CN103221104B - 用于生产替代性石油化学原料的生物质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于将生物质重组和转化为替代性石油化学原料的系统和方法。根据一种实施方式，一种方法涉及降低生物质原料中至少一种组分的颗粒尺寸，从生物质原料中去除至少一种组分并且添加至少一种组分到生物质原料中。

Description

用于生产替代性石油化学原料的生物质

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年5月7日提交的名称为“LIGNOCELLULOSICANDCELLULOSICBIOMASSESFORTHEPRODUCTIONOFBIOFUELS(用于生产生物燃料的木质纤维素和纤维素生物质)”的美国临时申请No.61/332,449的权益，其全部内容在此通过引用而被明确地引入本文。

技术领域

本发明关注于用于将生物质(biomasses)转化为替代性石油化学原料的系统和方法。更特别地，本发明关注于将生物质重组(recomposition)和转化为替代性石油化学原料。

背景技术

木质纤维素生物质通常指由纤维素、半纤维素和木质素组成的植物生物质。碳水化合物聚合物(纤维素和半纤维素)与木质素紧密地结合。典型地，木质纤维素生物质可被分为四个主要的类别：(1)农业残渣(包括玉米秸和甘蔗渣)；(2)专用能量作物；(3)木材残渣(包括锯木厂和造纸厂废弃物)和(4)城市废纸。木质纤维素生物质可被用作可持续能源并可作为化石燃料的一种有价值的替代物。

PCT公开文本WO2009064204涉及一种用于处理原料形式的木质纤维素生物质的方法，涉及高压水热处理系统和处理有机或废物材料的方法。该方法包括加压部分、处理部分和输出部分。在操作中，加压部分对原料物料加压，处理部分加热和处理加压后的原料并且然后冷却所得到的产品流。输出部分在卸载产品之前使产品流减压。

PCT公开文本WO2009028969涉及一种用于分离源自植物材料的高等级木质素聚合物的方法以及用于从植物材料分离木质素的方法。该公开文本也涉及分离的木质素和其它源自这些材料的提取产物。

PCT公开文本WO2007129921涉及一种在乙醇、天然木质素、木糖和其它联产品的生产中有效率地且成本有效地使用植物生物质的集成方法。

发明内容

在此公开了将生物质重组和转化为替代性石油化学原料的改进的系统和方法。

在此公开了将生物质重组和转化为替代性石油化学原料的系统和方法。根据一种实施方式，一种方法涉及降低生物质原料中至少一种组分的颗粒尺寸，从生物质原料中去除至少一种组分并且添加至少一种组分到生物质原料中。

本发明前述的和其它的目标、特征和益处通过本文公开的示例性实施方式的以下详细描述而变得更加明显。

附图说明

下面的附图构成了本说明书的一部分，并被包含以进一步显示本发明的某些方面。通过参考一个或多个附图并结合文中对特定实施方式的详细描述，可以更好地理解公开的内容。本公开的实施方式仅通过参照附图举例的方式被描述，其中：

图1表示了根据一种实施方式的用于从生物质中去除木质素的示例性系统；

图2表示了根据一种实施方式的用于将生物质转化为替代性石油化学原料的示例性方法；

图3表示了根据另一种实施方式的用于将生物质转化为替代性石油化学原料的示例性方法；并且

图4表示了根据一种实施方式的用于将生物质转化为替代性石油化学原料的示例性方法的流程图。

具体实施方式

应当理解，为了说明的简化和清楚，当认为合适时，附图标记在附图中可被重复以指代相应或类似的元件。另外，大量的特定细节被阐明以提供对在本文描述的示例性实施方式的彻底理解。不过，对于本领域技术人员而言可理解的是，在此描述的示例性实施方式可以在没有这些特定细节的情况下实施。在其它情况下，方法、程序和组成部分没有进行详细的描述，以便不会模糊在此描述的实施方式。

A.含水生物质浆料的重组和产生

典型地，纤维素生物质，如干物质原料、海草、藻类、木材颗粒和其它纤维素材料，如果使其静置的话则具有分离的倾向。纤维素生物质的分离可导致产生两相体系，包括在硬物质相顶部的水相。粗生物质原料的分离阻止了该原料被泵送和处理成替代性石油化学原料。

在一种用于生物质重组的示例性方法中，粗生物质材料可被重组为含水生物质浆料。含水生物质浆料可包含粗生物质材料。粗生物质材料可包括但不限于，诸如木质纤维素生物质、纤维素生物质、壳多糖、植物物质、植物废料、藻类和/或任何其它生物物质或其组合的组分，其可被转化为替代性石油化学原料，如原油、烃或粗(green)化学品，例如用于生产塑料。

粗生物质材料可被重组为预定尺寸的生物质颗粒，以限制重组的生物质材料的分离。重组的生物质材料可被用在用于转化为替代性石油化学原料如原油、烃或粗化学品(例如用于塑料生产)的原料中。颗粒尺寸的最佳变化可通过磨粉装置(如交互旋转研磨)或锤磨装置(如立式研磨以粉碎粗生物质材料)研磨粗生物质材料来实现。这种碾磨可导致每个降低/碾磨阶段5％的颗粒尺寸的变化。在一种示例性的实施方式中，所得的粗生物质材料由尺寸从约1□m到约2mm变化的生物质颗粒构成。

