CN103717712A - 基于液体的生物量到液体反应器的高压馈送系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了将基于植物的增压生物量浆料传递到反应器容器中的方法。所述方法允许以增压至大约300psi的浆料传递实际尺寸的生物量块。

Description

基于液体的生物量到液体反应器的高压馈送系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年7月26递交的序列号为61/511,952的美国临时专利申请的权益，该申请的全部内容通过引用合并于本文中。

技术领域

本公开一般涉及将生物量传递到反应器容器以生成液化燃料产品的方法。特别地，本公开涉及将增压的生物量浆料传递到高压、高温反应器容器以生成能够被转换成生物燃料的生物油产品的方法。

背景技术

生物量提供了潜在地可再生的燃料源，补充或替代了石油、煤和天然气。生物量典型地包括大量的纤维素，通常是通过木素结合在一起。纤维素和木素能够经由热化学转换工艺转换成生物燃料。

已知有许多用于将生物量和液体的浆料转换成液态燃料的工艺。这些工艺可包括热液热解，随后是氢加工，超临界气化或液化，随后是费-托或其它合成，通过酸或碱催化的高温水解，随后是发酵或催化重整，以及溶剂液化，随后是氢加工。

在这些工艺当中，溶剂液化是在适当的压力和温度下进行的。例如，早期的努力涉及到使氢气处于高温下进行氢化作用以将含有木素的生物量转换成液态燃料。更近期的努力涉及溶剂液化工艺，典型地在高温（例如，至少200℃）和高压（例如，至少200psi）下进行。溶剂液化工艺典型地采用氢供体溶剂以减少生物量的氧含量，这依次会增加生物量的用作可燃性燃料的能量含量。液化生成了液态产品，其通常仍具有超过精炼混合原料所需的规格的氧含量。因此，液态产品通常将经过氢加工的附加步骤以转换成可用的精炼混合原料产品。

生物量通常是以各种尺寸被收获和输送的。对于在高压和/或高温下执行的这些已知工艺中的许多工艺，首先需要减小生物量的物理尺寸。本领域已知的减小生物量尺寸的方法包括刨削、研磨、击碎、截短和铣削。

减小生物量尺寸有助于改善质量传递或化学反应运动（反应）速度，但是需要重要的设备和能量输入，这会超出益处。一般地，生物量尺寸规格是当更多尺寸减小的增量成本等于更快反应结果的增量益处使被优化的折衷。然而，在高压反应的情况下，馈送系统经常是指定所要求的尺寸减小。

当前，在商业级别上利用常规设备将更多实际尺寸的生物量块馈送到高压、高温反应器容器中是昂贵的且低能效的。螺塞装置、高压旋转馈送器以及旋转星型馈送器可用于将生物量和液体的浆料馈送到反应器容器中；然而，由于机械密封限制，馈送装置在工业/商业使用上的限制是大约150-200psi。可以使用诸如挤出器的其它类型的设备，但是这些设备尚未在高吞吐量情况下用于生物量，具有相对高的资本，并且具有相对高的电力需求。尽管锁定装料斗设计在技术上可行，但是它们不支持连续操作，这与批量操作相比给予了按比例放大反应的商业优势。而且，锁定装料斗设计存在与保持密封件清洁和无反应材料有关的重大问题。还可以使用往复式泵，但是需要具有极精细颗粒尺寸的材料，使得这种类型的设备在商业上将生物量转换成液态燃料时不具有吸引力。

本领域所需要的是能量效率高、可靠且连续地将实际尺寸的生物量馈送到高压、高温反应器中的商业上可使用的方法。还需要的是能够改变进入反应器的生物量与液体的比率的商业上可使用的方法。特别地，期望一种将增压的生物量浆料馈送到高压、高温反应器容器中而无需研磨生物量的方法。一旦增压的生物量浆料馈送到反应器容器中，则生物量能够被转换成气态、液态燃料，和/或可用于生产燃料或化学品的生物油产品。

