上的会聚太阳能的5％。
8.权利要求1所述的化学装置，还包括：
多个管的第一和第二反应器管，其在材料上由耐火陶瓷或者金属制成，其中选择的材料必须具有在1100-1600℃之间的高温下良好的化学稳定性以及高的强度、对所述生物质的颗粒大小和蒸汽浓度高的抗腐蚀性和抗磨损性级别、如果所述接收器腔充满包括空气的非惰性气体在高温下的高抗氧化性、凭借辐射发射率(ε＞0.8)高的再辐射性质以及高的热导率(＞1W/m-K)，并且
其中为管构造选择的材料单独地或者结合地选自包括下述的材料：碳化硅、碳化硅涂层的石墨、钨、钼、富铝红柱石、氧化锆、具有硫化铝的钼、烧结的亚微碳化硅粉末、透明的蓝宝石、高铝含量镍基合金和包括氧化铝(Al2O3)的耐火陶瓷。
9.权利要求8所述的化学装置，还包括：
其中所述反应器管由涂层的石墨制成；并且
其中所述窗玻璃由蓝宝石制成并且使所述接收器的所述腔是封闭的，以及惰性气体供给以引起所述接收器腔内的容积充满惰性气体，排除氧气使之不影响由所述涂层的石墨制成的所述反应器管。
10.权利要求8所述的化学装置，其中通过在0.001″和0.020″厚之间的碳化硅涂层可以提供在高温下的高抗氧化性，通过化学气相沉积或者通过所述石墨和所述反应器管的直接硅化将该碳化硅涂层置于所述反应器管上，在1000℃和1600℃之间的壁温下操作反应器管，并且其中所述接收器中所述多个反应器管相对于彼此的几何学构造为圆柱形或矩形图案。
11.权利要求1所述的化学装置，其中每一个所述反应器管的气化反应区域的长度和直径大小的尺寸做成在气化温度下产生0.01秒至5秒的所述非常短停留时间，并且所述多个管的第一个比所述多个管的第二个具有更大的直径，以及每一个管的形状是圆柱形的管或者矩形的管。
12.权利要求2所述的化学装置，还包括：
夹带流生物质供给系统，其具有一个或者多个进给线以供给所述生物质颗粒进入所述多个反应器管，其中所述夹带流生物质供给系统的单独的夹带线和计量装置被用于所述化学反应器中每一个气化反应器管，这允许平衡1)流经所述进给线至每一个反应器管的生物质颗粒的量与2)对多管太阳能驱动的化学反应器中该反应器管可用的太阳能的量；和
计算机控制系统，其被配置来使在每一个所述反应器管中流动的生物质颗粒的量与可用的太阳能的量平衡。
13.权利要求2所述的化学装置，还包括：
夹带流生物质供给系统，其具有研磨器以研磨生物质并且将生物质粉碎至控制为50微米(um)和2000um之间的平均最小尺寸大小的颗粒大小，一般范围在200um和1000um之间；并且其中所述夹带流生物质供给系统供应各种生物质源，作为颗粒供给进入所述太阳能驱动的化学反应器，而不改变所述反应器的结构，其中种类包括单独地或者以结合的混合物可被供给的三种或者更多类型的生物质，其选自稻草、稻壳、玉米秸秆、柳枝稷、麦秸、芒草、果树废弃物、林业废弃物、能量作物、来源分离的绿色废弃物和其它类似的生物质来源，其处于未加工的状态或者部分地烘烤的状态，只要控制包括所述生物质的颗粒大小和所述反应器管的操作温度范围的几个参数，并且因此两种或更多不同类型的生物质材料可用于相同的反应器管几何形状和设计中；和
前馈和反馈控制系统，其配置来处理可用太阳能的预测变化以及可用太阳能的实际测量的随机变化，其中所述控制系统在生物质供给速度和引向所述接收器的孔的太阳能能量的量之间平衡所述气化反应以保持温度，在该温度下所述化学反应器在下述温度操作：1)足够高的温度，以便所述生物质的高于90％的碳含量转化为包括一氧化碳和氢的产物气体，并清除焦油产物，和2)足够低的反应器管壁温度以在结构上不削弱所述壁或者显著地降低接收器效率。
