CN102985195A - 用于超高热通量化学反应器的各种方法和装置 - Google Patents

用于超高热通量化学反应器的各种方法和装置 Download PDF

Info

Publication number
CN102985195A
CN102985195A CN2010800673270A CN201080067327A CN102985195A CN 102985195 A CN102985195 A CN 102985195A CN 2010800673270 A CN2010800673270 A CN 2010800673270A CN 201080067327 A CN201080067327 A CN 201080067327A CN 102985195 A CN102985195 A CN 102985195A
Authority
CN
China
Prior art keywords
reaction
heat
chemical reactor
chemical
reaction tube
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2010800673270A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102985195B (zh
Inventor
W·W·西蒙斯
C·伯金斯
Z·乔范奥维克
C·M·希尔顿
P·波普
B·J·施拉姆
J·T·图纳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sundrop Fuels Inc
Original Assignee
Sundrop Fuels Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US12/795,947 external-priority patent/US9150802B2/en
Application filed by Sundrop Fuels Inc filed Critical Sundrop Fuels Inc
Publication of CN102985195A publication Critical patent/CN102985195A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102985195B publication Critical patent/CN102985195B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C29/00—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring
    • C07C29/15—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of oxides of carbon exclusively
    • C07C29/151—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of oxides of carbon exclusively with hydrogen or hydrogen-containing gases
    • C07C29/152—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of oxides of carbon exclusively with hydrogen or hydrogen-containing gases characterised by the reactor used
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/22—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds
    • C01B3/24—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/48—Apparatus; Plants
    • C10J3/485—Entrained flow gasifiers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/48—Apparatus; Plants
    • C10J3/50—Fuel charging devices
    • C10J3/506—Fuel charging devices for entrained flow gasifiers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/72—Other features
    • C10J3/82—Gas withdrawal means
    • C10J3/84—Gas withdrawal means with means for removing dust or tar from the gas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0211—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a non-catalytic reforming step
    • C01B2203/0216—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a non-catalytic reforming step containing a non-catalytic steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0211—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a non-catalytic reforming step
    • C01B2203/0222—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a non-catalytic reforming step containing a non-catalytic carbon dioxide reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0266—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a decomposition step
    • C01B2203/0272—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a decomposition step containing a non-catalytic decomposition step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/0485—Composition of the impurity the impurity being a sulfur compound
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/0495—Composition of the impurity the impurity being water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/061—Methanol production
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/062—Hydrocarbon production, e.g. Fischer-Tropsch process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C01B2203/0816—Heating by flames
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C01B2203/0822—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel the fuel containing hydrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0872—Methods of cooling
    • C01B2203/0877—Methods of cooling by direct injection of fluid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0872—Methods of cooling
    • C01B2203/0888—Methods of cooling by evaporation of a fluid
    • C01B2203/0894—Generation of steam
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1241—Natural gas or methane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G2300/00—Aspects relating to hydrocarbon processing covered by groups C10G1/00 - C10G99/00
    • C10G2300/10—Feedstock materials
    • C10G2300/1011—Biomass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G2300/00—Aspects relating to hydrocarbon processing covered by groups C10G1/00 - C10G99/00
    • C10G2300/80—Additives
    • C10G2300/805—Water
    • C10G2300/807—Steam
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G2400/00—Products obtained by processes covered by groups C10G9/00 - C10G69/14
    • C10G2400/02—Gasoline
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2200/00—Details of gasification apparatus
    • C10J2200/15—Details of feeding means
    • C10J2200/152—Nozzles or lances for introducing gas, liquids or suspensions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0903—Feed preparation
    • C10J2300/0906—Physical processes, e.g. shredding, comminuting, chopping, sorting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0903—Feed preparation
    • C10J2300/0909—Drying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0913—Carbonaceous raw material
    • C10J2300/0916—Biomass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0953—Gasifying agents
    • C10J2300/0973—Water
    • C10J2300/0976—Water as steam
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0983—Additives
    • C10J2300/0989—Hydrocarbons as additives to gasifying agents to improve caloric properties
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/12—Heating the gasifier
    • C10J2300/1223—Heating the gasifier by burners
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/12—Heating the gasifier
    • C10J2300/1246—Heating the gasifier by external or indirect heating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/12—Heating the gasifier
    • C10J2300/1269—Heating the gasifier by radiating device, e.g. radiant tubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/12—Heating the gasifier
    • C10J2300/1284—Heating the gasifier by renewable energy, e.g. solar energy, photovoltaic cells, wind
    • C10J2300/1292—Heating the gasifier by renewable energy, e.g. solar energy, photovoltaic cells, wind mSolar energy
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/16—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant
    • C10J2300/1603—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant with gas treatment
    • C10J2300/1621—Compression of synthesis gas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/16—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant
    • C10J2300/164—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant with conversion of synthesis gas
    • C10J2300/1656—Conversion of synthesis gas to chemicals
    • C10J2300/1665—Conversion of synthesis gas to chemicals to alcohols, e.g. methanol or ethanol
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/16—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant
    • C10J2300/1687—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant with steam generation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/16—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant
    • C10J2300/1693—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant with storage facilities for intermediate, feed and/or product
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/18—Details of the gasification process, e.g. loops, autothermal operation
    • C10J2300/1861—Heat exchange between at least two process streams
    • C10J2300/1884—Heat exchange between at least two process streams with one stream being synthesis gas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/18—Details of the gasification process, e.g. loops, autothermal operation
    • C10J2300/1861—Heat exchange between at least two process streams
    • C10J2300/1892—Heat exchange between at least two process streams with one stream being water/steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0022—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for chemical reactors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/141—Feedstock
    • Y02P20/145—Feedstock the feedstock being materials of biological origin
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P30/00—Technologies relating to oil refining and petrochemical industry
    • Y02P30/20—Technologies relating to oil refining and petrochemical industry using bio-feedstock

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Industrial Gases (AREA)
  • Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

讨论了用于超高热通量化学反应器的各种工艺和装置。热容置器和反应管被对准以(1)吸收和重发射辐射能、(2)高度反射辐射能以及(3)上述各项的任意组合，从而维持包围的超高热通量化学反应器的工作温度。生物质颗粒在同时发生的蒸汽重整和蒸汽生物质气化反应中蒸汽载气和甲烷存在的情况下气化，以使用从内壁辐射然后进入多个反应管的超高热通量热能产生包括氢气和一氧化碳的反应产物。多个反应管和容置器的腔壁主要通过辐射吸收和再辐射而非通过对流或传导向化学反应中的反应物传递能量，以驱动反应管中流动的吸热化学反应。