除了粗生物质材料之外，含水生物质浆料还可包含一种或多种添加剂材料。添加剂材料可与粗生物质材料混合以实现最佳颗粒尺寸变化。添加剂材料可包括但不限于诸如水、壳多糖、岩石、砂、水泥、藻类、植物废料、润湿剂如含水溶液、木质素提取溶液(如在此公开的那些)、影响生物燃料收率的催化剂及其组合的组分。颗粒尺寸的最佳变化可通过如本文公开的磨粉装置或锤磨装置研磨添加剂材料而实现。含水生物质浆料可包含尺寸小于添加剂颗粒的生物质颗粒。相反，含水生物质浆料可包含尺寸小于生物质颗粒的添加剂颗粒。

可以考虑的是，润湿剂可被加入到粗生物质材料以影响后续热处理过程中替代性石油化学原料的收率或生物质的转化。润湿剂还可含有催化剂，包括但不限于碳酸钠、氢氧化钠、碳酸钙或其它钙盐。催化剂可单独地或与润湿剂一起加入以影响后续热处理过程中替代性石油化学原料的收率或生物质的转化。

还可以考虑的是，生物质材料或添加剂材料如藻类可与粗生物质材料(例如去除木质素后的纤维素生物质材料)组合以形成含水生物质浆料。在一种示例性实施方式中，相对于形成含水生物质浆料的其它组分(如纤维素生物质材料)，含水生物质浆料中藻类含量为约3到约10％重量。藻类可在与粗生物质材料组合形成含水生物质浆料之前在预处理步骤中被浓缩。在一种示例性实施方式中，藻类细胞壁的蛋白质结构可借助于热来改变或降解以释放在其中包封的水。在将藻类加入到粗生物质材料形成含水生物质浆料之前，水可通过倾析或其它措施去除以提高藻类的浓度。

在用于生物质重组的另一种示例性方法中，粗生物质材料为木质纤维素生物质材料。木质素从木质纤维素生物质材料中去除以形成纤维素生物质材料。纤维素生物质材料可如下重组：通过与添加剂材料组合和/或研磨(grinding)/碾磨(milling)以改变纤维素生物质材料和/或添加剂材料的颗粒尺寸，以形成含水生物质浆料。重组可在本文公开的木质素去除过程之前或木质素去除过程之后实现。

B.木质素去除

在其中木质纤维素生物质材料被用于形成含水生物质浆料的示例性实施方式中，在木质素去除之前，碾磨过程可被用于研磨和粉碎木质纤维素生物质材料。在碾磨过程之后，木质素组分被去除以产生纤维素生物质材料。纤维素生物质材料可被单独使用以形成含水生物质浆料或者纤维素生物质材料可与一种或多种添加剂材料组合以形成含水生物质浆料。

在一种用于从木质纤维素生物质材料中去除木质素的示例性方法中，木质纤维素生物质材料被泵入具有逆流的木质素提取溶液的提取塔中，所述木质素提取溶液包含短链极性烃，包括但不限于甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇或丙酮。水可被加入到木质素提取溶液中或者该溶液可不含水。另外地，其它任何能从木质纤维素生物质材料中去除木质素的极性烃也可被加入到木质素提取溶液中以提取木质素。木质纤维素生物质材料在提取塔中与逆流木质素提取溶液在约150℃到210℃的温度和从约10巴到24巴的压力下连续地接触。提取塔可以是螺旋式接触提取塔，并且木质纤维素生物质材料可通过使用杯状和圆锥状压力塞或供料螺旋而供料和排放。可选地，提取塔也可包含简单系列的球阀。可使木质素提取溶液与木质纤维素生物质材料流逆流流动，以将生物质材料连续地暴露于新鲜的木质素提取溶液。

进入塔的木质素提取溶液可被压力泵送以保持其中的操作压力并提供液力驱动以逆着通过木质纤维素生物质材料流。来自塔内部的木质素提取溶液可通过外部加热器如蒸汽加热器连续地再循环，以保持提取溶液的温度。操作条件如在提取塔内的时间、温度分布(profile)和压力可被优化以提供最大化的将水不溶性木质素从木质纤维素生物质材料中的去除。当木质纤维素生物质材料从塔中排出并暴露于较低压力时，一部分的木质素提取溶液可蒸发，导致了当下的纤维素生物质材料(木质素被去除)的冷却。然而，在木质素去除之后，一部分的木质素提取溶液可保持在纤维素生物质材料中。该木质素提取溶液可在后续的处理步骤如汽提步骤中与纤维素生物质分离。

图1示出了根据一种实施方式的用于从生物质中去除木质素的一种示例性系统。通过使用木质素提取溶液以及结合了一系列低阻塞完全流通球阀、闸式阀或刀阀的立式塔80，可实现木质素从木质纤维素生物质材料的去除。在一种示例性的实施方式中，所述阀等间距布置。木质素提取溶液可包含水或短链极性烃，包括但不限于甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇或丙酮。