发明概述

本公开通过提供用于将增压的生物量浆料传递到高压、高温反应器容器中的方法解决了该需要。本文所公开的方法使得可以由实际尺寸的纤维素或木质纤维生物量块生产生物油产品。

在一个示例性实施例中，通过提供基于植物的生物量，基于植物的生物量浆料被传递到反应器容器中，其中所述生物量由离散块构成，其中至少20%的离散块具有至少大约1/8英寸的最大尺寸；将传输流体与生物量组合以形成预反应浆料，其中所述预反应浆料具有流体与生物量第一重量比；将所述预反应浆料增压至大约300psi以上的压力；从预反应器容器中的增压预反应浆料中去除传输流体的至少部分以形成具有流体与生物量第二重量比的增压浓缩浆料，其中流体与生物量第一重量比大于流体与生物量第二重量比；将来自反应器容器的反应流体与增压浓缩浆料组合以形成增压反应浆料；以及将增压反应浆料从预反应器容器传递到反应器容器中，其中所述增压反应浆料被接收到处于大约300psi以上的压力的反应器容器中。

在另一示例性实施例中，通过提供基于植物的生物量，将基于植物的生物量浆料传递到反应器容器中，其中生物量由离散块构成，其中至少20%的离散块具有至少大约1/8英寸的最大尺寸；将传输流体与生物量组合以形成预反应浆料，其中所述预反应浆料具有流体与生物量第一重量比；将预反应浆料增压至大约300psi以上的压力；从增压预反应浆料中去除传输流体的至少部分以形成具有流体与生物量第二重量比的增压浓缩浆料，其中第一重量比大于第二重量比；将反应流体与增压浓缩浆料组合以形成增压反应浆料；以及将增压反应浆料传递到反应器容器中，其中反应浆料被接收到处于大约300psi以上的压力的反应器容器中。

附图说明

能够结合附图参考下面的说明，能够理解本申请，其中相似的部件可由相似的标记指代：

图1示出了用于将增压生物量浆料传递到高压、高温反应器容器中的示例性过程；

图2示出了用于将实际尺寸的木质生物量块的增压浆料传递到高压、高温反应器容器中的两反应器系统，其中溶剂液化将生物量转换成生物油产品；以及

图3示出了用于将实际尺寸的木质生物量块的增压浆料传递到高压、高温反应器容器中的单反应器系统，其中超临界水或其它流体将生物量液化或气化成合成气或中间油，并且其中虚线表示可选步骤。

发明详述

下面的说明阐述了多个示例性的构造、过程、参数等。然而，应当理解的是，这些描述不旨在限制本发明的范围，而是提供作为示例性实施方案的描述。

下面的说明涉及用于将增压生物量浆料传递到高压、高温反应器容器中的方法。该方法能够处理未经物理预处理（例如，通过研磨或制浆）的生物量块，并且馈送到反应器容器中的浆料具有至少300psi以上的压力。

参考图1，过程100是描绘了将具有实际尺寸的生物量传递到反应器容器中的示例性实施方案，其中生物量转换成能够用于生产生物燃料的生物油产品。在步骤102中，未经分类的木屑与大量的富含碳氢化合物的传输流体组合以形成预反应浆料。该预反应浆料具有高的流体与生物量比，流体显著地多于生物量，以允许浆料通过增压泵，如步骤104中所描绘的。在该步骤中，泵将该预反应浆料增压至高压，该高压对应于反应器容器内的压力。在步骤106中，随后将该增压后的预反应浆料传递到预反应器容器中。在步骤108中，从增压的预反应浆料中去除一些传输流体，降低该增压的预反应浆料的流体与生物量比。

步骤108通过提供热分解而有助于系统的效率。由于运送相对大的木屑通过增压泵需要高的流体与生物量比，所以需要非常大量的能量来将该浆料加热至反应器容器中所需的高温。通过从预反应浆料中去除一些传输流体，需要较少的能量来加热传递到反应器容器中的浆料。

为了将增压预反应浆料的温度升高至反应器容器内的高的反应温度，在步骤110中，预反应器容器内的增压浓缩浆料与来自反应器容器的被加热至高的反应温度的反应流体组合，以形成增压反应浆料。在步骤112中，增压反应浆料被传递到反应器容器中。在步骤114中，反应浆料经过高压、高温反应而生成生物油产品。