Description

用于超高热通量化学反应器的各种方法和装置
相关申请
本申请要求(1)2010年6月8日提交的名称为“SYSTEMS ANDMETHODS FOR AN INDIRECT RADIATION DRIVEN GASIFIERREACTOR & RECEIVER CONFIGURATION”的专利申请No.12/795947和(2)2010年9月3日提交的名称为“HIGH HEAT FLUXCHEMICAL REACTOR”的美国临时专利申请No.61/380116的权益，其中申请(1)要求2009年10月2日提交的名称为“Various Methodsand Apparatuses for Sun Driven Processes”的美国临时专利申请No.61/248,282和2009年6月9日提交的名称为“VARIOUS METHODSAND APPARATUSES FOR SOLAR-THERMAL GASIFICATION OFBIOMASS TO PRODUCE SYNTHESIS GAS”的美国临时专利申请No.61/185,492的权益。
背景技术
超高热通量化学反应器能用于驱动包括生成合成气的工艺的大量工艺。
发明内容
超高热通量化学反应器能用于驱动包括生成合成气的工艺的大量工艺。在一个实施例中，超高热通量化学反应器的多个反应管位于容置器容器内部。由高度反射材料制成的腔散发辐射能。反应管配置为使(1)甲烷、(2)天然气、(3)蒸汽、(4)生物质颗粒、(5)以上四项的任意组合通过传热辅助，以使用来自辐射能的热能导致蒸汽甲烷反应和生物质颗粒的气化同时发生。
传热辅助用于加热反应物气体。传热辅助是位于各反应管内部的以下各项中的一个或多个：生物质颗粒的流化床或夹带流，化学惰性颗粒的流化床或夹带流，网状多孔陶瓷(RPC)泡沫，陶瓷整料，陶瓷管或气凝胶，包括由耐高温材料构成的拉西环、丝网或线的开放式规整填料环，以及上述的任意组合。辐射是从反应管壁到传热辅助和化学反应物的主要传热方式，而传导、对流或这两项的某种组合是从腔壁和反应管的次要传热方式。
设置各反应管的气化反应区的长度和直径尺寸的大小，以在至少900℃的气化温度下给出0.01秒至5秒的非常短的停留时间。反应产物具有来自气化区出口的等于或超过900℃的温度。此化学反应器设计中的多个反应管增加了到生物质颗粒的辐射交换以及管间辐射交换的可用反应器表面积。辐射热源可以为太阳能、燃气蓄热式燃烧器、核能、电热器及其任意组合中的一个或多个。
附图说明
多个附图参照本发明的示例实施例。
图1示出使用蓄热式天然气燃烧器作为热源来实施用于生物质气化的高通量化学反应器的实施例的流程示意图。
图2示出针对容置器-反应器设计的实施例的各种温度下辐射热通量与对流热通量之比的图表，示出了在高通量化学反应器的高工作温度下辐射是主要传热机制。
图3示出包围偏置和交错反应管的容置器腔的实施例的剖视图。
图4和图5示出将载气中的生物质颗粒供应给化学反应器的夹带流生物质供料系统的实施例。
图6示出具有彼此交互的多个控制系统的高热通量驱动生物炼制的实施例的图。
图7示出用于反应器及其相关工厂的示例集成工艺流的实施例的框图。
图8示出太阳能驱动生物炼制的实施例的图。
尽管本发明存在各种修改和备选形式，但已通过示例在附图中示出了其具体实施例，在此将进行详细描述。本发明应理解为不限于公开的特定形式，而是意图涵盖落入本发明的精神和范围内的所有修改、等同实施例和备选实施例。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多具体细节，例如具体化学品的示例、命名的组件、连接、热源类型等，以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言，很明显，可能无需这些具体细节而实现本发明。在其它例子中，没有详细描述公知组件或方法，而是用框图进行描述，以避免不必要地使本发明晦涩。因此，阐述的具体细节仅是示例性的。这些具体细节可以在本发明的精神和范围内变化且仍在本发明的精神和范围内。
描述了用于超高热通量化学反应器及其相关集成化工厂的大量示例工艺和与它们相关的装置。以下附图和文本描述了设计的各种示例实现。因此，描述了一些生成化学产物的示例高辐射热通量化学反应器，还讨论了一些示例化学反应。例如，辐射热源可以为(1)太阳能、(2)燃气蓄热式燃烧器、(3)核能、(4)电热器和(5)上述四项的任意组合中的一个或多个。例如，反应管中进行的吸热化学反应包括主要使用辐射热能在该化学反应器中进行的以下各项中的一个或多个：生物质气化、蒸汽甲烷重整、甲烷裂解、干重整反应、产生乙烯的蒸汽甲烷裂解、金属提炼、CO2或H2O分解、以及这些反应的各种组合。该设计包含生成化学产物(例如，合成气产物)的超高热通量化学反应器。本领域技术人员将理解，本示例性文献内下面讨论的许多设计的部分和方面可以用作独立的概念，或者可以彼此组合。
图1示出使用蓄热式天然气燃烧器作为热源来实施用于生物质气化的高通量化学反应器的实施例的流程示意图。
高热通量驱动化学反应器102具有下向通风几何形状，其中多个反应管在垂直方向上位于热容置器106的腔的内部。在多个反应管内发生辐射热驱动的化学反应。腔由散发辐射能的高反射材料制成，容置器106包围超高热通量化学反应器102的多个反应管。反应管配置为使包括(1)甲烷、(2)天然气、(3)蒸汽、(4)生物质颗粒、(5)以上四项的任意组合的多个化学反应物通过该管，以使用来自辐射能的热能引起蒸汽甲烷反应和生物质颗粒的气化。
超高热通量/高温夹带流化学反应器102主要由辐射传热而非对流或传导驱动。因此，辐射传热驱动高热通量。一般气体化学反应器使用对流或传导来传递能量，它们具有在20W/m^2和100W/m^2之间的有效传热系数，给出了10kW/m^2之下的有效传热通量(针对高达100℃的驱动温差)。使用高温(＞1000℃壁温)辐射，能实现高得多的通量(100-250kW/m^2)。对于有限传热反应，资本设备的大小与通量成线性地下降，并且资本成本极大降低。一般化学反应器(全部由对流和/或传导驱动)根本不能实现这些通量率或工艺设备的大小。
燃气蓄热式燃烧器110向化学反应器102供应热能。容置器106的内侧壁吸收或高度反射来自沿着容置器106腔壁定位的蓄热式燃烧器110所汇聚的能量以引起因热辐射和反射的能量传输，从而广泛地将热通量传达到反应管壁内部的生物质颗粒。容置器106内壁吸收或高度反射蓄热式燃烧器110，以引起辐射热，然后广泛地将该热以辐射方式传送到太阳能驱动化学反应器102的管中的生物质颗粒。容置器106腔的内壁可由允许容置器106腔在高(＞1200℃)壁温下工作的材料制成，以实现高传热率、非常短的停留时间的快速反应动力、以及从针对合成气的气化反应产生的一氧化碳和氢气的高选择性。
在一个实施例中，使用从内壁辐射然后进入多个反应管的超高热通量热能，生物质颗粒在同时发生的蒸汽重整和蒸汽生物质气化反应中存在蒸汽(H2O)载气和甲烷(CH4)的情况下气化，产生包括氢气和一氧化碳气体的反应产物。蒸汽与生物质和甲烷发生反应，但是生物质与甲烷彼此不发生反应。蒸汽(H2O)与碳的摩尔比的范围为1∶1至1∶4，并且温度足够高以使在不存在催化剂的情况下发生化学反应。
一个或多个传热辅助可以用于加热化学反应气体。传热辅助可以是位于各反应管内部的以下各项(流动的微粒和/或规整填料)中的一个或多个：生物质颗粒的流化床或夹带流，化学惰性颗粒的流化床或夹带流，网状多孔陶瓷(RPC)泡沫，陶瓷整体料，陶瓷管或气凝胶，包括由耐高温材料构成的拉西环(Raschig rings)、丝网或线的开放式规整填料环，以及上述的任意组合。这些热辐射吸收材料充当能用在反应管中的传热辅助，以增加到反应气体和其它材料(以常规气相化学反应器的热通量的20-50倍工作)的传热。辐射是从反应管壁到传热辅助的主要传热方式，而传导、对流或这两项的某种组合是从腔壁和反应管的次要传热方式。
反应器并不使用用于增大对流表面积的复杂构造(微通道、非常小的直径管等)，而是可以使用非常大的管，并允许在管内流动的颗粒的大的表面积-体积比，以提高到气相反应物的对流传热。颗粒充当直接吸收体，有效地增大了带粒气流的发射率。辐射传热随着温度的四次方而增加，所以吸收颗粒能以非常小的温差从壁吸收非常高的通量。于是它们的高表面积允许以气体和微粒之间的低温差有效传递到气体。具有非常开放式结构(使得结构内的传热主要由辐射驱动)的规整填料以类似的方式工作。利用此方法，反应器可以为简单的大型管，与竞争的化学反应器的对流优化结构相比，具有低制造成本，容易理解的流体动力学，以及更简单的比例关系。
在一些实施例中，化学反应器102的高温可用于将气流中夹带的颗粒加热到足够的温度以化学地改变该颗粒。例如，如果颗粒涂覆有金属铁氧体化合物，则高通量反应器可用于改变金属铁氧体涂层的氧化态。
在化学反应器中的反应发生之后，发生快速冷却以捕获反应产物。淬火区紧接化学反应器102出口的下游而定位，以经由离开化学反应器102的反应产物的至少氢气和一氧化碳的快速冷却来立即淬火。这在800℃或更低的淬火之后10秒内实现了低于一水平的温度，以减少生物质颗粒的灰残留物的聚结。冷却通常发生在离开化学反应器102后10秒内，优选地等于或低于400℃。在化学反应器102的反应管中的气化反应区的出口处，多个反应管中的两个或更多个在出口处形成一组，该组将它们的来自生物质气化的反应产物和未反应颗粒组合为形成淬火区的一部分的每组更大管道。更大管道内部的一个或多个喷雾器将冷却液直接注入反应产物合成气流，以在0.1-10秒内进行从至少900℃的出口温度到低于400℃的温度转变，从而防止管壁的金属尘化腐蚀。
生物质气化工艺中存在或在淬火区中初始引入的脱硫吸附剂减少了离开淬火区的合成气流中存在的硫的量。一个或多个热颗粒过滤以从离开淬火区的合成气流去除微粒，微粒被送至储灰容器。来自化学反应的产物被供应到下游的化学合成工厂。
注意：反应管用作以下双重功能：(1)隔离生物质气化反应环境与容置器腔的大气，和(2)通过辐射吸收以及热辐射、对流和传导向生物质的反应颗粒传递能量，以驱动流过反应管的生物质颗粒的吸热气化反应。反应管和腔壁的高传热率允许生物质颗粒在0.01秒至5秒范围之间的非常短的停留时间内获得大量焦油裂解和大于90％的生物质颗粒到包括氢气和一氧化碳气体的反应产物的气化所需的足够高的温度。
各组蓄热式燃烧器110可如下工作。蓄热(regeneration)使用一对燃烧器110，其循环以交替加热助燃空气或回收且储存来自炉废气的热。当一个蓄热式燃烧器燃烧时，另一个排出炉内气体。排出气体通过蓄热式燃烧器主体，进入包含耐火材料的媒介盒。耐火媒介被排出气体加热，因此从废气产物回收并储存能量。当媒介床被充分加热时，当前燃烧的蓄热式燃烧器被关闭，并开始排出废气产物。具有热媒介床的蓄热式燃烧器开始燃烧。助燃空气通过媒介床并且被热耐火材料加热。实现了300℉-500℉的炉温内的空气预热温度，导致极高的热效率。
实现了高温并且为这些需要温度的平衡反应维持高温。化学反应器102的设计在这些高温下将化学物质驱动为期望产物。因此，在吸热反应的情况下，这产生了从化学反应到产物的更高的转化率(并且在示例情况下导致更高质量的合成气)。这包括生物质气化(焦油去除、以及副产物CH4到CO和H2的二次重整反应)、蒸汽甲烷重整、通过蒸汽乙烷重整的乙烯生产、用于碳黑和氢气形成的甲烷裂解、以及其它高温化学反应。
由高工作温度驱动的超高热通量可适于驱动各种商业上期望的反应，包括：生物质气化；煤气化；蒸汽甲烷重整；干甲烷重整；乙烯热解、二氯乙烯裂解(热解)；石脑油裂解、乙烷裂解；经由甲烷裂解的碳黑生产；经由金属铁氧体氧化还原周期的氢气生产；以及其它类似反应。