14.权利要求1所述的化学装置，还包括：
夹带流生物质供给系统，其具有一个或者多个进给线以供给所述生物质颗粒进入所述多个反应管，其中所述夹带流生物质供给系统的单独的夹带线和计量装置被用于所述化学反应器中的每一个气化反应器管，其中每一个所述进给线控制所述生物质颗粒进入其相应的反应器管的分散模式，以基于运载所述生物质颗粒至其相应的反应器管的所述进给线管的出口的形状和宽度，在注入所述反应器管时，最大化所述生物质颗粒的辐射吸收；
其中所述反应器管由这样的材料构造成，该材料经受高达1600℃的温度并且保持其结构强度，通过增加涂层可抵抗暴露于所述接收器腔的一侧的氧化环境，可抵抗在发生所述气化反应的另一侧的蒸汽和还原环境，以及可抵抗高达75psig的压力，和
返回管，其经过所述多个反应器管的所述接收器的外面，以使来自所述化学反应器的出口的气化反应的全部或者部分产物循环。
15.权利要求2所述的化学装置，还包括：
在所述接收器的外壳上的绝热层，其在操作期间以及停工期间的整晚保持热，其中所述绝热层足够厚以保持在操作期间传导损失至小于10％，并且包括来自陶瓷砖、陶瓷垫、或者其他耐火材料、或者这些的结合的一种或者多种；
小锅炉或者电阻加热器，其连接至所述接收器的外壳，以帮助所述化学反应器的温度控制；和
多个太阳热接收器，其中每一个接收器包含化学反应器并且所述多个太阳热接收器共用共同的塔。
16.权利要求3所述的化学装置，还包括：
所述化学反应器的反应器管中气化反应区域的出口，在该出口，来自多个管的生物质气化产物被合并入几个大的管中，并且然后水或者甲醇被注入所述大的管中以迅速冷却产物气体，并且在水注入的情况下，提供用于水煤气变换反应的蒸汽，这对于在所述燃料合成过程中被所述现场的燃料合成反应器使用的合成气达到2.0和2.7之间的适当H2与CO比例是必需的，和
其中所述多个反应器管的材料包括半透明的蓝宝石、SiC涂层的石墨、Si/SiC复合材料、富铝红柱石、和包括熔融渗透的SiC/SiC在内的陶瓷基体复合材料，其中所述多个反应器管具有一个或者多个增加的1)抗磨损涂层、2)抗热涂层＞1050℃、和3)抗腐蚀涂层，并且其中可以以包括溅射和沉积在内的许多方式将所述涂层增加至所述反应器管和接收器腔内表面上。
17.生物精制装置，其包括：
热接收器，其具有腔壁；
辐射热驱动的化学反应器，其具有位于所述热接收器内的多个反应器管，其中在所述多个反应器管中发生吸热化学反应，以在超过1000℃的管出口温度下产生氢和一氧化碳产物；其中配置所述反应器管以在所述管中由下列反应物的一种或者多种产生氢和一氧化碳产物：(i)生物质颗粒和蒸汽(ii)生物质颗粒、甲烷和蒸汽(iii)甲烷和蒸汽(SMR)，其中相同的接收器中的不同反应器管由操作不同化学反应物的材料构造成；和
其中制成所述腔壁和所述反应器管的所述材料之间的高传热速率允许所述反应物达到足够高的温度，该足够高的温度是下列所必需的：1)在生物质颗粒的情况下，在0.01和5秒之间范围的非常短停留时间内，充分的焦油破坏和所述颗粒的高于90％气化为包括氢和一氧化碳气体的反应产物，或者2)在气态反应物的情况下，在0.01和5秒之间范围的非常短停留时间内，所述化学反应的高于90％的平衡值在过程中发生。