木质纤维素生物质材料优选具有比木质素提取溶液更高的比重。这既可以通过制备木质纤维素生物质材料具有更大的比重也可以通过制备木质素提取溶液具有更低的比重来实现。木质纤维素生物质材料典型地被引入立式塔80的顶部，并且所述这些阀依序布置以实现向下通过木质素提取溶液的逐步顺序运动。优选地，木质素提取溶液通过泵入到塔80的底部而被引入。这种运动通过打开立式塔80中每隔一个阀(最高和最低阀除外)来实现。该动作可导致一系列的双倍尺寸的室，其允许木质纤维素生物质材料通过打开的阀空间下降到达立式塔80中每个双室的下端。

木质素提取溶液通过木质纤维素生物质的运动而被移动，并且木质素提取溶液运动到每个双室的上端，通常穿过下落的木质纤维素生物质材料。在合并周期(可以为例如10分钟)之后，打开的阀关闭，每隔一个阀打开以产生新系列的双室，并且重复该过程。木质纤维素生物质材料和木质素提取溶液之间的逆向流动导致在塔80的顶部产生具有高浓度木质素的木质素提取溶液，以及在塔80的底部的清洁的(cleansed)纤维素生物质材料。在这个木质素去除过程之后，立式塔80中最低的阀可被打开以沉积纤维素生物质材料，而塔80中空出的空间可被木质素提取溶液填充。同样地，顶部阀可被打开以收集提取的木质素。顶部空出的空间可被新鲜的木质纤维素生物质材料填充以用于木质素去除。

来自塔顶部的产品可通过第一分离装置81如沉降槽进一步分离。在一种示例性实施方式中，木质素浆料在分离装置81中沉淀，并且木质素提取溶液和木质素浆料从分离装置81中去除。

如果需要，可在第二分离装置82中从来自塔80底部的清洁的纤维素生物质材料中去除杂质或其它材料。该第二分离装置可以是蒸馏塔、汽提器或其它用于净化或分离材料的装置。在一种示例性实施方式中，水、污垢和/或木质素提取溶液在第二分离装置82中被从清洁的纤维素生物质材料中去除。经净化的纤维素生物质材料可被用作在此公开的用于生产替代性石油化学原料的系统和方法中的原料，所述替代性石油化学原料包括但不限于原油、烃和/或粗化学品，例如用于塑料生产。

C.将生物质转化为替代性石油化学原料

图2表示了一种用于将生物质转化为替代性石油化学原料的示例性方法。重组的粗生物质材料以及任选的一种或多种添加剂材料被用于形成如本文公开的含水生物质浆料。含水生物质浆料7被用作用于将生物质转化为替代性石油化学原料的水热处理系统1中的原料。系统1允许高压(大约100巴或更高)、高温处理含水生物质浆料7，以产生替代性石油化学原料。含水生物质浆料7可包含粗生物质材料(如纤维素生物质材料、藻类)和/或一种或多种添加剂材料，如本文所公开的。

系统1包括加压部分2、处理部分3和输出部分4。加压部分2加压要处理的含水生物质浆料7；处理部分3加热和处理含水生物质浆料7，然后冷却所得到的粗产品流；并且输出部分4减压和输出产品流。

加压部分2包括通过管道连接到第一泵11的进料罐10，在该管道上设置有止逆阀13。第一泵包括柱塞12，其在缸内上下运动并被任何合适的设施驱动。不过，如果使用另选形式的泵，则柱塞可用其它如本领域技术人员已知的合适的泵送设施来替代。

第一泵11被配置成从进料罐10汲取含水生物质浆料7，并提供初始的低加压。例如，含水生物质浆料7可通过柱塞12的运动产生真空而被从进料罐10汲取。这导致含水生物质浆料7从进料罐10通过管道和止逆阀13移动到第一泵11。止逆阀13阻止含水生物质浆料回到进料罐10。

加压部分2还可包括添加剂罐14，适合于容纳添加剂14a。添加剂罐连接有添加剂泵15，其通过连接添加剂罐14到第一泵11的管道来泵送一种或多种添加剂14a到第一泵11。这在第一泵11内产生了包含粗生物质材料和添加剂材料14a的可泵送的含水生物质浆料7。

第一阀16位于连接第一泵11和连接第二泵17形式的加压设施的管道上。第一阀16可被关闭以允许第一泵11在第一泵11内部混合含水生物质浆料7和添加剂15a，并且所述阀可被打开以允许含水生物质浆料7被从第一泵11通过管道泵送到第二泵17。

第二泵17为高压泵，其包括气缸形式的泵室，在其内部设置有第二浮式活塞或柱塞18。第二柱塞18能沿气缸以常规方式前后滑动。如果使用另选形式的泵，所述柱塞可用其它如本领域技术人员已知的泵送设施取代。

第二泵17被配置为对含水生物质浆料7加压。特别地，泵17被配置成使得柱塞18的一侧适于与已经独立地由与第二泵17连接的常规的独立泵送系统加压的纯流体如纯水接触。柱塞18的另一侧适于与含水生物质浆料7和任选的与之组合的添加剂材料15a接触。