注意：生物质气化是吸热工艺。工艺中必须投入能量以驱动其前进。通常，这通过部分氧化(燃烧)生物质自身而执行。必须消耗30％与40％之间的生物质以驱动工艺，并且在工艺通常所限于(出于效率原因)的温度处，转化通常受限，导致更低的产量。标准气化工艺的一般理论汽油产量为50加仑汽油/每吨生物质。超高热通量化学反应器102工艺使用外部能量源(例如汇聚的太阳能)以提供反应所需的能量，所以不需要消耗生物质来实现转化。这导致显著更高的产量(每吨100加仑汽油)。由于用于驱动转化的能量源是可再生的且不含碳(在汇聚太阳能量的情况下)，其符合碳信用和/或将来不会受到碳惩罚的不利影响。
这些反应的竞争反应器不能在这些高温下工作，因为它们具有以下两点的组合：
催化剂-催化体系通常用于动力学有限的反应，并且必须保持在特定温度之下以避免将降低反应器的产量和生产率的催化位点的烧结。该设计允许不使用催化剂进行化学反应。
材料-反应器构造的材料不可兼容高温，或者不具有有效地将热传送到化学反应所需的高导热性。这些反应器的配置通常是复杂的以提高用于传热/催化的接触面积，这并不适用于由用于此实施的高温陶瓷材料来制造。
因此，高反应器温度允许以高吞吐量且无需借助催化剂来发生诸如蒸汽甲烷重整(SMR)等特定的化学反应，导致了比需要使用必须定期更换的昂贵催化剂的低温系统更低的生产成本。
图2示出针对容置器-反应器设计的实施例的各种温度下辐射热通量与对流热通量之比的图表，示出了在高通量化学反应器的高工作温度下辐射是主要传热机制。图表220示出在大约700度的反应管温度下，辐射热通量与对流热通量之比约为7∶1。随着反应管温度增加到大约1400度，辐射热通量与对流热通量之比约为60∶1。随着反应管温度增加到大约1600度，辐射热通量与对流热通量之比约为100∶1。在该容置器-反应器设计中，在这些高温下辐射热通量与对流热通量之比同样存在很大差异。
通常，高热通量驱动化学反应器的工作温度维持在大于900℃并且在大多数情况下高达1100℃以上。在此设计中，这些工作温度下具有高的热通量值。例如，在等于或大于1000℃壁温的高温下，通过利用所选的反应器管壁的材料的辐射传热实现了100-250kW/m^2的高热通量。
当超高热通量化学反应器处于至少750℃的最低工作温度、优选地大于1000℃时，可开始化学反应物的夹带流进入化学反应器。化学反应器通过利用蒸汽、天然气和任意组合的受控量，在700-1600℃的高温下，使生物质材料的原始颗粒与蒸汽反应以用于生物质气化、蒸汽与补充甲烷反应以用于蒸汽重整，从而将含碳生物质材料转化为一氧化碳和氢气，这然后导致合成气的气体混合物。
在提高的反应管温度下与气相传热辅助相结合进行工作的能力，驱动吸热、传热受限(与动力学受限相对)的化学反应在更短的停留时间且在显著降低(20-50倍)传热表面所需面积的情形下发生，导致更高的转化率且减少了不期望副产物(例如在不完全生物质气化的情况下的焦油)的形成，产生更高质量和数量的产物气体(例如在生物质气化的情况下的合成气)。由于高工作温度、更短的停留时间和多个反应管，该设计提供了大吞吐量。由于高热通量和更高反应温度的组合，在反应器内的停留时间相同或更少的情况下，该设计增加了转化效率，因此以更低的设备资本成本增加了总体工厂的转化效率和产量。该设计将所需的反应管的表面积减小了20-50倍，因此降低了反应管和歧管(SiC或超合金)的材料成本。该设计减少了不需要的二级副产物的产生(例如，生物质气化中的焦油)。因此该设计降低了后续单元操作之前气体净化系统的成本和复杂性；并且降低了成本、复杂性和作为可销售的副产物的潜在污染或作为废物处置问题的惰性固体副产物(如，灰)的处理/处置要求，因为没有产生焦油来污染灰。减少所需表面积的附加优点是可以延缓关键组件的腐蚀，因为腐蚀速率是表面积特定的。
如所讨论的，超高热通量化学反应器由高通量和高温驱动，构建反应器和腔壁的材料和相应的多个管设计，以耐受并实现该高通量和高温。高通量提供了更低的资本成本，减少了最终产物(如石油)的生产成本并提高了投资收益率。更高温度使得能够在没有催化的情况下实现更好的化学反应单程转化率，提高了给定资本投资的生产率，降低了总运营成本(更少的回收/浪费原料)。另外，高温允许在不产生不需要副产物(例如，生物质气化中的焦油)的状况下操作，降低了必要资本投资和附加工艺步骤的运行成本。
而且，用于驱动吸热化学反应的能量源来自辐射热源，而不是通过燃烧生物质自身，其中多个反应管以及容置器的腔壁主要通过辐射吸收和再辐射而非通过对流或传导向化学反应中的反应物传递能量，以驱动反应管中流动的吸热化学反应。
图3示出包围偏置且交错的反应管的容置器腔的实施例的剖视图。热容置器306具有腔，腔具有内壁。热容置器306的腔壁相对于反应管302的辐射驱动几何形状将化学反应器的多个管302定位为偏置，并且以交错布置定位在容置器306内部。腔壁的表面区域大于反应管302占据的区域，以允许辐射从多个角度到达管302上的区域。容置器306腔的内壁和反应管302主要通过辐射交换能量，壁和管302充当辐射的重发射器，以实现到达所有管302的高辐射热通量，因此，避免了屏蔽和阻挡辐射到达管302，允许反应管302从反应管302中的反应区的起始到结尾实现相当均匀的温度轮廓。
因此，反应管302和腔壁的几何形状利用下述的特征对入射的辐射形成散发，下述的特征即这些(1)交错和偏置的管302、该管302结合(2)相比于包围的管302所占据的面积而言的大直径腔壁、并且另外(3)结合相对于彼此的多个反应管几何排布之间的管间辐射交换。壁由高度反射辐射或吸收且重发射辐射的材料制成。入射辐射散发的成形利用容置器306的腔内的辐射的反射和吸收。因此，热容置器306的内壁对准，并通过(1)吸收和重发射辐射能、(2)将入射辐射高度反射到管302、或(3)上述的任意组合充当辐射散发器，以维持包围的超高热通量化学反应器的工作温度。来自(1)腔壁、(2)直接来自蓄热式燃烧器、(3)来自充当辐射的重发射器的其它管的外壁的辐射被反应管302吸收，然后热通过传导传递到反应管302的内壁，其中热以在900℃至1600℃之间、优选地在1100℃以上的温度辐射到反应的颗粒和气体。
如所讨论的，容置器306的腔的内壁和反应管302彼此之间主要通过辐射而非对流或传导交换能量，允许反应管302实现相当均匀的温度轮廓，尽管通常更低温度生物质颗粒和夹带气体在反应区中从第一入口点进入反应管302、横穿加热的腔在第二出口点处离开反应区。来自内壁和反应管302的该辐射传热驱动化学反应，导致化学反应物的温度快速上升到接近离开反应器出口的产物和其它流出材料的温度。
设置每个反应管302的气化反应区的长度和直径尺寸的大小，以在至少900℃的气化温度下给出0.01秒至5秒的非常短的停留时间，以及多个反应管302中的气化区的出口。反应产物具有来自气化区出口的等于或超过900℃的温度，并且该化学反应器设计的多个反应管302增加了用于到生物质颗粒的辐射交换以及管间辐射交换的可用反应器表面积。具有最终稳定灰形成的分散的落入的生物质微粒的快速气化在少于5秒的停留时间内在反应管302中的反应区内发生，导致焦油完全改善到低于每标准立方米500毫克、以及至少90％的生物质转化到氢气和一氧化碳产物的生产。
该设计减小了反应管302和炉内部所需的表面积，因此降低了炉室的大小、重量和成本(大小和重量对于塔上安装的太阳能应用以及其它应用是重要的)。
为了实现高转化和选择性，生物质气化需要超出1000℃的温度。在标准流化床气化器中这很难实现，因为更高温度需要生物质自身的更大部分的燃烧。结果，间接和流化床气化一般限于800℃的温度。在这些温度下，不需要的更高烃(焦油)的生产很明显。这些焦油填塞下游设备并使催化剂表面阻塞/失活，从而需要焦油脱除设备的重大资本投资(总工厂成本的10-30％)。高热通量热系统能够非常高效地实现高温。更重要地，处理效率能控制为浓度和期望温度的函数，并且不再与为实现高温所损耗的生物质的小部分有关联。结果，能实现焦油裂解状况中的温度(1000-1300℃)，而不损失任何来自生物质的燃料产量或总处理效率。这去除了通常与生物质气化系统相关的焦油裂解设备的复杂链。另外，高温工作提高了传热并且减少了所需停留时间，减少了化学反应器的大小及其资本成本。
明确用1200℃至1450℃之间的壁温和超出900℃但不高于硅熔化温度(1600℃)的出口气体温度描述的工作温度在气化中通常看不到，并且在间接(循环流化床)气化中肯定看不到。可以在超高热通量化学反应器中进行的生物质和天然气的蒸汽重整共气化的可能性在部分氧化气化器中不能进行(因为甲烷将优先燃烧)。工艺的供料灵活性源自简单的管状设计，由于这里讨论的原因，大多数气化器不能处理各种范围的燃料。
制成容置器306腔的内壁的材料具有在1100-1600℃之间的高温下保持其结构强度的机械和化学特性，对于容置器306腔具有ε＞0.8的非常高发射率或ε＜0.2的高反射率、以及高热容量(＞200J/kg-K)和低导热性(＜1W/m-K)。制成反应管302的材料具有高发射率(ε＞0.8)、高导热性(＞1W/m-K)、中高热容量(＞150J/kg-K)。
图4和图5示出将载气中的生物质颗粒供应给化学反应器的夹带流生物质供料系统的实施例。
夹带流生物质供料系统620可包括加压锁式料斗对624，将生物质馈送到旋转计量供料螺杆622，然后在锁式料斗对的出口626处进入夹带气体管道。生物质颗粒通过分流器627散发到多个夹带气体管线，以向构成化学反应器的两个或更多个反应管供料。
在一个实施例中，高热通量反应器和相关集成系统还可包括夹带流生物质供料系统620，该系统620具有配备有单个多出口供料分流器627的一个或多个锁式料斗对624，该分流器627将加压夹带气体管线中的生物质颗粒同时馈送入化学反应器的两个或更多个管。管可被控制为离散管组，每组具有两个或更多个管。气体源611还可供应来自烃燃料合成工艺中的氨基酸气体去除步骤的回收的二氧化碳形式的加压夹带气体、蒸汽、或其它一些载气。多出口供料分流器627提供并控制一个或多个加压夹带气体管线中的生物质颗粒的配给量，该一个或多个加压夹带气体管线通过允许流过或不流过一组反应管向化学反应器中的两个或更多个反应管供料。因此，生物质供料系统的各供料容器624向供料分流器627供料，而供料分流器627向化学反应器中的例如多达12个反应管供料。各供料容器624具有一个或多个出口626，该一个或多个出口626配置为在向两个或更多个反应管散发生物质颗粒时的需求信号量的10％内供应一致容积量的生物质颗粒。
高通量反应器和相关集成系统还可包括研磨系统623。研磨系统623具有切断生物质的研磨装置以及在夹带流生物质供料系统中的一系列多孔过滤器，研磨装置是至少下述之一：(1)机械切割装置、(2)剪切装置、(3)粉碎装置、以及(4)以上各项的任意组合。研磨装置和多孔过滤器研磨来自干燥单元628的部分热解生物质，以控制生物质的颗粒大小在50um至1000um之间。夹带流生物质供料系统具有供料灵活性，能够经由至少对生物质的颗粒大小控制来供应多种不同类型的生物质，而不改变供料或反应器工艺，以及用于化学反应的能量源来自外部源，而非燃烧生物质自身。干燥单元628在地理上位于与超高热通量化学反应器相同的地点，并配置为使生物质在高达300℃的温度范围中经受利用从化学反应回收的废热的部分热解，以使生物质(1)易碎且更易研磨、(2)更干、更少粘性且更易在输送系统中馈送、(3)作为干燥的生物质在储存中经受更少的变质问题、以及(4)从干燥工艺产生废气。干燥单元628向研磨系统623供应部分热解生物质。部分热解生物质的干燥降低了研磨装置将生物质研磨为50um至1000um之间的受控颗粒大小所需的能量。来自生物质干燥的废气能用于(1)夹带载气、(2)用于蒸汽生成的能量源、或(3)用于燃气蓄热式燃烧器的气体中的一个或多个。
能够使用多种类型生物质而无需重新设计供料和反应器工艺的供料灵活性相比于限于一个或一些可用原料的工艺明显具有经济优点。通过用辐射能(重辐射到颗粒)加热反应管，消除了生成用于反应的热以及设计反应器以进行反应的问题(主要是吸热/放热均衡问题)。