18.权利要求17所述的生物精制装置，还包括：
规整填料形式的传热辅助装置，其用于加热反应物气体，其中所述规整填料是下列的一种或者多种：网状多孔陶瓷(RPC)泡沫、陶瓷整块、金属丝、或者每一个反应器管中的陶瓷管；并且其中所述填料被配置用于辐射，作为从所述反应器管壁至所述传热辅助装置的主要传热方式；并且其中传导、对流或者二者的一些结合是次要传热方式；和
现场的合成反应器，其在地理上位于与所述化学反应器相同的地点，并且结合在一起以从所述气化或者重整反应接收氢和一氧化碳产物，其中该现场的燃料合成反应器具有输入端以接收所述氢和一氧化碳产物并且在烃合成过程中使用它们以产生液态烃燃料或者化学品。
19.权利要求17所述的生物精制装置，还包括：
惰性颗粒的颗粒流形式的传热辅助装置，其用于加热所述反应物气体，其中使所述惰性颗粒的流经过所述化学反应器，所述化学反应器在上行式循环流化床的情况下作为提升管进行操作或者在下行式循环流化床的情况下作为下行管操作；
流化气体源，从所述流化气体源，反应物气体夹带所述惰性颗粒，或者惰性颗粒和生物质颗粒，向上或者向下经过所述反应器管；和
所述循环流化床的返回管，其经过所述太阳热接收器或者在所述太阳热接收器的外面通过，并且其中所述反应物气体与向下移动的惰性颗粒逆流地或者并流地流动。
20.权利要求17所述的生物精制装置，还包括：
其中所述接收器是太阳热接收器，其被对准以从一个或者多个太阳能会聚区域吸收会聚的太阳能，所述会聚区域包括1)定日镜阵列，2)太阳能集中盘，以及3)二者的任何结合，其中所述太阳热接收器具有腔壁；
其中所述辐射热驱动的化学反应器由所述会聚的太阳能驱动，并因此是具有多个反应器管的太阳能驱动的化学反应器；
孔，其1)面向所述太阳热接收器内的大气开放或者2)被透明的窗玻璃覆盖，以使所述会聚的太阳能通过进入所述太阳热接收器，射在所述接收器的所述多个反应器管和腔壁上；
惰性颗粒的颗粒流形式的传热辅助装置，其用于加热所述反应物气体，其中惰性颗粒的流动被机械地计量并且夹带在气流中，以及向上或者向下供给通过所述反应器管；
连接至所述化学反应器的分离器，其中机械地将惰性颗粒与产物气流分离并且回收用于再利用；并且
其中用于加热所述反应物气体的所述传热辅助装置还包括惰性颗粒的非循环流化床，并且具有所述生物质和惰性颗粒的所述反应物气体是流化气体，并且反应物床的流化部分包括所述反应器管的加热的长度。

Claims (20)

1.太阳能驱动的化学装置，其包括：
太阳热接收器，其被对准以从一个或者多个太阳能会聚区域吸收会聚的太阳能，所述会聚区域包括1)定日镜阵列，2)太阳能集中盘，以及3)二者的任何结合，其中所述太阳热接收器具有腔壁；
太阳能驱动的化学反应器，其具有位于所述太阳热接收器内的下行式构造的多个反应器管，其中在所述多个反应器管中，在载气的存在下在吸热气化反应中使生物质的颗粒气化，以在超过1000℃的管出口温度下产生氢和一氧化碳产物；和