然而，值得注意的是，在过程100中可以省略或添加一个或多个步骤。例如，在本文所描述的过程的其它实施方案中，可以省略涉及到将增压预反应浆料传递到预反应器容器中的步骤106。增压预反应浆料可以直接传递到反应器容器。在本文所描述的过程的其它实施方案中，附加的步骤可包括添加管道以调节所传递的浆料的液体与生物量比。

如本文所使用的，术语“大约”是指所陈述的值在可接受范围内的近似。优选地，该范围为所陈述值的+/-10%。

基于植物的生物量

a）类型

在步骤102中使用的生物量可以为任何基于植物的材料。生物量典型地由氧含量相对高的有机化合物构成，诸如碳水化合物，并且还可以包含各种各样的其它有机化合物。在一个实施方案中，基于植物的生物量由木素和/或纤维素构成。基于植物的生物量可包含干重基础上的至少大约10%的木素。可选地，基于植物的生物量可包含半纤维素、植物油（例如，萜）等等。

本领域技术人员将理解可以使用不同类型的基于植物的生物量。例如，可以使用木材或木材副产品，以及诸如柳枝稷、麦秆、玉米秸秆、甘蔗渣等来源。木材残渣可以单独地或者与其它生物量原料相结合使用。木质原料趋于有高的木素含量。诸如柳枝稷、草坪修剪物或干草的草类原料可以单独地或者与其它生物量原料相结合使用。草类原料趋于含有大量的纤维素和较低的木素比。还可以使用诸如来自木浆产品的固体残渣的部分经处理的原料。还应当理解的是，可以使用本文所描述的不同类型的生物量的混合物。

b）尺寸

在步骤102中使用的生物量由离散块构成。生物量典型地由具有不规则形状的离散块构成，但是本文所使用的生物量还可以具有规则的形状。

当前，现有的用于将增压的纤维生物量浆料传递到高压反应器容器中的方法要求通过机械方法将生物量粉碎以提供更精细的颗粒。在本领域已知的这些现有方法中，甚至原料中存在几块相对大的生物量块都会导致传递问题。本文所描述的方法解决了该局限性。

本文所描述的方法允许将包含实际尺寸的生物量块的增压浆料传递到反应器容器中。在一个实施方案中，至少20%的生物量离散块具有至少大约1/8英寸的最大尺寸。在另外的实施方案中，至少50%的生物量离散块具有至少大约1/8英寸的最大尺寸。在其它的实施方案中，至少75%的生物量离散块具有至少大约1/8英寸的最大尺寸。在其它的实施方案中，至少90%的生物量离散块具有至少大约1/8英寸的最大尺寸。

在另一实施方案中，至少20%的生物量离散块具有至少大约3/8英寸的最大尺寸。在另外的实施方案中，至少50%的生物量离散块具有至少大约3/8英寸的最大尺寸。在另外的实施方案中，至少75%的生物量离散块具有至少大约3/8英寸的最大尺寸。在其它的实施方案中，至少90%的生物量离散块具有至少大约3/8英寸的最大尺寸。

在另一实施方案中，至少20%的生物量离散块具有至少大约1英寸的最大尺寸。在另外的实施方案中，至少50%的生物量离散块具有至少大约1英寸的最大尺寸。在另外的实施方案中，至少75%的生物量离散块具有至少大约1英寸的最大尺寸。在其它的实施方案中，至少90%的生物量离散块具有至少大约1英寸的最大尺寸。

然而，应当理解的是，仍可通过切削、研磨、撕碎、割断和碾磨将在本文所描述的方法中使用的一些离散生物量块粉碎成较小的块。

传输流体

a）类型

在步骤102中使用的传输流体可以为用于形成能够被泵送和传输而通过系统的生物量浆料的任何类型的流体。典型地，基于传输流体的用于在处理条件下转换生物量的属性来选择传输流体。适当的传输流体包括例如水、极性溶剂、非极性溶剂、其它碳氢化合物以及从生物量浆料的转换得到的再循环流体。在一些应用中，还可以使用在反应器条件超临界的流体。