包括散料处理(bulkmatology)流增强器或多孔壁管的流增强器还可用在供料系统中，通过响应于反馈信号去除通过流增强器的载气的受控部分而降低反应管的气化反应区入口之前的载气的速度，来控制进入反应管的气化反应区的携带生物质颗粒的夹带载气的量。
图6示出具有彼此交互的多个控制系统的高热通量驱动生物炼制的实施例的图。在这种系统中，可将辐射热能提供给反应器702。超高热通量化学反应器的化学反应器/炉能用各种手段加热以确保24/7操作(单独地或组合地)，包括：汇聚太阳能；电阻加热；电感应加热；直接或间接气体(或其它常规燃料)燃烧器加热；核反应器(直接的，或通过废热的收集)；作为废热回收系统的一部分的蒸汽加热；作为废热回收系统的一部分的锅炉。在一个实施例中，蒸汽可在驱动足够用于所需内部辐射通量率的外部对流/辐射通量所必须的温度下传送；以及其它类似辐射热源。在此示例中，可通过两组或更多组燃气蓄热式燃烧器710加热化学反应器。
夹带载气系统向化学反应器供应用于供料系统中的生物质颗粒的载气。其它化学反应物和/或蒸汽也可传送到反应管。如所示出的，包括生物质颗粒的化学反应物可流入化学反应器702，并且合成气流出712。淬火单元708可用于快速冷却反应产物并防止逆反应为更大分子。
计算机化控制系统可以是彼此交互的多个控制系统。计算机化控制系统配置为向供料系统发送供料需求信号，以基于控制信号和针对化学反应器测量的温度控制下述各项的量：(1)化学反应器中要被馈送生物质颗粒的反应管组、(2)供热的燃气蓄热式燃烧器的量、(3)特定燃气蓄热式燃烧器供热的速率、(4)以上各项的任意组合。控制系统可依赖包括反应器温度的反馈参数以及前馈参数，该前馈参数包括从燃烧器进入的热和通过反应管702的化学反应物和载气的量的变化而出去的热的预期变化。用于集成工厂的控制系统向用于超高热通量化学反应器的控制系统发送控制信号，并接收来自该控制系统的反馈。用于超高热通量化学反应器的控制系统至少指示在超高热通量化学反应器中生成的产物的量、温度、当前活跃的热量和其它类似参数。控制系统可均衡在化学反应器内的化学反应类型，包括生物质气化反应、蒸汽重整反应、干重整反应和这些反应的各种组合，以将生成的合成气维持在基本不含焦油(具有低于200mg/m^3的焦油)的期望的2.1∶1至2.8∶1的H2与CO摩尔比内，并且在生成的合成气中具有体积低于15％的CO2。通常，由控制系统维持的反应管和腔壁的高传热率允许生物质颗粒在0.01秒至5秒范围之间的非常短的停留时间内实现用于将大量焦油裂解和大于90％的生物质颗粒气化为包括氢气和一氧化碳气体的反应产物所需的足够高的温度。
控制系统可经由将多个反应管分为两组或更多组管的子组的操作来控制多个反应管。既然控制系统具有通过(1)控制在给定组的蓄热式燃烧器中流动的燃料气体的量、(2)启动热容置器内部的附加组的蓄热式燃烧器、或上述各项的任意组合来经由增大或减少在给定组的反应管中流动的载气和反应物的量控制流出能量/热的量、以及控制热进入反应器，控制系统能针对集成工厂进行(1)控制供料以匹配能量的量、以及控制辐射能以匹配供料量。
反应器和液体燃料厂的控制系统可具有化学反应器和液体燃料厂(例如，甲醇厂)之间的双向通信。例如，当为了维护或由于故障需要调整管的子组时，集成工厂能够增加通过化学反应器的生物质和夹带气体流继续工作，以保持用于转化为液体燃料的合成气的稳定生产。改变反应管中的夹带气压还能用于增大/减少通过管的生物质和气体的散热效应。
集成化工厂如下将供应的化学反应物(例如，生物质颗粒)转化为集成化工厂中的石油。来自化学反应器的氢气和一氧化碳产物在现场甲醇合成工厂中被转化为甲醇，来自甲醇合成工厂的甲醇在甲醇-气体工艺中被转化为汽油。现场化学合成反应器(例如甲醇合成工厂)在地理上位于与化学反应器相同的地点，并且集成以接收合成气形式的氢气和一氧化碳产物。现场化学合成反应器具有从化学反应器接收包含氢气和一氧化碳产物的合成气的输入，并且配置为在烃合成工艺中使用合成气来产生液体烃燃料或其它化学品。通过储存过量合成气、供应补充合成气或使甲醇反应器空闲，来自合成气生产的甲醇生产不与合成气产物的瞬时速率直接挂钩。
含碳原料的移动床可位于反应器中，气化剂在并流或逆流配置中通过床流动以实现气化，并且利用热能加热床。
构成高热通量化学反应器的多个反应管可由在大于950℃且高达1600℃的温度下保持结构完整性的材料(包括SiC或包覆石墨)制成。由于反应器中的这些高工作温度，辐射现在是(炉/容置器)腔壁和反应管之间的主要传热方式。还存在经由辐射和重吸收的显著管间和管内传热，导致反应管温度的高程度周向和轴向均匀性；由此，该均匀温度轮廓允许在管的整个容积内一致地发生化学反应。沿着反应管的温度轮廓基本为常量，但是与温度变化相比热通量经受大梯度。
反应管在材料上由耐火陶瓷或金属制成，所选择的材料必须具有在1100-1600℃之间的高温下的高化学稳定性和高强度、对于生物质的颗粒大小和蒸汽浓度的高抗腐蚀和高抗磨损率、高温下的高抗氧化性(如果容置器腔填充有包括空气的非惰性气体)，擅长吸收太阳能，经由辐射发射率的高重辐射特性(ε＞0.8)，以及高导热性(＞1W/m-K)。所选择的用于管构造的材料可单独地或组合地选自包括以下各项的示例材料组：碳化硅、包覆碳化硅的石墨、钨、钼、莫来石、氧化锆、具有硫化铝的钼、烧结的亚微米碳化硅粉末、透明蓝宝石、高铝含量的镍基合金、以及包括氧化铝(Al2O3)的耐火陶瓷。
使用外部能量源的高通量反应器的附加优点是由外部能量源(例如，天然气燃烧器)产生的任何二氧化碳与反应管中产生的产物气体隔离。例如，在常规气化器中，30-40％的生物质被氧化以驱动气化工艺，得到的二氧化碳包含在产物合成气中，从而需要合成气的进一步净化并因此增加了成本。
而且，甲烷与包含在天然气内或作为单独原料馈送的CO2的干重整发生在化学反应器中，使得即使一些CO2存在于主要由甲烷构成的天然气中，CO2和CH4也会利用高热经由干重整发生反应以产生氢气和一氧化碳。
1、允许在超高热通量所需的高温下高效工作的各种重要反应器或炉的设计概念包括如下：
●反应器的设计具有多个反应管。容置器或炉包围反应管，而非如流体壁反应器情况下一样包围每个反应管的封闭和加压容器。
●反应器的设计能够使用生物质作为原料来产生合成气。
●该设计可具有在化学反应器内同时发生的多个独特化学反应，化学反应或者在同一管内发生，或者在使化学反应物同时通过容置器腔的不同管组内发生。
●反应器的设计具有从外部到内部的通过反应管的能量流的方向，因为它们从外部加热(而非如同生物质气化的一些变型中通过内部反应)。反应器的设计在外壁处具有非常高的温度，并且能量通过管传导以在另一侧重辐射。
●反应器构造的材料可以使用高温单片单相陶瓷作为构造的材料。相比之下，几乎所有气化和气体重整化学反应器由金属或耐火材料衬里的金属构成。反应器的设计可在单腔反应器炉中具有多个陶瓷(如SiC)传热/反应管。
●配置：反应管是简单管，或黑体腔中具有至少3.5”内部直径的其它形状。竞争化学反应器尝试给出更大表面积用于对流传递。
●反应管为非多孔的(因此在流体壁配置中不工作)，因为高工作温度不需要保持反应管内部清洁的流体壁。
●在(1)燃气蓄热式燃烧器反应器、复原助燃空气预热器、干燥单元、用于蒸汽的废热锅炉以及由废气加热的其它工艺的情况下来自高温废气的废热的回收和重用。
●反应器的设计具有可能利用为炉或太阳能容置器的外壁加衬的高发射率涂层的耐火材料。这些衬里反射以及吸收和重辐射来自原始能量源(可能是汇聚太阳能或燃气燃烧器)的辐射能，并使炉腔隔绝以减少能量损失。
●实现太阳能/非太阳能混合操作时的门/百叶窗/风幕。
●超高热通量化学反应器使用传热媒介。工艺使用吸收颗粒或规整填料以从反应器壁吸收辐射并对流地将辐射传递至气体。吸收颗粒可包括反应物自身(如在生物质气化中的情况中一样)，或惰性颗粒(如支撑剂)。规整填料例如包括网状多孔陶瓷(RPC)形式。常规反应器仅单独使用来自反应器壁的对流，而不需还辅助该传热工艺的附加吸收颗粒。
●作为传热辅助的惰性颗粒的使用可在夹带流配置中实现，例如，其中颗粒与反应物并流。在另一示例中，惰性颗粒可在流化床配置中实现。
●超高热通量化学反应器使用高通量辐射作为主要传热方法(如上所述)。
●超高热通量化学反应器在超出1200℃的壁温下工作，允许快速转化、更高均衡转化以及不期望副产物的毁灭。
●在简单多管状反应器设计中，超高热通量化学反应器具有颗粒和气体的向下、重力/夹带气体驱动流。
●超高热通量化学反应器可使用具有间接辐射驱动设计的容置器/炉，其中从炉和反应管它们自身的内侧壁上的耐火材料辐射能量，而非从热源自身辐射能量。
●超高热通量化学反应器可使用非多孔反应管，该非多孔反应管允许使用利用炉内部的废气的(可能具有蓄热式废热回收或复原助燃空气预热器的)气体燃烧器，因为反应管内部的反应物和产物材料/气体与炉内部的环境隔离。
●超高热通量化学反应器可具有合成气生产，作为经由反应器内部的生物质气化反应产生的产物。生物质气化反应可与反应器中的其它反应发生。
●超高热通量化学反应器可具有经由金属铁氧体氧化还原周期的氢气生产。
●超高热通量化学反应器可具有包括用于高强度辐射传热的一个或多个热源的反应器炉。热源可包括耐火衬里的炉内的地板或墙壁安装的燃料燃烧式燃烧器、通过侧壁中的开口进入耐火衬里的炉的汇聚太阳热能、超高温燃烧器、直燃型蓄热式或辐射冲击壁型燃烧器，从而将商业燃料(如天然气)或下游反应器废/副产物气体或液体作为燃料燃烧，利用富含氧或不富含氧的预热的助燃空气，在高达1600℃的耐火壁温下工作的隔热炉内燃烧，导致向在高达1600℃的壁温下工作的多个陶瓷反应管内包含的气体/气溶胶反应物的间接辐射传热。
●与用于传热有限(非动力学有限)吸热反应器的常规高温工艺炉1)相比，反应器炉以传热率增加20-50倍地工作，其中，将高辐射传热传递到在比基于常规合金的反应管的更高壁温(高达1400℃)下工作的不透水固体管内流动的气体/气溶胶夹带流反应物。
超高热通量化学反应器能由这样的材料制成，该材料支持向反应器壁/管内落入的反应物颗粒或开放式规整填料辐射传热而驱动的高热通量。在反应管壁界面处生成的热通量可以是一般化学反应器中的10倍或更多倍(例如100-250kW/m2)。高工作温度允许辐射而非传导或对流加热是驱动化学反应的主要能量驱动器。
注意：化学反应器是在其中发生化学反应的容器。化学反应器可以是单个反应管，或一组反应管。因此，化学反应器可以是具有多个反应管的单个反应器、或每个均为单个反应管的多个反应器、或其它一些类似组合。另外，在高热通量化学反应器的不同反应管中可发生不同化学反应。例如，蒸汽甲烷重整可在第一组反应管中发生，生物质气化可在构成化学反应器的另一组反应管中发生，该化学反应器至少部分包含在热容置器中。同样，在化学反应器的相同反应管中可同时发生不同化学反应。而且，控制系统可经由大量机制控制在反应管内发生的化学反应。例如，化学反应物(例如生物质颗粒和载气)流入反应管和流过反应管的流速与流过反应管的各反应物的浓度一起受控。控制系统可单独控制各个反应管，或以例如18个管的簇等的集/组控制，或控制全部所有管。
反应管的形状、方向和其它特征可改变。多个管中的第一个可具有与多个管中的第二个不同的直径。例如，暴露于更高辐射通量的管在直径上可能更小，暴露于更低辐射通量的管在直径上可能更大，从而以可变辐射通量传送相同颗粒加热速率。另外，每个管的形状可能是圆柱形状管道、矩形形状管道或某个其它形状的管道。
在一个实施例中，存在于热容置器的腔中的反应管的量可以具有少则包含30个，多则数百个反应管的范围，优选范围为120-150个反应管。每个反应管将与其它反应管具有相同大小直径。多个反应管相对彼此的几何排布可以是弧图案或者可能具有多于一行的某种其它几何排布。反应管中的气化反应区的长度和直径尺寸是管的内径将为3.5英寸，并且延伸了管的全长，例如7米长。