孔，其1)面向地球的大气开放或者2)被透明的窗玻璃覆盖，以使所述会聚的太阳能通过进入所述太阳热接收器，射在所述接收器的所述多个反应器管和腔壁上，其中所述反应器管起双重功能1)隔离生物质气化反应环境与所述太阳热接收器的大气，和2)通过吸收和再辐射、对流以及传导传递太阳能至反应的颗粒，以驱动流经所述反应器管的生物质颗粒的吸热气化反应，并且其中制成所述腔壁和所述反应器管的材料的高传热速率允许颗粒生物质达到足够高的温度，所述足够高的温度是在0.01和5秒之间范围的非常短停留时间内充分的焦油破坏至低于200mg/m3以及优选地低于50mg/m3和所述颗粒的高于90％的碳含量气化为反应产物所必需的，所述反应产物包括氢和一氧化碳气体。
2.权利要求1所述的太阳能驱动的化学装置，还包括：
现场的燃料合成反应器，其在地理上位于与所述化学反应器相同的地点，并且结合在一起以从所述气化反应接收氢和一氧化碳产物，其中该现场的化学合成反应器具有输入端以接收所述氢和一氧化碳产物，并且在烃合成过程中利用它们产生液态烃或者其他烃，包括甲醇；和
所述多个反应器管的顶部，其中在所述太阳能接收器腔中垂直地定向所述管，并且所述生物质颗粒在所述反应器管的所述顶部引入，其被包括蒸汽的所述载气夹带，并且通过重力和压力被引导经过所述反应器管的气化反应区域，其中以1000℃和1600℃之间的接收器腔壁温度清楚地描绘操作温度，并且所述反应器管的所述气化反应区域的出口的气体温度超过1000℃但是不高于1600℃。
3.权利要求1所述的太阳能驱动的化学装置，其中所述反应器管的内径的尺寸为允许从所述管的边缘至中心所述生物质颗粒基本均匀气化，并且具有设定为在1400℃下在内部管壁上经受至少75psig压力的壁厚度。
4.权利要求1所述的太阳能驱动的化学装置，其中一个或者多个孔是至少部分地包围所述多个反应器管的接收器外壳的一部分，其中所述接收器内壁吸收或者高度地反射来自定日镜阵列的所述会聚的太阳能，以引起辐射热，并且然后通常辐射地传送该热至所述太阳能驱动的化学反应器的所述管中的所述生物质颗粒，并且所述接收器腔的内壁由允许所述接收器腔在高——＞1200℃——的壁温下操作的材料制成，以能够产生所述高的传热速率、所述非常短停留时间的快速反应动力学、以及由所述气化反应产生的合成气的一氧化碳和氢的高度选择性，并且
所述反应器管由透明的或者半透明的材料——包括蓝宝石——构造成，允许辐射直接经过所述反应器管并且射在所述管中的任何反应颗粒上。
5.权利要求1所述的太阳能驱动的化学装置，还包括：
每一个所述反应器管的不透明外壁；
所述接收器的内壁，其中所述内壁和所述反应器管主要通过辐射交换能量，而不是通过对流或者传导，允许所述反应器管达到相当均匀的温度分布，即使来自所述定日镜阵列的所述会聚的太阳能仅从一个方向直接射在所述反应器管上，并且其中来自所述内壁和所述反应器管的辐射传热是驱动所述气化反应的能量的主要来源，在该气化反应中小的生物质颗粒用作来自所述内壁和所述管的辐射热能的微小吸收表面；并且
其中每一个反应器管的形状是圆柱形的管，至少30个反应器管存在于所述太阳热接收器的腔中，所述多个反应器管相对于彼此的几何布置是弧形图案。
6.权利要求2所述的太阳能驱动的化学装置，还包括：
制成所述接收器腔的壁的材料具有机械和化学性质以在1000-1600℃之间的高温下经受其强度，对于所述接收器腔，具有非常高的发射率(ε＞0.8)或者高的反射率(ε＜0.2)以及高的热容(＞200J/kg-K)和低的热导率(＜1W/m-K)，并且