第一阀16位于连接第一泵11和连接第二泵17形式的加压设施的管道上。第一阀16可被关闭以允许第一泵11在第一泵11内部混合含水生物质浆料7和添加剂14a，并且所述阀可被打开以允许含水生物质浆料7被从第一泵11通过管道泵送到第二泵17。

第二泵17为高压泵，其包括气缸形式的泵室，在其内部设置有第二浮式活塞或柱塞18。第二柱塞18能沿气缸以常规方式前后滑动。如果使用另选形式的泵，所述柱塞可用其它如本领域技术人员已知的泵送设施取代。

第二泵17被配置为对含水生物质浆料7加压。特别地，泵17被配置成使得柱塞18的一侧适于与已经独立地由与第二泵连接的常规的独立泵送系统(未示出)加压的纯流体如纯水接触。柱塞18的另一侧适于与保持在气缸或泵室内的含水生物质浆料7接触。

系统1如下运行：通过打开第一阀16和开动第一泵11，泵送含水生物质浆料7进入第二泵17的气缸。当含水生物质浆料7进入第二泵17，第二柱塞18被引发沿气缸运动，并推动纯流体经打开的释放阀从气缸的另一端排出并且进入贮罐。

第二泵17还连接第二阀19。在含水生物质浆料7被第一泵11泵入第二泵17后，第一和第二阀16和19被关闭。

保持在第二泵17内的纯流体然后被独立的泵(未示出)加压。这引起柱塞18通过推动含水生物质浆料7传递流体的压力，从而以间接的方式对含水生物质浆料7加压。然后第二阀19可被打开以允许加压的含水生物质浆料7从第二泵17移动到处理部分3。第一和第二阀16、19，第一和第二泵11、17，以及第一和第二柱塞12、18，均形成了加压部分2的一部分。尽管在此已经针对具有带浮式柱塞的气缸的泵描述了间接加压，但也可替代使用其它形式的泵，正如本领域技术人员可理解的。

通过沿着管道的一部分或者在其它合适的位置包括加热设施(未示出)，可使系统1适合于允许含水生物质浆料7在加压部分被适度预热，正如本领域技术人员所显见的。

处理部分3包括用于将加压的含水生物质浆料7加热到超临界温度的处理设施。典型地，含水生物质浆料7被加热到约250℃到约400℃的温度。不过可以想见，系统1也可用于处理在此范围之外的温度下的含水生物质浆料原料7。

尽管考虑含水生物质浆料7在加压部分2中被加压，但含水生物质浆料7也可另选地或者附加地在处理部分3中加压或者进一步加压。

仍然参照附图2，处理部分3可包括处理容器20，其包括第一级21和第二级22，以及第一端30和与第一端大致相对的第二端31。开口位于或接近于压力容器的第一端30，并连接到第二阀19的出口。

压力容器的第一级21是具有第一端27的第一管，所述第一端27与该开口连接形成压力容器20的进口28。第一管或级21同心地位于形成压力容器20的套管的第二管或级22内。在第一管21的外围表面和第二管22的内表面之间提供空间26(优选为环形空间)。该空间限定了处理容器20内的第二级22，并通向出口24。

第一管21比处理容器20短，并包括在处理容器20的第二端31之前终止的远端32。在第一管21的远端32和处理容器20的第二端31之间提供了空间。该空间形成了反应区或反应室23，在该处，加压的高温含水生物质浆料7反应形成替代性石油化学原料的粗产品流。进口28、第一级21、反应区23、第二级22和出口24形成流体路径，含水生物质浆料7和随后的粗产品流沿着该路径流经压力容器20。

处理容器20的每一端30、31均被密封，除了进入容器20的进口28和离开容器的出口24处。这种布置允许处理容器20被用作其中在容器内保持相同压力的压力容器。第一和第二管21、22二者的内和外表面均为传热表面。

含水生物质浆料7通过进口28进入第一级。含水生物质浆料7移动或被泵送通过由第一级21限定的流体流动路径，并且在到达反应区23之前被加热，在该反应区处，含水生物质浆料7被加热设施25进一步加热到希望的温度，这引起含水生物质浆料7反应并形成替代性石油化学原料的粗产品流。

加热设施25被配置成在反应室23中加热加压的含水生物质浆料7到250℃和400℃之间。加热设施25可以是元件的形式或其它合适的加热设施的形式。加热设施25可被直接插入反应室23中以加热含水生物质浆料7，或者可使其适应于位于反应室23外部以加热位于或接近于反应室23的位置处的处理容器20的壁。

加热设施25可在反应室23中通过辐射、对流、传导、电磁辐射，包括微波和超声波辐射，或这些加热方法的任意组合或通过类似的加热方法来加热加压的含水生物质浆料7。加热设施也可包括使用共生布置中的燃气轮机废气。

粗产品流和任何未反应的含水生物质浆料7然后沿着由第二级22限定的流体流动路径移动，在其中，在从处理部分3通过出口24被排放之前，粗产品流被冷却到环境温度或者接近环境温度，优选为80℃或者低于80℃。