在具有多个反应管的化学反应器中，单独的夹带管线可用于化学反应器中的各个气化器反应管。如所讨论的，这可允许独立温度控制和在各个反应管中流动的化学反应物和惰性传热颗粒的量的均衡。当化学反应物为生物质时，生物质颗粒供料能通过锁式料斗旋转供料系统(例如，锁式料斗旋转供料系统)散发到反应管。这种系统能允许向各个反应管均衡供料，并以各种方式控制颗粒供料速率。
间接简单管状反应器设计不仅设计上不困难，而且在工作期间较不可能出现故障。
图7示出用于反应器及其相关工厂的示例集成工艺流的实施例的框图。在一个实施例中，利用超高热通量化学反应器的集成工艺具有包括以下的几个主要工艺步骤：
发生化学反应物制备，随后馈送入超高热通量化学反应器。例如，这可包括生物质研磨或增浓、运输和卸载860、储存862和供料864。
通常用于研磨生物质的设备包括冲击式粉碎机(如锤式粉碎机)、磨碎机和动力脱落式粉碎机-KDS(如连枷粉碎机)。锤式粉碎机系统、KDS或类似系统可用于将包(由输送机装载)研磨成颗粒，颗粒将被馈送至辐射热通量热气化器。研磨后的颗粒在直径上具有在500微米(um)至1000um之间的平均筛大小，并利用标准带式输送机或利用正压或负压气动输送系统装载入筒仓。研磨后的颗粒还可具有在50微米(um)和1000um、50微米(um)和200um、50微米(um)和2000um以及各种组合之间的平均筛大小。
然后可现场储存862包括生物质的用于反应的各种化学反应物和惰性颗粒。需要时，化学反应物和惰性颗粒将经由供料系统馈送864入示例辐射热通量驱动化学反应器。例如，在将生物质研磨粉碎为颗粒之后，锁式料斗供料系统将生物质颗粒馈送入辐射热通量驱动化学反应器以进行气化。供料系统能供应各种种类和类型的生物质。辐射热通量容置器和气化器866可用于热分解生物质。
在太阳能实施例中，各种定日镜场设计和操作驱动生物质气化器。一些示例设计可包括太阳能汇聚器、二次汇聚器、聚焦镜阵列等，以驱动生物质气化器870。
可从生物质气化器868提供淬火、气体净化和除灰。一些非试验合成气可离开系统872。一些气体可能为废品，而另一些气体能在储存878或例如甲醇合成876之前被压缩874。甲醇然后可被储存880以便后续的甲醇-汽油转化882。
在各种实施例中，合成气可馈送至另一技术应用。示例包括合成气到其它化学品转化工艺。所产生化学品的其它化学品可包括诸如运输液化燃料的液化燃料。一些运输液化燃料包括喷气燃料、DME、汽油、柴油、以及混合醇、具有高固存碳量的生物碳；化工生产、发电、合成天然气生产、取暖油生成、以及基于其它类似合成气的技术应用。在一示例中，可从合成气形成基于烃的燃料(例如甲醇)876。甲醇可进一步转化为汽油或其它燃料882，并且可从汽油884或合成气分离出各种产物。这些产物(例如汽油)然后可储存以便之后用作能源。
如果从超高热通量化学反应器产生中间化学品，则可将得到的产物馈送至集成工厂中的其它工艺。例如，可将合成气馈送至技术应用。这些技术应用包括合成气-运输液化燃料，例如喷气燃料、DME、汽油、柴油、甲醇、以及混合醇、具有高固存碳量的生物碳；化工生产、发电、合成天然气生产、取暖油生成、以及其它类似的基于合成气的技术应用。
图8示出太阳能驱动生物炼制的实施例的图。在这种系统中，可通过窗口或开口954向太阳能加热的容置器和反应器956提供太阳能952。淬火器908可用于防止逆反应。如图所示，包括生物质颗粒、蒸汽和其它化学品以及惰性颗粒的化学反应物可流入系统，并且合成气流出912。
高通量反应器能高效地使用固有地具有高通量的汇聚太阳能。超高热通量化学反应器是太阳能驱动化学反应器，化学反应物是载气中夹带的生物质颗粒。超高热通量化学反应器具有显著技术优点。这些技术优点包括：
●简单间接反应器设计允许供料灵活性并消除了放热/吸热反应均衡需求，因为反应物的部分氧化不提供为驱动反应而供应的能量。
●下降颗粒设计最大化从反应器壁的传热并去除固有反应限制。
●吸收、隔热容置器腔设计使太阳能通量分散，提高了均匀性，增大了总系统效率。
●容置器设计中的多个反应管增加了用于向颗粒的辐射交换以及管间辐射交换的可用反应器表面积。
●容置器对吸收具有多个管状下向通风颗粒反应器的腔容置器间接辐射的使用完全独特于太阳能热加工世界(以及生物质气化世界)。
●接下来，下降颗粒反应器是使热能进入反应固体微粒(或气体)的高效方式。从反应管到反应和/或非反应颗粒的传热能通过传导、对流或辐射发生。甚至加热的非反应颗粒能用于此文献中讨论的许多目的。在中等温度，当向液体传递能量时，对流和传导占主要地位，但是这些要求大量表面积是有效的。结果，传热表面上的太阳能通量必定小，必然导致低温。为了解决该问题，需要辐射传热，辐射传热需要1000℃以上(优选地，1200℃以上)的温度。然而，如果被辐射的表面积很小，则局部温度将变高，效率将很低。分散式颗粒反应器通过极大地增加接收表面积(主要是颗粒表面积)解决了该问题。颗粒倾向在容积负荷下平均它们本身之间的能量，给出了均匀径向反应轮廓。如果是期望被加热的气体(例如，用于甲烷蒸汽重整或甲烷裂解)，惰性颗粒能用作辐射接收器，对流能用于将能量从颗粒驱动到气体。因为颗粒表面积如此之大(相比于管表面积)，所以对流传热不再是限制。
●另外，使用小颗粒增加了用于反应的表面积。由于具有气相成分(如蒸汽、CO2)的反应是表面积特定的，所以增大的表面积极大地增加了反应速率。相比于直视容置器、填料床或旋转窑，反应速率可以高至多个数量级。相比流化床，传热率类似，但是不存在可沉淀在下游和淤塞关键系统组件的挥发灰成分(碱质)的脱离。
●在使用汇聚太阳能的实现中，该设计利用在开口处具有高通量密度的腔容置器以及腔中央的多个(或甚至单个)反应管，其内部大气与腔的大气密封分隔。该后一点使反应环境(该反应环境不耐氧)与腔环境分离，允许腔向大气开放。这消除了对于窗口(以及保持窗口干净)的需要、对于标准直视(这里，“直视”指其中太阳能直接入射化学反应物上的任何容置器)化学反应器设计的主要成本和大小限制。隔热腔方法主要是黑体腔。可通过改变隔热厚度来控制传导损失，并可通过开口设计、方向和腔工作液(浮力)控制对流损失。黑体腔的关键优点是控制完全由腔温和开口处的平均浓度确定的辐射损失。腔像烤箱一样工作，通过辐射散发热通量，并且给出了比入射太阳能辐射所具有的更均匀的反应管上通量轮廓(在方位和轴向上)。这是太阳能场的主要优点，其中移动的太阳在每天的过程中使光束从西向东移位加权地穿过开口。
●使用太阳热能使得能够高效地(即，不耗用大量生物质)实现非常高的温度(＞1000℃)。在这些高温下，统称为焦油的更大烃和芳香族化合物分解为一氧化碳、氢气和甲烷。焦油去除是标准生物质气化工厂中的资本密集部分，并且增加了运营成本；当基本未产生焦油时，如在超高热通量化学反应器工艺中一样，能避免这些。
●如上所述，被间接加热的下向通风气化器很少用于标准气化。更重要地，该设计不限于生物质气化。可使用太阳热能在该反应器中进行多种化学过程(蒸汽甲烷重整、甲烷裂解、产生乙烯的蒸汽乙烷裂解、金属提炼、CO2捕获)。
●当实现为太阳能驱动高热通量反应器时，对于合成气-甲醇工艺(作为示例生成的液体燃料)出现一些变型。利用控制系统和储存之间的关系对设计进行调整，以用于可变量的合成气馈送入工艺中。甚至没有合成气流动时，也进行保持高压合成气储存和甲醇反应器的并行链，该反应器24-7维持它们的完全反应温度和压力。控制系统具有确立用于容忍合成气操作的瞬时流的算法和工作例程。由于白天的太阳能源，在甲醇合成工厂中设计了执行化学反应器的例行循环和生产率的能力。而且，添加了气体原料缓冲区和白天太阳能生产以用于太阳能实现。
接下来，可在由计算机运行的诸如程序模块的计算机可运行指令的一般背景下描述用于控制系统的各种算法和过程。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。本领域技术人员能将这里的描述和/或图实现为计算机可运行指令，计算机可运行指令能以下面讨论的计算机可读介质的任意形式实施。通常，程序模块可实现为软件指令、电子硬件逻辑块和上述二者的组合。软件部分可存储在计算机可读介质上，且以诸如Java、C++、C等的任意数量的编程语言编写。机器可读介质可以是硬件驱动器、外部驱动器、DRAM、磁带驱动器、记忆棒等。因此，诸如事务管理器的组件部分可排他地由硬件逻辑、由与软件交互的硬件逻辑或单独由软件制造。
以上详细描述的一些部分在对计算机存储器内的数据比特的操作的算法和符号表示方面进行了呈现。这些算法描述和表示是数据处理领域技术人员为了最有效地将他们工作的实质传达给本领域其它技术人员而使用的手段。这里并且通常将算法认为是导致期望结果的步骤的自洽序列。步骤是需要物理操作物理量的步骤。通常(尽管不是必要的)，这些量采取能被存储、传送、组合、比较和操作的电或磁信号形式。已经证明有时(主要是为了公共使用的原因)将这些信号称为比特、值、元素、符号、字符、术语、数字等是很方便的。这些算法可用大量不同软件编程语言进行编写。而且，可用软件中的代码行、软件中的配置逻辑门或上述二者的组合来实现算法。
然而，应记住所有这些和类似术语要与合适的物理量关联，并且仅是应用于这些量的方便标签。根据以上讨论，很明显，除非另外特别指出，否则应理解为在通篇描述中，利用诸如“处理”或“计算”或“确定”或“显示”等术语的讨论指的是计算机系统或类似电子计算设备的动作和处理，该计算机系统或类似电子计算设备将计算机系统的寄存器和存储器内用物理(电子)量表示的数据操作或变换为类似地表示为计算机系统存储器或寄存器、或其它这种信息存储、传输或显示设备内的物理量的其它数据。
能利用包括定日镜的太阳能收集器和/或来自工厂工艺的废热以驱动在生物质上的干燥工艺的使用。在生物质气化技术上使用干燥的一些优点包括：
●供料系统气化工艺的生物质馈送的标准化允许供料系统利用更广泛的生物质原料。
●干燥的生物质原料抑制了生物质气化工艺中甲烷的形成，该甲烷污染从高通量化学反应器生成的合成气产物并且不利地影响下游液体燃料加工厂。
●干燥的生物质原料允许研磨机更容易地获得具有更均匀的大小分布的更精细生物质颗粒，提高了高通量化学反应器气化工艺的性能。
●干燥的生物质原料从干燥工艺中得到的挥发物用作气体燃烧器中的燃料，以辅助高通量化学反应器中用于气化反应的热生成。
●干燥的原料允许：
■从未加工原料中去除会污染来自气化器的合成气产物的潜在污染物(易挥发物)，并使用这些向气体燃烧器供燃料，从而向SDF气化器供热；其中，当未加工生物质暴露在350度以上的温度时，生成焦油和碳；然而，这些现在在干燥工艺中生成，并且研磨机将干燥的生物质粉碎和研磨为精细颗粒。当热蒸汽载气携带干燥的生物质的颗粒时，焦油和碳的大部分已从该生物质去除，因此不会存在并堵塞供料管；而且，更高温度干蒸汽能用作干燥的生物质的颗粒的载气，将防止蒸汽中的湿气在供料系统组件中冷凝；
■减少了关于燃料合成的回收清除，因此提高了SDF工艺的总体生产率；以及
■减少了用于SDF工艺的灰处理装载和处理。
●供料系统能够降低生物质工艺运营成本(OpEx)，从而提高气化工艺的成本效益(用于实现目标颗粒大小减小的更低的能量消耗)。
●供料系统能够降低/减少与馈送至SDF气化工艺的生物质相关的资本设备(CapEx)(由于容积密度增大所致的固体处理设备的大小，更少的更高容量大小缩减单元)。
●供料系统能够通过使用干燥的生物质提高总系统和气化器的性能。
尽管示出了本发明的一些具体实施例，但本发明不限于这些实施例。例如，来自各种工厂工艺的回收废热能用于预热助燃空气，或者能用于其它类似加热装置。蓄热式气体燃烧器或常规燃烧器可用作炉的热源。在这里所讨论的化学工业的任意方面中，高通量反应器可用于任意类型的吸热反应。本发明应理解为不受这里所描述的具体实施例限制，而仅受所附权利要求的范围限制。