制成所述反应器管的材料具有高的发射率——包括0.7发射率系数或者更好、高的热导率——包括30瓦特每米开尔文或者更好、8焦耳每摩尔-开氏度或者更好的至少中等的热容，并且抵抗所述接收器的腔中的氧化空气环境以及所述管的内部上的还原环境，以允许在所述管内分散下降的生物质颗粒迅速气化，获得稳定的灰形成，减少焦油至低于50毫克每标准立方米毫米，以及在1000-1600℃之间的在所述管中的操作温度下产生氢和一氧化碳产物。
7.权利要求6所述的太阳能驱动的化学装置，其中所述接收器腔的所述内壁由耐火的氧化铝片构造成，该耐火的氧化铝片层的外面是氧化铝纤维绝热层，该绝热层被第一结构性碳钢壳容纳，其中在该第一碳钢壳之外具有空气缝隙，接着是第二碳钢壳，并且其中所述绝热层、空气缝隙和钢壳的厚度已被设计，以限制腔的传导损失至低于从所述定日镜阵列入射到所述太阳热接收器的所述孔上的会聚太阳能的5％。
8.权利要求1所述的太阳能驱动的化学装置，还包括：
多个管的第一和第二反应器管，其在材料上由耐火陶瓷或者金属制成，其中选择的材料必须具有在1100-1600℃之间的高温下良好的化学稳定性以及高的强度、对所述生物质的颗粒大小和蒸汽浓度高的抗腐蚀性和抗磨损性级别、对太阳能通量引起的脆性良好的抗性、由可用太阳能的迅速变化产生的良好的抗热冲击性、如果所述接收器腔充满包括空气的非惰性气体在高温下的高抗氧化性、擅长吸收太阳能、凭借辐射发射率(ε＞0.8)高的再辐射性质以及高的热导率(＞1W/m-K)，并且
其中为管构造选择的材料单独地或者结合地选自包括下述的材料：碳化硅、碳化硅涂层的石墨、钨、钼、富铝红柱石、氧化锆、具有硫化铝的钼、烧结的亚微碳化硅粉末、透明的蓝宝石、高铝含量镍基合金和包括氧化铝(Al2O3)的耐火陶瓷。
9.权利要求8所述的太阳能驱动的化学装置，还包括：
其中所述反应器管由涂层的石墨制成；并且
其中所述窗玻璃由蓝宝石制成并且使所述接收器的所述腔是封闭的，以及惰性气体供给以引起所述接收器腔内的容积充满惰性气体，排除氧气使之不影响由所述涂层的石墨制成的所述反应器管。
10.权利要求8所述的太阳能驱动的化学装置，其中通过在0.001″和0.020″厚之间的碳化硅涂层可以提供在高温下的高抗氧化性，通过化学气相沉积或者通过所述石墨和所述反应器管的直接硅化将该碳化硅涂层置于所述反应器管上，在1000℃和1600℃之间的壁温下操作反应器管，并且其中所述接收器中所述多个反应器管相对于彼此的几何学构造为圆柱形或矩形图案。
11.权利要求1所述的太阳能驱动的化学装置，其中每一个所述反应器管的气化反应区域的长度和直径大小的尺寸做成在气化温度下产生0.01秒至5秒的所述非常短停留时间，并且所述多个管的第一个比所述多个管的第二个具有更大的直径，以及每一个管的形状是圆柱形的管或者矩形的管。
12.权利要求1所述的太阳能驱动的化学装置，还包括：
夹带流生物质供给系统，其具有一个或者多个进给线以供给所述生物质颗粒进入所述多个反应器管，其中所述夹带流生物质供给系统的单独的夹带线和计量装置被用于所述化学反应器中每一个气化反应器管，这允许平衡1)流经所述进给线至每一个反应器管的生物质颗粒的量与2)对多管太阳能驱动的化学反应器中该反应器管可用的太阳能的量；和
计算机控制系统，其被配置来使在每一个所述反应器管中流动的生物质颗粒的量与可用的太阳能的量平衡。
13.权利要求1所述的太阳能驱动的化学装置，还包括：