实际上，第一和第二管21、22形成逆流换热器，其中第一管21由高导热性材料制成，如薄壁金属管，以确保高传热系数。另外，改善传热的翅片或其它表面部件可被引入到处理容器20、管21、22或反应室23的传热表面上或中。

压力容器20的出口24位于处理容器20的外周上，靠近进口28。不过，在某些实施方式中，取决于该容器的内部布置，出口24可位于处理容器上的其它合适位置处，这对本领域技术人员而言是显而易见的。

在一种形式中，处理容器20的体积为第二泵17的活塞排量体积的至少六倍。此体积差使得含水生物质浆料7能在泵17开动时在间歇阶段中移动通过处理容器。也就是说，泵17的一个循环将引起含水生物质浆料7的单次负荷(charge)移动经过处理容器20的路径的六分之一，由此允许含水生物质浆料7在处理容器20内更长的停留时间。通过允许更长的停留时间，含水生物质浆料7能被容易地加热到希望的温度，并被赋予足够的时间以在处理容器20内经历希望的反应以产生替代性石油化学原料，包括但不限于原油、烃、粗化学品和/或水。

如上所述，处理容器20的第一和第二管21、22优选是同心的，其中第一管21位于第二管22内并在其间限定了环形空间26。不过，可以想到的是，处理容器20的第一和第二级21、22可以具有不同的形状和布置，这对于本领域技术人员是显而易见的。例如，处理容器20可包括具有进口和出口的室和位于其间的逆流换热系统。这种布置允许输入的含水生物质浆料7被加热设施25或被流出的已被加热的含水生物质浆料7加热。类似地，流出的含水生物质浆料7被输入的含水生物质浆料7冷却，并与加热设施25分离或隔开。

处理容器20可具有其它合适的布置，由此使含水生物质浆料7在被加热和随后冷却时可被保持在压力下。

现在参见系统1的输出部分4，出口24通过管道将处理容器20连接到输出部分4。排出的替代性石油化学原料的粗产品流沿着此管道移动到输出部分4。

输出部分4任选地包括用于从粗产品流分离出气体的高压气体分离器40。当使用气体分离器时，处理容器20的出口24与高压气体分离器40的进口连接，这可以是已知类型的，以使得粗产品流从处理容器20通过管道移动到气体分离器40。任何在处理容器20中形成或夹带并保持在含水生物质浆料7内的气体能够通过与气体分离器40连接的放气(purge)阀48从气体分离器40被清除而离开系统1。

输出部分4还包括第三阀41，所述第三阀41与处理容器20的出口24相连，或者与气体分离器40的出口42相连，如果气体分离器40被包含在系统1中的话。第三阀41还与第三泵44相连。

第三泵44为高压泵，其既起到减压设施又起到排出泵的作用。特别地，第三泵44可包括气缸形式的泵室，在其内部设置有第三浮式柱塞45。柱塞45的一侧与进入第三泵44的粗产品流接触。柱塞45的另一侧与连接第三泵44的独立的常规泵送系统(未示出)加压输出的纯流体如水接触。当粗产品流通过打开的第三阀41进入气缸时，柱塞45挤压气缸另一端的纯流体，并且该流体通过气缸纯流体端的打开的释放阀被挤出而进入储器(未示出)中。

第三阀41被控制以与加压部分2中的第一阀16在同一时间打开。这使得通过第一阀16允许离开处理部分3的产品的负荷与进入处理部分3的含水生物质浆料7的负荷在同一时间进行，而处理部分3中的压力水平没有显著的变化。释放阀用于自动保持第三泵44内的压力处于与处理部分3中的压力大致相同，并且通过在第二泵将含水生物质浆料7的负荷传送到处理部分3时通过第二泵17的泵作用产生。当新的含水生物质浆料7的负荷的传送完成并且最新的产品的负荷的传送完成时，第二阀19和第三阀41二者均被关闭。继续第三柱塞45的进一步的打开运动。这引起气缸的含水生物质浆料7的容量增加，由此使含水生物质浆料7减压。优选地，粗产品流被减压到环境水平或接近环境水平。

任何溶于粗产品流并且未在气体分离级中被清除的气体然后可通过第四阀47排出，所述第四阀47与第三泵44连接并且也可用于使粗产品流减压。

第三泵44还与出口阀46形式的第五阀连接。这允许减压的粗产品流通过第三泵44的作用而通过出口阀46泵出，所述出口阀46是打开的以允许粗产品流从系统1中排出。

由于粗产品流处于环境压力或接近环境压力，因此出口阀46经受的磨损较少，并且因而比粗产品流在高压下通过出口阀46排放的情况更可靠。

通常，在第三阀41被关闭之后但在出口阀46被打开之前，第四阀47帮助降低第三泵44中的粗产品流的压力，使得当出口阀46打开时避免快速磨损。

在此公开的用于将生物质转化为替代性石油化学原料的系统和方法可与任何合适的泵送系统一起使用，这对于本领域技术人员是显而易见的。但是，在此公开的泵送系统的优选形式是独特的，因为通过使用间接加压设施，所述泵适于加压或减压原料(如含水生物质浆料7)或粗产品流，由此泵或各种泵部件不会暴露于腐蚀性工艺流体中。