Claims (15)

1.一种超高热通量化学反应器，包括：
具有腔的热容置器，腔具有内壁，其中所述热容置器对准以(1)吸收和重发射辐射能、(2)高度反射辐射能、(3)上述两项的任意组合，从而维持所述包围的超高热通量化学反应器的工作温度；以及
其中，所述高热通量化学反应器具有位于所述热容置器的所述腔的内部的多个反应管，其中在所述多个反应管内发生由辐射热驱动的化学反应，并且其中生物质颗粒在同时发生的蒸汽重整和蒸汽生物质气化反应中存在蒸汽(H2O)载气和甲烷(CH4)的情况下气化，以使用从所述内壁辐射然后进入所述多个反应管的超高热通量热能产生包括氢气和一氧化碳气体的反应产物，其中所述高热通量驱动化学反应器的工作温度维持在大于900℃，其中辐射热源为下述各项中的一个或多个：(1)太阳能、(2)燃气蓄热式燃烧器、(3)核能、(4)电热器和(5)上述四项的任意组合，并且其中用于驱动吸热化学反应的能量源来自所述辐射热源，而非通过燃烧生物质自身，并且所述多个反应管以及所述容置器的腔壁主要通过辐射吸收和再辐射而非通过对流或传导向所述化学反应中的所述反应物传递能量，以驱动所述反应管中流动的所述吸热化学反应。
2.根据权利要求1所述的超高热通量化学反应器，其中，所述高热通量驱动化学反应器具有下向通风几何形状，所述多个反应管在垂直方向上位于所述热容置器内部，并且其中所述化学反应器由两组或更多组所述燃气蓄热式燃烧器加热，以及所述热容置器的腔壁相对于所述反应管的辐射驱动几何形状将所述化学反应器的所述多个管定位为偏置且以交错结构定位在所述容置器内部，其中所述腔壁的表面区域大于所述反应管占据的区域，以允许辐射从多个角度到达所述管上的区域，所述容置器腔的所述内壁和所述反应管主要通过辐射交换能量，所述壁和管充当辐射的重发射器，以实现到达所有管的高辐射热通量，因此避免了屏蔽和阻挡所述辐射到达所述管，从而允许所述反应管从所述反应管中的反应区的起始到结尾实现相当均匀的温度轮廓。
3.根据权利要求1所述的超高热通量化学反应器，其中，在等于或大于1000℃壁温的高温下，通过所选的所述反应管壁的材料的辐射传热和所述反应管和腔壁的几何形状实现了100-250kW/m^2的高热通量，其中所述反应管和腔壁的几何形状利用(1)交错且偏置的管、结合(2)相比于包围的管占据的面积而言的大直径腔壁、和另外(3)结合所述多个反应管几何排布彼此之间的管间辐射交换，使入射辐射散发成形，所述几何形状用于经由所述容置器腔内的反射或吸收使入射辐射散发成形。
4.根据权利要求1所述的超高热通量化学反应器，其中所述化学反应器由两组或更多组所述燃气蓄热式燃烧器加热，其中构成所述高热通量化学反应器的所述多个反应管由在大于950℃且高达1600℃的温度下保持结构完整性的材料制成，所述材料包括SiC或包覆石墨，由于反应器中的高工作温度，辐射是所述(炉/容置器)腔壁和所述反应管之间的主要传热方式，并且还存在经由辐射和重吸收的显著管间和管内传热，导致所述反应管温度的高程度周向和轴向均匀性；由此，这一均匀温度轮廓允许在所述管的整个容积内一致地发生化学反应，并且其中沿着所述反应管的所述温度轮廓基本为常量，但是与所述温度变化相比所述热通量经受大梯度；以及
夹带流生物质供料系统，经由至少所述生物质的颗粒大小控制而具有供料灵活性，并且用于所述化学反应的所述能量源来自外部源，而非燃烧生物质自身，其中所述夹带流生物质供料系统将载气中的所述生物质颗粒供应至所述化学反应器。
5.根据权利要求1所述的超高热通量化学反应器，其中所述容置器的内侧壁吸收或高度反射来自沿着所述容置器腔壁定位的所述蓄热式燃烧器所汇聚的能量，以导致通过热辐射和反射的能量传输，从而广泛地将该热通量传达到所述反应管壁内部的所述生物质颗粒；
制成所述容置器腔的所述内壁的材料具有在1100-1600℃之间的高温下保持其结构强度的机械和化学特性，对所述容置器腔而言具有ε＞0.8的非常高的发射率或ε＜0.2的高反射率、以及高热容量(＞200J/kg-K)和低导热性(＜1W/m-K)；
制成所述反应管的材料具有高发射率(ε＞0.8)、高导热性(＞1W/m-K)、中高热容量(＞150J/kg-K)。
6.根据权利要求1所述的超高热通量化学反应器，其中所述蒸汽与所述生物质和所述甲烷发生反应，但是生物质与甲烷彼此不发生反应，并且其中蒸汽(H2O)与碳的摩尔比的范围为1∶1至1∶4，并且温度足够高以使在不存在催化剂的情况下发生所述化学反应。
7.根据权利要求1所述的超高热通量化学反应器，其中，所述甲烷与包含在所述天然气内或作为单独原料馈送的CO2的干重整发生在所述化学反应器中，使得即使一些CO2存在于主要由甲烷构成的所述天然气中，具有高热的所述CO2和CH4也会经由干重整发生反应以产生氢气和一氧化碳。
8.一种具有位于容置器内部的超高热通量化学反应器的集成化工厂，包括：
由散发辐射能的高度反射材料制成的腔，所述容置器包围所述超高热通量化学反应器的多个反应管，所述反应管配置为使包括(1)甲烷、(2)天然气、(3)蒸汽、(4)生物质颗粒、和(5)以上四项的任意组合的化学反应物通过传热辅助，以使用来自所述辐射能的热能导致蒸汽甲烷反应和所述生物质颗粒的气化；
其中所述传热辅助用于加热反应物气体，所述传热辅助是位于各反应管内部的以下各项中的一个或多个：生物质颗粒的流化床或夹带流，化学惰性颗粒的流化床或夹带流，网状多孔陶瓷(RPC)泡沫，陶瓷整料，陶瓷管或气凝胶，包括由耐高温材料构成的拉西环、丝网或线的开放式规整填料环，以及上述的任意组合；
其中辐射是从所述反应管壁到所述传热辅助的主要传热方式，并且传导、对流或这两项的某组合是从所述腔壁和所述反应管的次要传热方式；
设置各个所述反应管的气化反应区的长度和直径尺寸的大小，以在至少900℃的气化温度下、和所述多个反应管中的所述气化区的出口处给出0.01秒至5秒的非常短的停留时间，其中反应产物具有来自所述气化区出口的等于或超过900℃的温度，并且此化学反应器设计中的所述多个反应管增加了用于到所述生物质颗粒的辐射交换以及管间辐射交换的可用反应器表面积，其中所述辐射热源为太阳能、燃气蓄热式燃烧器、核能、电热器及上述各项的任意组合中的一个或多个；以及
其中所述高热通量驱动化学反应器的工作温度维持在高于900℃。
9.根据权利要求8所述的具有超高热通量化学反应器的集成化工厂，还包括：
所述腔的所述内壁通过(1)吸收辐射且重辐射到所述反应管、(2)将所述入射辐射反射到所述管、以及(3)上述各项的任意组合来充当辐射散发器，其中来自(1)所述内壁、(2)直接来自一组蓄热式燃烧器、以及(3)来自充当辐射的重发射器的其它管的外壁的辐射被所述反应管吸收，并且然后热通过传导传递到所述反应管的内壁，其中所述热在900℃至1600℃之间、优选地在1100℃以上的温度辐射到所述反应颗粒和气体；
所述辐射热源是所述燃气蓄热式燃烧器，并且所述燃烧器使用回收废热预热用于所述燃烧器的助燃空气；
其中导致稳定灰形成的分散下降生物质微粒的快速气化在少于5秒的停留时间内在所述反应管中的所述反应区内发生，导致焦油完全改善到低于每标准立方米500毫克、以及至少90％的所述生物质转化成产生所述氢气和一氧化碳产物。
10.根据权利要求8所述的集成化工厂，还包括：
多端口锁式料斗，配置为从单个锁式料斗同时馈送多个供料气体夹带管线，其中所述供料气体夹带管线向所述多个反应管供应生物质颗粒。
干燥单元，在地理上位于与所述超高热通量化学反应器相同的地点，并配置为使所述生物质在高达300℃的温度范围中利用从所述化学反应回收的废热经受部分热解，以使所述生物质(1)易碎且更易研磨、(2)更干、具有更少粘性且更易在输送系统中馈送、(3)作为干燥的生物质在储存中经受更少的变质问题、以及(4)从所述干燥工艺产生废气，并且来自所述生物质的所述干燥的所述废气用于(1)夹带载气、(2)用于蒸汽生成的能量源、或(3)用于所述燃气蓄热式燃烧器的气体中的一个或多个；以及
淬火区，紧接所述化学反应器出口的下游而定位，以经由所述反应产物的至少所述氢气和一氧化碳在离开所述化学反应器的10秒之内快速冷却来立即淬火，从而在800℃或更低的淬火之后实现了低于一水平的温度，以减少所述生物质颗粒的灰残留物的聚结。
11.根据权利要求10所述的集成化工厂，还包括：
具有研磨装置以及所述夹带流生物质供料系统中的一系列多孔过滤器的研磨系统，所述研磨装置是分裂所述生物质的(1)机械切割装置、(2)剪切装置、(3)粉碎装置、以及(4)以上各项的任意组合中的至少一个，其中所述研磨装置和所述多孔过滤器研磨来自所述干燥单元的所述部分热解生物质，以将所述生物质的颗粒大小控制在50um至1000um之间，所述干燥单元向所述研磨系统供应部分热解生物质，并且所述部分热解生物质的干燥降低了所述研磨装置将所述生物质研磨为50um至1000um之间的受控颗粒大小所需的能量；以及
其中所述集成化工厂按照下述方式将所述生物质颗粒转化为所述集成化工厂中的石油，其中来自所述化学反应器的所述氢气和一氧化碳产物在现场甲醇合成工厂中被转化为甲醇，并且来自所述甲醇合成工厂的所述甲醇在甲醇-气体工艺中被转化为汽油。
12.根据权利要求8所述的集成化工厂，还包括：
所述生物质供料系统的供料容器，供应所述化学反应器中的两个或更多个反应管的管子组，其中所述供料容器具有一个或多个出口，所述出口配置为在向所述两个或更多个反应管散发生物质颗粒时的需求信号量的10％内供应一致容积量的生物质颗粒；
计算机化控制系统，向供料系统发送供料需求信号，以基于控制信号和针对所述化学反应器测量的温度来控制以下的量：(1)所述化学反应器中要被馈送生物质颗粒的反应管组、(2)供热的燃气蓄热式燃烧器的量、(3)特定燃气蓄热式燃烧器供热的速率、以及(4)以上各项的任意组合；
夹带载气系统，向所述化学反应器供应用于所述供料系统中的所述生物质颗粒的载气；
包括散料处理流增强器或多孔壁管的流增强器，其在供料系统中通过响应于反馈信号去除通过所述流增强器的所述载气的受控部分而降低所述反应管的气化反应区入口之前的所述载气的速度，来控制进入所述反应管的所述气化反应区的携带所述生物质颗粒的夹带载气的量；以及
现场化学合成反应器，在地理上位于与所述化学反应器相同的地点，并且集成以接收合成气形式的所述氢气和一氧化碳产物，其中所述现场化学合成反应器具有接收包含来自所述化学反应器的所述氢气和一氧化碳产物的所述合成气的输入，并且然后配置为在烃合成工艺中使用所述合成气来产生液体烃燃料或其它化学品。
13.根据权利要求8所述的集成化工厂，还包括：
所述化学反应器的所述反应管中的气化反应区的出口，其中所述多个反应管中的两个或更多个在出口处形成一组，并且该组将它们的反应产物和来自所述生物质气化的未反应颗粒组合为形成所述淬火区的一部分的每组更大管道；
所述更大管道内部的一个或多个喷雾器，将冷却液直接注入反应产物合成气流中，以在0.1-10秒内进行从至少900℃到低于500℃的温度转变，从而防止所述管壁的金属尘化腐蚀；
所述生物质气化工艺中存在或在所述淬火区中初始引入的脱硫剂，减少离开所述淬火区的合成气流中存在的硫的量；以及
一个或多个热颗粒过滤器，从离开所述淬火区的所述合成气流去除微粒，其中所述微粒被送至储灰容器。
14.一种用于集成化工厂的方法，包括：
使用辐射热能在具有多个反应管的超高热通量化学反应器中进行化学反应，以驱动化学反应物的转化，其中在所述反应管中进行的吸热化学反应包括待在该化学反应器中使用所述辐射热能进行的以下各项中的一个或多个：生物质气化、蒸汽甲烷重整、甲烷裂解、干重整反应、产生乙烯的蒸汽甲烷裂解、金属提炼、CO2或H2O分解以及这些反应的各种组合；
将来自所述化学反应的所述产物供应至下游化学合成工厂；以及
使用燃气蓄热式燃烧器向所述化学反应器供应热能；
当所述超高热通量化学反应器处于至少800℃、优选地大于1000℃的最小工作温度时，开始使化学反应物的夹带流进入所述化学反应器。
15.根据权利要求14所述的用于集成化工厂的方法，其中用于所述集成工厂的控制系统向用于所述超高热通量化学反应器的控制系统发送控制信号和从用于所述超高热通量化学反应器的控制系统接收反馈，并且用于所述超高热通量化学反应器的所述控制系统至少指示在所述超高热通量化学反应器中生成的产物的量；
均衡化学反应类型，包括生物质气化反应、蒸汽重整反应、干重整反应和所述化学反应器内的这些反应的各种组合，以将所述生成的合成气维持在基本不含焦油的期望的2.1∶1至2.8∶1的H2与CO摩尔比内，其中具有低于200mg/m^3的焦油，并且在所述生成的合成气中具有体积低于15％的CO2，其中所述反应管和腔壁的高传热率允许所述生物质颗粒在0.01秒至5秒范围之间的非常短的停留时间内实现大量焦油裂解和大于90％的所述生物质颗粒到包括所述氢气和一氧化碳气体的反应产物的气化所需的足够高的温度，其中所述多个反应管的控制被分成两个或更多个组的管子组；以及
主要通过辐射、而非通过对流或传导在所述容置器的所述腔的内壁和所述反应管之间交换能量，从而允许所述反应管实现相当均匀的温度轮廓，即便大体上更低温度生物质颗粒和夹带气体在所述反应区中从第一入口点进入所述反应管并且穿过所述加热的腔以在第二出口点处离开所述反应区。
CN201080067327.0A 2010-06-08 2010-12-08 用于超高热通量化学反应器的各种方法和装置 Expired - Fee Related CN102985195B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/795,947 US9150802B2 (en) 2009-06-09 2010-06-08 Systems and methods for an indirect radiation driven gasifier reactor and receiver configuration
US12/795,947 2010-06-08
US38011610P 2010-09-03 2010-09-03
US61/380,116 2010-09-03
PCT/US2010/059564 WO2011155962A1 (en) 2010-06-08 2010-12-08 Various methods and apparatuses for an ultra-high heat flux chemical reactor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102985195A true CN102985195A (zh) 2013-03-20
CN102985195B CN102985195B (zh) 2016-01-27