夹带流生物质供给系统，其具有研磨器以研磨生物质并且将生物质粉碎至控制为50微米(um)和2000um之间的平均最小尺寸大小的颗粒大小，一般范围在200um和1000um之间；并且其中所述夹带流生物质供给系统供应各种生物质源，作为颗粒供给进入所述太阳能驱动的化学反应器，而不改变所述反应器的结构，其中种类包括单独地或者以结合的混合物可被供给的三种或者更多类型的生物质，其选自稻草、稻壳、玉米秸秆、柳枝稷、麦秸、芒草、果树废弃物、林业废弃物、能量作物、来源分离的绿色废弃物和其它类似的生物质来源，其处于未加工的状态或者部分地烘烤的状态，只要控制包括所述生物质的颗粒大小和所述反应器管的操作温度范围的几个参数，并且因此两种或更多不同类型的生物质材料可用于相同的反应器管几何形状和设计中；和
前馈和反馈控制系统，其配置来处理可用太阳能的预测变化以及可用太阳能的实际测量的随机变化，其中所述控制系统在生物质供给速度和引向所述接收器的孔的太阳能能量的量之间平衡所述气化反应以保持温度，在该温度下所述化学反应器在下述温度操作：1)足够高的温度，以便所述生物质的高于90％的碳含量转化为包括一氧化碳和氢的产物气体，并清除焦油产物，和2)足够低的反应器管壁温度以在结构上不削弱所述壁或者显著地降低接收器效率。
14.权利要求1所述的太阳能驱动的化学装置，还包括：
夹带流生物质供给系统，其具有一个或者多个进给线以供给所述生物质颗粒进入所述多个反应管，其中所述夹带流生物质供给系统的单独的夹带线和计量装置被用于所述化学反应器中的每一个气化反应器管，其中每一个所述进给线控制所述生物质颗粒进入其相应的反应器管的分散模式，以基于运载所述生物质颗粒至其相应的反应器管的所述进给线管的出口的形状和宽度，在注入所述反应器管时，最大化所述生物质颗粒的辐射吸收；
其中所述反应器管由这样的材料构造成，该材料经受高达1600℃的温度并且保持其结构强度，通过增加涂层可抵抗暴露于所述接收器腔的一侧的氧化环境，可抵抗在发生所述气化反应的另一侧的蒸汽和还原环境，以及可抵抗高达75psig的压力，和
返回管，其经过所述多个反应器管的所述接收器的外面，以使来自所述化学反应器的出口的气化反应的全部或者部分产物循环。
15.权利要求1所述的太阳能驱动的化学装置，还包括：
在所述接收器的外壳上的绝热层，其在操作期间以及停工期间的整晚保持热，其中所述绝热层足够厚以保持在操作期间传导损失至小于10％，并且包括来自陶瓷砖、陶瓷垫、或者其他耐火材料、或者这些的结合的一种或者多种；
小锅炉或者电阻加热器，其连接至所述接收器的外壳，以帮助所述化学反应器的温度控制；和
多个太阳热接收器，其中每一个接收器包含化学反应器并且所述多个太阳热接收器共用共同的塔。
16.权利要求1所述的太阳能驱动的化学装置，还包括：
所述化学反应器的反应器管中气化反应区域的出口，在该出口，来自多个管的生物质气化产物被合并入几个大的管中，并且然后水或者甲醇被注入所述大的管中以迅速冷却产物气体，并且在水注入的情况下，提供用于水煤气变换反应的蒸汽，这对于在所述燃料合成过程中被所述现场的燃料合成反应器使用的合成气达到2.0和2.7之间的适当H2与CO比例是必需的，和
其中所述多个反应器管的材料包括半透明的蓝宝石、SiC涂层的石墨、Si/SiC复合材料、富铝红柱石、和包括熔融渗透的SiC/SiC在内的陶瓷基体复合材料，其中所述多个反应器管具有一个或者多个增加的1)抗磨损涂层、2)抗热涂层＞1050℃、和3)抗腐蚀涂层，并且其中可以以包括溅射和沉积在内的许多方式将所述涂层增加至所述反应器管和接收器腔内表面上。