使用这种形式的泵送系统的一个特别的优势是，阀和间接泵的敏感组成部件与清洁的流体或水接触而不与腐蚀性的工艺流体接触。因而，泵的组成部件很少有可能被原材料和含水生物质浆料7内的化学品(其可能是粘性的、腐蚀性的、脏的或者具有能够损害阀和泵的组成部件的特性)阻塞和磨损。通过使纯流体如纯水加压，相对于现有技术已知的直接加压方法，在此公开的间接泵送方法可以更精确地使工艺流体加压和减压。所述泵可以可靠地操作以便更精确地升高和降低工艺流体的压力，因为具有已知性能的工作流体被用于使工艺流体减压。

尽管纯水形式的纯流体优选作为工作流体，但可以想到其它合适的流体(即使不纯，但相对清洁的流体)也可以代替使用。

重要的是要指出，当粗产品通过产品出口24离开处理容器20时，粗产品流的温度已被降低到环境温度或接近环境温度，优选低于80℃，更优选低于50℃。输出部分4中的第三泵44和阀41、46和47因而能够在接近环境温度下操作，具有下述优势：组件增强的性能、组件上的低磨损、以及延长的设备寿命。结果，所述设备、阀、泵组件和其它工艺材料可由于高密封性和泵送可靠性而被选择。实际上，在系统1中压力被具有相关阀的第二泵17升高的区域以及在系统1中压力被降到环境水平的区域不用为了提供良好的密封性能而使用高效的材料和组件，从而没有将这些材料和组件置于高温下带来的效率上的风险。所述阀和泵可以是能够耐受高压和腐蚀性化学品的任何规格的，无需还耐受高温。因此，系统1在高处理温度区域中不需要使用耐热性阀。

其中温度被分别升高和降低的处理设施的第一和第二级21、22以及反应区23被保持在恒压下，并且可由能应付这些高温的合适的材料和组件制成，而无需使用可移动的密封件，而所述密封件是需要改变压力且易受高温侵害的。

系统1可用于从含水生物质浆料移除污染物，或者系统1可用于生产产品如替代性石油化学原料，包括烃、原油、水和/或粗化学品，其适于用作燃料或其它工艺如塑料生产工艺的原料。因而，该产品流可以包含在处理部分3中产生的希望的产品，或者该产品流可以是没有或具有较低水平污染物的材料。通过改变工艺流体的pH值的能力而有利地应对了腐蚀。优选地，约7到约9的pH值被用于所有的工艺流体。通过对本领域技术人员显见的溶剂提取、蒸馏、沉降、膜过滤、离心处理、离子交换、干燥、蒸发、真空蒸馏/分离或其它任何合适的分离方法或分离方法的组合，替代性石油化学原料可在附加的处理步骤中分离(例如分离成有用的烃馏分)以形成一种或多种产品子流。

图3示出了根据另一实施方式的用于将生物质转化为替代性石油化学原料的示例性方法。该方法包括：制备阶段50、处理阶段51和分离阶段52。制备阶段50可接受要处理的原材料55并将其形成为含水生物质浆料53，如针对图1所描述的。处理阶段51将含水生物质浆料53加压和加热到预定的最佳温度和压力以将含水生物质浆料53转化为粗产品流54，所述粗产品流54以受控的方式被冷却和减压。粗产品流54可以是替代性石油化学原料，包括但不限于原油、烃、粗化学品和/或水。分离阶段52从粗产品流54中分离气体。

在一种示例性实施方式中，来自添加剂罐64的一种或多种添加剂64a可在制备阶段50通过添加剂泵59加入到原材料55中以形成含水生物质浆料53。

处理阶段51将含水生物质浆料53加压和加热到预定的最佳温度和压力，以在含水生物质浆料53中引起反应。通过在处理阶段将含水生物质浆料53加热和加压而产生粗产品54。该处理阶段可包括加压部分56、处理部分57和输出部分58。加压部分56使含水生物质浆料53加压。处理部分57加热加压的含水生物质浆料53并冷却得到的粗产品流54。输出部分58减压并输出粗产品54。粗产品54可以在受控方式下被冷却和减压。粗产品54可包含在处理部分57中生产的希望的产品，或者可以是不含或具有低水平的要去除的污染物的材料。

在分离阶段52中，气体可与粗产品54分离。排出的粗产品流54经过产品分离器以被分离成一种或多种产品子流60、61和62。这可通过对本领域技术人员显见的溶剂提取、蒸馏、沉降、膜过滤、离心处理、离子交换、干燥、蒸发、真空蒸馏/分离或其它任何合适的分离方法或方法的组合来实现。

在一种示例性实施方式中，生产包括烃油富集流的产品子流60、61、62。烃油富集流可被用于代替原油或类似的产品，用于生产诸如柴油、航空燃料、润滑油、汽油或类似产品的材料。