Family

ID=45098352

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201080067327.0A Expired - Fee Related CN102985195B (zh) 2010-06-08 2010-12-08 用于超高热通量化学反应器的各种方法和装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9011560B2 (zh)
CN (1) CN102985195B (zh)
AU (1) AU2010355257B2 (zh)
CA (1) CA2799827A1 (zh)
WO (1) WO2011155962A1 (zh)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106461472A (zh) * 2014-10-20 2017-02-22 株式会社电装 状态检测传感器
CN106635174A (zh) * 2016-12-09 2017-05-10 中国科学院广州能源研究所 一种蓄热式高热值合成气的气化装置及基于该装置的气化生产方法
CN107986231A (zh) * 2017-12-06 2018-05-04 中国矿业大学 一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置
CN109443984A (zh) * 2018-09-03 2019-03-08 中国辐射防护研究院 高放废液储罐中氢气产生率的估算方法
CN109985590A (zh) * 2019-04-09 2019-07-09 西安交通大学 一种基于光催化剂自分频的太阳能光热耦合制氢装置
CN110452740A (zh) * 2019-08-21 2019-11-15 青岛科技大学 一种强化双组分固体颗粒混合的快速流化反应系统
CN114653331A (zh) * 2022-04-07 2022-06-24 西安交通大学 一种用于超临界水热合成的一体式混合-反应-冷却装置
CN114845801A (zh) * 2019-12-23 2022-08-02 国际壳牌研究有限公司 电加热反应器、包括所述反应器的炉和使用所述反应器的气体转化方法
CN115093882A (zh) * 2022-06-20 2022-09-23 中国石油大学(华东) 多用途太阳能热化学反应测试系统

Families Citing this family (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011155962A1 (en) 2010-06-08 2011-12-15 Sundrop Fuels, Inc. Various methods and apparatuses for an ultra-high heat flux chemical reactor
US9663363B2 (en) 2009-06-09 2017-05-30 Sundrop Fuels, Inc. Various methods and apparatuses for multi-stage synthesis gas generation
US20100249251A1 (en) 2009-06-09 2010-09-30 Sundrop Fuels, Inc. Systems and methods for cyclic operations in a fuel synthesis process
US9950305B2 (en) 2011-07-26 2018-04-24 Battelle Memorial Institute Solar thermochemical processing system and method
JP6116801B2 (ja) 2012-01-17 2017-04-19 三菱重工業株式会社 ガソリンを製造するシステム又は方法
US20130247448A1 (en) * 2012-03-26 2013-09-26 Sundrop Fuels, Inc. Optimization of torrefaction volatiles for producing liquid fuel from biomass
US9295961B2 (en) * 2012-03-26 2016-03-29 Sundrop Fuels, Inc. Various methods and apparatuses for internally heated radiant tubes in a chemical reactor
WO2013158343A1 (en) * 2012-03-26 2013-10-24 Sundrop Fuels, Inc. Various methods and apparatuses for multi-stage synthesis gas generation
US9416077B2 (en) 2012-09-14 2016-08-16 Sundrop Fuels, Inc. Renewable carbon content in methanol and other products from gasification of biomass
US9175235B2 (en) 2012-11-15 2015-11-03 University Of Georgia Research Foundation, Inc. Torrefaction reduction of coke formation on catalysts used in esterification and cracking of biofuels from pyrolysed lignocellulosic feedstocks
EP2970772B1 (en) 2013-03-15 2018-09-26 All Power Labs, Inc. Hybrid fixed-kinetic bed gasifier for fuel flexible gasification
US9745516B2 (en) * 2013-03-15 2017-08-29 All Power Labs, Inc. Simultaneous pyrolysis and communition for fuel flexible gasification and pyrolysis
US10072224B2 (en) * 2013-06-11 2018-09-11 University Of Florida Research Foundation, Inc. Solar thermochemical reactor and methods of manufacture and use thereof
US10906017B2 (en) * 2013-06-11 2021-02-02 University Of Florida Research Foundation, Inc. Solar thermochemical reactor and methods of manufacture and use thereof
WO2015035084A1 (en) 2013-09-05 2015-03-12 Ag Energy Solutions, Inc. Apparatuses, systems, mobile gasification systems, and methods for gasifying residual biomass
WO2016037070A1 (en) * 2014-09-04 2016-03-10 Ag Energy Solutions, Inc. Apparatuses, systems, tar crackers, and methods for gasifying having at least two modes of operation
DE102015004121A1 (de) * 2015-03-31 2016-10-06 Linde Aktiengesellschaft Ofen mit elektrisch sowie mittels Brennstoff beheizbaren Reaktorrohren zur Dampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzes
FR3043185B1 (fr) * 2015-11-02 2019-07-12 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Methode pour ameliorer l'efficacite thermique d'un four de reformage
DK179589B1 (en) * 2015-12-01 2019-02-21 A J Inventing V/A Jarl Jacobsen Process and apparatus for storing renewable energy as gas
US10364398B2 (en) * 2016-08-30 2019-07-30 Thermochem Recovery International, Inc. Method of producing product gas from multiple carbonaceous feedstock streams mixed with a reduced-pressure mixing gas
FR3055328B1 (fr) * 2016-08-30 2021-04-30 Air Liquide Procede de production de gaz de synthese mettant en œuvre une unite de reformage du methane a la vapeur
US10273415B2 (en) 2017-04-07 2019-04-30 Sundrop Fuels, Inc. Flexible options for utilizing naphtha from a low temperature Fischer-Tropsch process in a plant converting biomass to syncrude or transportation fuels
WO2018187741A1 (en) 2017-04-07 2018-10-11 Sundrop Fuels, Inc. Multi-purpose application of the second stage of a 2-stage bio-reforming reactor system for reforming bio-syngas natural gas and process recycle streams
US10273422B2 (en) 2017-04-07 2019-04-30 Sundrop Fuels, Inc. Integrated biofuels process configurations, employing a 2-stage bio-reforming reactor system, in which renewable carbon content of gasoline and diesel are optimized for value
WO2018200797A1 (en) 2017-04-27 2018-11-01 Sundrop Fuels, Inc. First stage process configurations in a 2-stage bioreforming reactor system
CN111629994A (zh) 2017-11-16 2020-09-04 索科普哈应用研究产品商业化公司基因科学Sec 通过蒸汽甲烷重整合成氢气的集成式太阳能微反应器
EP3790842B1 (de) * 2018-05-07 2023-08-30 Synhelion SA Solarer receiver-reaktor
US11358111B2 (en) 2019-03-20 2022-06-14 Battelle Memorial Institute, Pacific Northwest National Laboratories Reactor assemblies and methods of performing reactions
AU2019294262B2 (en) 2018-06-29 2021-11-18 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Electrically heated reactor and a process for gas conversions using said reactor
MX2021015797A (es) 2019-07-04 2022-04-27 Incitec Fertilizers Pty Ltd Fertilizante mejorado.
CN110734788B (zh) * 2019-10-21 2020-09-15 山东理工大学 一种高品质燃气制取系统
CN112745961B (zh) * 2019-10-31 2021-08-06 中国石油化工股份有限公司 一种立式微波加热生物质气化反应器
AR124832A1 (es) * 2021-02-10 2023-05-10 Shell Int Research Un aparato calentado eléctricamente
US11572329B1 (en) * 2021-11-22 2023-02-07 King Fahd University Of Petroleum And Minerals System and method for methanol production using energy mix systems
CN114289420B (zh) * 2022-02-21 2023-09-01 常州二维碳素科技股份有限公司 一种cvd生长石墨烯粉体中进气管内壁积碳去除方法
US11827859B1 (en) 2022-05-03 2023-11-28 NuPhY, Inc. Biomass gasifier system with rotating distribution manifold
IT202200009257A1 (it) * 2022-05-05 2023-11-05 Eni Spa Reattore a fascio tubiero e processo per ossidoriduzione ad alta temperatura
CN114647959B (zh) * 2022-05-24 2022-08-12 中国飞机强度研究所 飞机测试中试验件热流密度分布计算模型构建方法及应用