17.太阳能驱动的化学装置，其包括：
太阳热接收器，其被对准以从定日镜阵列、一组太阳能集中器或者二者的结合吸收会聚的太阳能，其中所述太阳热接收器具有腔壁；
太阳能驱动的化学反应器，其具有位于所述太阳热接收器内的多个反应器管，其中在所述多个反应器管中发生吸热化学反应，以在超过1000℃的管出口温度下产生氢和一氧化碳产物；其中配置所述反应器管以在所述管中由下列反应物的一种或者多种产生氢和一氧化碳产物：(i)生物质颗粒和蒸汽(ii)生物质颗粒、甲烷和蒸汽(iii)甲烷和蒸汽(SMR)，其中相同的接收器中的不同反应器管由操作不同化学反应物的材料构造成；和
孔，其1)被透明的窗玻璃覆盖或者2)面向大气开放，以使所述会聚的太阳能进入所述太阳热接收器，射在所述接收器的所述多个反应器管和腔壁上，其中制成所述腔壁和所述反应器管的所述材料之间的高传热速率允许所述反应物达到足够高的温度，该足够高的温度是下列所必需的：1)在生物质颗粒的情况下，在0.01和5秒之间范围的非常短停留时间内，充分的焦油破坏和所述颗粒的高于90％气化为包括氢和一氧化碳气体的反应产物，或者2)在气态反应物的情况下，在0.01和5秒之间范围的非常短停留时间内，所述化学反应的高于90％的平衡值在过程中发生。
18.权利要求17所述的太阳能驱动的生物精制装置，还包括：
规整填料形式的传热辅助装置，其用于加热反应物气体，其中所述规整填料是下列的一种或者多种：网状多孔陶瓷(RPC)泡沫、陶瓷整块、金属丝、或者每一个反应器管中的陶瓷管；并且其中所述填料被配置用于辐射，作为从所述反应器管壁至所述传热辅助装置的主要传热方式；并且其中传导、对流或者二者的一些结合是次要传热方式；和
现场的合成反应器，其在地理上位于与所述化学反应器相同的地点，并且结合在一起以从所述气化或者重整反应接收氢和一氧化碳产物，其中该现场的燃料合成反应器具有输入端以接收所述氢和一氧化碳产物并且在烃合成过程中使用它们以产生液态烃燃料或者化学品。
19.权利要求17所述的太阳能驱动的生物精制装置，还包括：
惰性颗粒的颗粒流形式的传热辅助装置，其用于加热所述反应物气体，其中使所述惰性颗粒的流经过所述化学反应器，所述化学反应器在上行式循环流化床的情况下作为提升管进行操作或者在下行式循环流化床的情况下作为下行管操作；
流化气体源，从所述流化气体源，反应物气体夹带所述惰性颗粒，或者惰性颗粒和生物质颗粒，向上或者向下经过所述反应器管；和
所述循环流化床的返回管，其经过所述太阳热接收器或者在所述太阳热接收器的外面通过，并且其中所述反应物气体与向下移动的惰性颗粒逆流地或者并流地流动。
20.权利要求17所述的太阳能驱动的生物精制装置，还包括：
惰性颗粒的颗粒流形式的传热辅助装置，其用于加热所述反应物气体，其中惰性颗粒的流动被机械地计量并且夹带在气流中，以及向上或者向下供给通过所述反应器管；
连接至所述化学反应器的分离器，其中机械地将惰性颗粒与产物气流分离并且回收用于再利用；并且
其中用于加热所述反应物气体的所述传热辅助装置还包括惰性颗粒的非循环流化床，并且具有所述生物质和惰性颗粒的所述反应物气体是流化气体，并且反应物床的流化部分包括所述反应器管的加热的长度。
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