该方法可用于从含水生物质浆料中去除污染物，或者该方法可用于生产产品，如适于用作燃料的包括烃或原油的产品。因而，产品流54可含有在处理阶段中生产的希望的产品或者该产品流可以是不含或具有低水平污染物的材料。

图4示出了用于将生物质转化为替代性石油化学原料的示例性方法的流程图。该方法是一种连续的方法(与分批方法相对)并且可包括下述步骤：

i.由原材料制备含水生物质浆料；

ii.任选地，将添加剂材料引入到含水生物质浆料中；

iii.将含水生物质浆料加压到100巴至350巴；

iv.将加压的含水生物质浆料传送到处理设施，所述处理设施优选为处理容器的形式；

v.在处理容器内将加压的含水生物质浆料的温度升高到250℃至400℃，以形成加压的粗产品流；

vi.冷却粗产品流到环境温度或接近环境温度；

vii.任选地，使用气体分离器从粗产品流中分离气体；并且

viii.在从系统排出产品流之前使粗产品流减压。

在步骤A中，将原材料形成为含水生物质浆料。在该方法中使用的原材料可以是任何有机的或污染的材料如去褐煤化(de-lignitised)的木料、生物质、藻类或干洗煤泥(drycleaningsludge)。很多原材料将要求一些机械/热或化学处理以将它们破碎为如本文公开的可泵送的形式，而其它材料则仅需要加入水。用于破碎原材料的方法可包括研磨、切碎、碾碎、液化、加热、化学、热分解或其它降解方法中的一种或多种。例如，如果干洗煤泥用作原材料，则该煤泥通过加入30％至50％的水而形成含水生物质浆料。如果使用氰化物废料作为原材料，通常不需要额外的水。如果使用藻类作为原材料，则50％至98％的水被留在藻类中以产生含水生物质浆料。其它材料如去褐煤化的木料可能需要被机械破碎，有时需要一些水来进行。一种或多种添加剂可被加入到原材料中以形成含水生物质浆料。含水生物质浆料然后被传送到进料罐。

在步骤B中，预定体积的含水生物质浆料从进料罐中取出，并且任选地在同时一种或多种添加剂可被加入到含水生物质浆料中。所述一种或多种添加剂可以是有助于处理含水生物质浆料的催化剂或反应物。使用的该一种或多种添加剂可包括酸和碱。不过可以想到的是，氧化和还原剂也可以被使用。在其它具体实施方式中，每种添加剂可选自碳酸盐、氢氧化物、碳酸氢盐和类似的碱。尽管已经发现，某些处理的材料无法从任何使用的添加剂获益，但它们通常被限制到当该方法用于去污染物目的时。因此，一种或多种添加剂向含水生物质浆料中的添加是该方法中的一个任选步骤。含水生物质浆料被传送到加压阶段。

在步骤C中，含水生物质浆料在一泵内被预加压到约9巴，进一步用第二泵加压到希望的100巴至350巴的处理压力，优选通过使用如本文公开的间接加压设施来进行。

一旦含水生物质浆料处于希望的压力，则开始步骤D。含水生物质浆料通过从粗产品流传递的热量预热。

在步骤E中，含水生物质浆料被泵送到反应室中，并且其温度被加热设施调节到250℃至400℃的希望的处理温度。含水生物质浆料经历反应以形成替代性石油化学原料的粗产品流。

在步骤F中，高压粗产品流被进入的含水生物质浆料冷却。附加的冷却也可通过使用换热器发生，如果使用气体分离器，则换热器位于处理容器和分离塔之间；或者，如果未使用气体分离器，则换热器位于处理容器和第三阀之间。这种冷却的高压粗产品流优选处于环境温度或接近环境温度，这将不会损害该方法中的阀。例如，粗产品流可被冷却到处于或者低于80℃或约50℃的温度(不过这取决于使用的阀的类型)。冷却的粗产品流通过出口排出处理容器，并被泵送到第三泵，或者泵送到气体分离器(如果该系统包括气体分离器的话)。在另外的实施方式中，任选的步骤G包括在气体分离器中对冷却的高压粗产品流脱气以去除任何不溶于该流中的气体的附加步骤。气体的溶解性随温度和压力变化。因而，通过冷却高压粗产品流，一些气体可从该产品中出来。形成的气体通过气体分离器上的放气阀或类似物清除。

在步骤H中，内部的冷却的高压粗产品流用泵或其它方法减压。减压的产品流从该系统过程排放。在一种示例性实施方式中，排放的粗产品流可通过产品分离器被分离为一种或多种产品子流。这可通过对本领域技术人员显见的溶剂提取、蒸馏、沉降、膜过滤、离心处理、离子交换、干燥、蒸发、真空蒸馏/分离或其它任何合适的分离方法或方法的组合来实现。该方法可被用于生产替代性石油化学原料形式的产品子流，包括烃油富集流，其可被用于代替原油或类似的产品，用于生产诸如柴油、航空燃料、润滑油、汽油或类似产品的材料。

应当指出的是，尽管以顺序的方式描述，但这些步骤可以被再排序。

已经发现，停留时间影响在替代性石油化学原料的粗产品流中实现的油的收率和/或去污染水平。在某些实施方式中，在含水生物质浆料的负荷之间的最小时间为约20秒。在其它实施方式中，含水生物质浆料的最小处理时间和/或停留时间可大于20秒。