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3613508A1 (de) * 1986-04-22 1987-10-29 Krupp Koppers Gmbh Einrichtung zur vergasung feinzerteilter, insbesondere fester brennstoffe unter erhoehtem druck
CN1239014A (zh) * 1998-06-03 1999-12-22 普拉塞尔技术有限公司 带有陶瓷膜的合成气体反应器
WO2003076334A1 (en) * 2002-03-07 2003-09-18 The Regents Of The University Of Colorado Solar-thermal fluid-wall reaction processing
US20040219079A1 (en) * 2003-01-22 2004-11-04 Hagen David L Trifluid reactor
CN1901988A (zh) * 2003-12-31 2007-01-24 康宁股份有限公司 具有整装催化剂的多管式反应器
US20080025884A1 (en) * 2002-08-15 2008-01-31 Tonkovich Anna L Integrated combustion reactors and methods of conducting simultaneous endothermic and exothermic reactions
US20080086946A1 (en) * 2006-08-29 2008-04-17 Weimer Alan W Rapid solar-thermal conversion of biomass to syngas
US20080222955A1 (en) * 2007-03-15 2008-09-18 Jancker Steffen Gasification reactor vessel

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2237491A (en) 1938-09-20 1941-04-08 William H Kutz Shaker screen
US7491861B2 (en) 2002-07-31 2009-02-17 Studsvik, Inc. In-drum pyrolysis
US7033570B2 (en) * 2000-05-08 2006-04-25 Regents Of The University Of Colorado Solar-thermal fluid-wall reaction processing
US7553476B2 (en) 2003-09-29 2009-06-30 Praxair Technology, Inc. Process stream condensate recycle method for a steam reformer
US7449158B2 (en) 2003-10-01 2008-11-11 Intevep, S.A. Apparatus and gasification of carbonaceous solid materials
US7632476B2 (en) 2006-03-09 2009-12-15 Praxair Technology, Inc. Method of recovering carbon dioxide from a synthesis gas stream
US7871457B2 (en) 2006-04-03 2011-01-18 Praxair Technology, Inc. Carbon dioxide production method
US7686856B2 (en) 2006-06-19 2010-03-30 Praxair Technology, Inc. Method and apparatus for producing synthesis gas
US7856829B2 (en) 2006-12-15 2010-12-28 Praxair Technology, Inc. Electrical power generation method
US7881825B2 (en) 2007-03-28 2011-02-01 Praxair Technology, Inc. Production control utilizing real time optimization
US8366796B2 (en) 2007-07-09 2013-02-05 Range Fuels, Inc. Modular and distributed methods and systems to convert biomass to syngas
US7985399B2 (en) 2008-03-27 2011-07-26 Praxair Technology, Inc. Hydrogen production method and facility
US7931888B2 (en) 2008-09-22 2011-04-26 Praxair Technology, Inc. Hydrogen production method
US7919070B2 (en) 2008-12-02 2011-04-05 Range Fuels, Inc. Multi-zone reforming methods and apparatus for conversion of devolatilized biomass to syngas
US8007761B2 (en) 2008-12-24 2011-08-30 Praxair Technology, Inc. Carbon dioxide emission reduction method
US20100273899A1 (en) 2009-04-22 2010-10-28 Range Fuels, Inc. Integrated, high-efficiency processes for biomass conversion to synthesis gas
US9663363B2 (en) 2009-06-09 2017-05-30 Sundrop Fuels, Inc. Various methods and apparatuses for multi-stage synthesis gas generation
US20100249251A1 (en) 2009-06-09 2010-09-30 Sundrop Fuels, Inc. Systems and methods for cyclic operations in a fuel synthesis process
US8814961B2 (en) 2009-06-09 2014-08-26 Sundrop Fuels, Inc. Various methods and apparatuses for a radiant-heat driven chemical reactor
WO2011155962A1 (en) 2010-06-08 2011-12-15 Sundrop Fuels, Inc. Various methods and apparatuses for an ultra-high heat flux chemical reactor
US20110107663A1 (en) 2009-11-12 2011-05-12 Range Fuels, Inc. Process for producing renewable gasoline, and fuel compositions produced therefrom
US8288594B2 (en) 2009-11-24 2012-10-16 Albemarle Corporation Selective process for conversion of syngas to ethanol
US20110155958A1 (en) 2009-12-31 2011-06-30 Range Fuels, Inc. Methods and apparatus for drying and gasification of biomass
US8543234B2 (en) 2010-06-07 2013-09-24 Fei Gao Method and software system for treatment planning and surgical guide CAD/CAM

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3613508A1 (de) * 1986-04-22 1987-10-29 Krupp Koppers Gmbh Einrichtung zur vergasung feinzerteilter, insbesondere fester brennstoffe unter erhoehtem druck
CN1239014A (zh) * 1998-06-03 1999-12-22 普拉塞尔技术有限公司 带有陶瓷膜的合成气体反应器
WO2003076334A1 (en) * 2002-03-07 2003-09-18 The Regents Of The University Of Colorado Solar-thermal fluid-wall reaction processing
US20080025884A1 (en) * 2002-08-15 2008-01-31 Tonkovich Anna L Integrated combustion reactors and methods of conducting simultaneous endothermic and exothermic reactions
US20040219079A1 (en) * 2003-01-22 2004-11-04 Hagen David L Trifluid reactor
CN1901988A (zh) * 2003-12-31 2007-01-24 康宁股份有限公司 具有整装催化剂的多管式反应器
US20080086946A1 (en) * 2006-08-29 2008-04-17 Weimer Alan W Rapid solar-thermal conversion of biomass to syngas
US20080222955A1 (en) * 2007-03-15 2008-09-18 Jancker Steffen Gasification reactor vessel
CN101675146A (zh) * 2007-03-15 2010-03-17 国际壳牌研究有限公司 具有内部多管壁和数个燃烧器的气化反应容器

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106461472B (zh) * 2014-10-20 2018-10-02 株式会社电装 状态检测传感器
CN106461472A (zh) * 2014-10-20 2017-02-22 株式会社电装 状态检测传感器
CN106635174A (zh) * 2016-12-09 2017-05-10 中国科学院广州能源研究所 一种蓄热式高热值合成气的气化装置及基于该装置的气化生产方法
CN107986231A (zh) * 2017-12-06 2018-05-04 中国矿业大学 一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置
CN107986231B (zh) * 2017-12-06 2020-10-02 中国矿业大学 一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置
CN109443984B (zh) * 2018-09-03 2021-03-26 中国辐射防护研究院 高放废液储罐中氢气产生率的估算方法
CN109443984A (zh) * 2018-09-03 2019-03-08 中国辐射防护研究院 高放废液储罐中氢气产生率的估算方法
CN109985590A (zh) * 2019-04-09 2019-07-09 西安交通大学 一种基于光催化剂自分频的太阳能光热耦合制氢装置
CN110452740A (zh) * 2019-08-21 2019-11-15 青岛科技大学 一种强化双组分固体颗粒混合的快速流化反应系统
CN114845801A (zh) * 2019-12-23 2022-08-02 国际壳牌研究有限公司 电加热反应器、包括所述反应器的炉和使用所述反应器的气体转化方法
CN114653331A (zh) * 2022-04-07 2022-06-24 西安交通大学 一种用于超临界水热合成的一体式混合-反应-冷却装置
CN114653331B (zh) * 2022-04-07 2022-11-25 西安交通大学 一种用于超临界水热合成的一体式混合-反应-冷却装置
CN115093882A (zh) * 2022-06-20 2022-09-23 中国石油大学(华东) 多用途太阳能热化学反应测试系统

Also Published As

Publication number Publication date
AU2010355257B2 (en) 2015-11-05
CN102985195B (zh) 2016-01-27
AU2010355257A1 (en) 2013-01-24
US20120145965A1 (en) 2012-06-14
WO2011155962A1 (en) 2011-12-15
CA2799827A1 (en) 2011-12-15
US9011560B2 (en) 2015-04-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102985195B (zh) 用于超高热通量化学反应器的各种方法和装置
US8821599B2 (en) Systems and methods for biomass gasifier reactor and receiver configuration
US8814961B2 (en) Various methods and apparatuses for a radiant-heat driven chemical reactor
US9295961B2 (en) Various methods and apparatuses for internally heated radiant tubes in a chemical reactor
US8673035B2 (en) Solar-thermal reaction processing
US20120181483A1 (en) Various methods and apparatuses for multi-stage synthesis gas generation
CN104203809A (zh) 用于多段式合成气发生的多种方法和装置
EP3008153B1 (en) Apparatus for endothermic reactions
CN102046280B (zh) 使用流化床将原材料流转化成产物流的方法以及用在该方法中的设备
JP6412261B2 (ja) バイオマスのガス化装置
CN101998931B (zh) 在作为输送流化床形式循环导引的颗粒状传热介质上制备氰化氢的方法
CN106276903B (zh) 一种制备富氢气体和电石的系统及方法
WO2003076334A1 (en) Solar-thermal fluid-wall reaction processing

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20160127