尽管该方法考虑使用具有柱塞的泵，但可另外考虑的是，每个泵可以是本领域技术人员已知的任何合适的泵或流体传送设施，如容积式泵，或者一侧连接到已知类型的高压泵的浮式柱塞，或其它能起相同作用的机械设施。例如，可以有超过一个的柱塞，并且这些柱塞中的每一个可被顺序使用以产生通过系统的接近连续的小负荷系列。

还可考虑的是，处理容器可以具有不同的长度以适应所使用的特定原材料并且适应处理容器中的希望的停留时间和该方法的希望的结果。例如，在一种实施方式中，该方法可包括六个或更多个处理容器。这些处理容器中的每一个可配备有与各个进口串联的额外进口阀，以允许顺序加载具有催化剂的含水生物质浆料。

实施例

下面的实施例被包括以用于说明本发明的示例性实施方式。不过，本领域技术人员根据本发明公开的内容应当能够理解，在不背离本发明精神或范围的情况下，在所公开的特定实施方式中可以进行很多变化并且仍然获得相同或相似的结果。下面的实施例并非意在限制本发明的范围并且它们不应被如此解释。

实施例1

木质纤维素混合物的制备和木质素的提取

含水木质纤维素生物质浆料可在被处理成替代性石油化学原料之前产生，这通过使柳树碎片经受具有交互旋转研磨的低级(lower)磨机装置或者锤磨装置来进行。柳树碎片被磨碎到大约1mm至大约20mm的颗粒尺寸。尺寸通过显微分析来确定。柳树碎片用水或木质素去除溶液润湿，并使其经历木质素去除过程，由此，含水生物质浆料被置入木质素去除塔的顶部。所述木质素去除塔具有一系列的等距间隔的阀。这些阀按顺序排列以实现向下经过木质素去除塔的逐步顺序运动。类似地，木质素去除溶液被泵入塔的底部。这些阀的排序导致木质素去除溶液的上升和含水生物质浆料的下降同时发生。该运动通过打开除最高和最低阀之外的每隔一个阀来实现，以产生双室，这允许含水生物质浆料通过打开的阀空间下降到每个双室的下端。类似地，木质素去除溶液(如90％的甲醇水溶液)通过下落的含水生物质浆料向上移动到每个双室的上端。每组阀打开10分钟，然后关闭，同时交替组的阀被打开。在经过塔之后，含水生物质浆料被清除木质素并且形成含水纤维素生物质浆料。

实施例2

将含水纤维素生物质浆料转化为替代性石油化学原料

由木质素去除产生的含水纤维素生物质浆料被再磨碎为约2μm至约2mm的颗粒尺寸。含水纤维素生物质浆料在去除木质素之后更容易被磨碎。塔用6摩尔的碳酸钠水溶液重建或重组以形成可泵送的含水纤维素生物质浆料。含水纤维素生物质浆料被加热或处理到320℃的温度和160巴或更高的压力，加载时间为1500秒。形成粗产品流并产出至少2％的具有轻质低粘度特性的流性原油。

上文已经描述了关于用于将生物质重组或转化为替代性石油化学原料的改进系统和方法的示例性实施方式。本领域技术人员可对公开的示例性实施方式进行各种变化和改变。在本发明的精神内的主题在下面的权利要求中体现。

Claims (8)

1.一种用于重组粗木质纤维素生物质材料以形成生物质原料并且将该原料转化为替代性石油化学原料的方法，该方法包括：

降低含有木质素的粗生物质材料的颗粒尺寸以产生生物质原料；

使生物质原料与木质素提取溶液接触以去除木质素的至少一部分并且产生纤维素生物质产品；

降低纤维素生物质产品的颗粒尺寸；

使纤维素生物质产品悬浮在水溶液中以产生含水生物质浆料；

处理该含水生物质浆料以产生替代性石油化学原料。

2.如权利要求1的方法，其中该方法是连续的。

3.如权利要求1的方法，其中粗生物质材料的颗粒尺寸被降低到约2mm至约20mm的颗粒尺寸范围。

4.如权利要求1的方法，其中纤维素生物质产品的颗粒尺寸被降低到约2μm至约2mm的颗粒尺寸范围。

5.如权利要求1的方法，其中木质素提取溶液包含水并且包含以下物质的任意之一：甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇和丙酮。

6.如权利要求1的方法，其中使生物质原料与木质素提取溶液接触包括使生物质原料与木质素提取溶液在促进生物质原料与木质素提取溶液之间的逆流流动的塔中接触。

7.如权利要求1的方法，其中处理该含水生物质浆料以产生替代性石油化学原料的操作包括：

加压和加热含水生物质浆料以产生替代性石油化学原料；

冷却替代性石油化学原料到环境温度；

使替代性石油化学原料减压；并且

回收替代性石油化学原料的至少一种组分。

8.如权利要求7的方法，其中替代性石油化学原料包含至少一种选自原油、烃、粗化学品和水的组分。