在一些实施方案中，传输流体可以包括水、轻循环油、再循环生物油、稀酸、稀基或其任意组合。在一个实施方案中，传输流体为水。在另一实施方案中，传输流体为轻循环油、再循环生物油或其组合。在一个实施方案中，轻循环油是轻催化裂化馏出物。在另一实施方案中，再循环生物油是来自生物量的溶剂液化的产物。在一些实施方案中，传输流体是稀酸或稀基。在一个实施方案中，稀酸是硫酸或醋酸。在另一实施方案中，稀基是氢氧化钠或氨。在又一实施方案中，传输流体是反应条件下的超临界流体。

b）储存

传输流体被保存在缓冲罐中，缓冲罐馈给泵，泵对浆料进行增压。储存在缓冲罐中的传输流体的最大温度可取决于增压泵所能够处理的最大温度。例如，如果泵仅能够处理100℃的最大温度，则储存在缓冲罐中的与生物量组合的传输流体将具有100℃的最大温度。

预反应浆料

如步骤102中所描绘的，当生物量与传输流体组合时，形成预反应浆料。该预反应浆料具有流体与生物量第一重量比。“流体与生物量”比率是测量单位，其表示在包含固体和液体的浆料中固体的相对量。如本文所使用的，该流体与生物量比率是所传递的传输流体的重量与所传递的生物量原料的重量之比。然而，应当理解的是，在本文所描述的方法中使用的生物量的流体与生物量比率可表达为流体与生物量的体积比，即，所传递的传输流体的体积与所传递的生物量原料的体积之比。

本领域技术人员将理解的是，传递到高压、高温反应器容器中的浆料的流体与生物量比率将影响系统的总体效率。需要具有高的流体与生物量比率的浆料以使浆料通过增压泵从而避免泵堵塞。然而，与具有较低流体与生物量比率的浆料相比，，具有高的流体与生物量比率的浆料需要更多能量以将每单位生物量输入加热至高反应温度。

因此，当传递通过泵以对浆料进行增压时，步骤104采用具有高的流体与生物量比率的浆料。在一个实施方案中，预反应浆料的流体与生物量的重量比（即，第一重量比）为至少8份流体比1份生物量。在另一实施方案中，预反应浆料的流体与生物量的重量比为至少7份流体比1份生物量。在又一实施方案中，预反应浆料的流体与生物量的重量比为至少6份流体比1份生物量。在又一实施方案中，预反应浆料的流体与生物量的重量比至少6.5份流体比1份生物量。在又一实施方案中，预反应浆料的流体与生物量的重量比为至少6份流体比1份生物量。在又一实施方案中，预反应浆料的流体与生物量的重量比为至少5.5份流体比1份生物量。

为提高过程100的总效率，一旦浆料被增压，在步骤108中减小流体与生物量比。该增压浓缩浆料可以更高能效的方式被加热至高反应温度。在一个实施方案中，增压浓缩浆料的流体与生物量的重量比（即，第二重量比）在大约1.5-5份流体比1份生物量之间。在又一实施方案中，增压浓缩浆料的流体与生物量的重量比小于5份流体比1份生物量。在又一实施方案中，增压浓缩浆料的流体与生物量的重量比小于4份流体比1份生物量。在又一实施方案中，增压浓缩浆料的流体与生物量的重量比小于3份流体比1份生物量。在又一实施方案中，增压浓缩浆料的流体与生物量的重量比小于2.5份流体比1份生物量。在又一实施方案中，增压浓缩浆料的流体与生物量的重量比小于2份流体比1份生物量。

去除的流体可以在过程100中再循环，并且返回到缓冲罐。在一些实施方案中，去除的流体具有高温和高压。在一些实施方案中，去除的流体具有大约100-200℃之间的温度，以及大约600psi的压力。在再次进入缓冲罐之前，经由换热器除热，并且经由减压阀来减压。流体返回到处于大气压的缓冲罐。在一些实施方案中，返回到缓冲罐的流体具有大约100℃的温度。

增压泵

在步骤104中可以使用本领域已知的移动原料浆料的任何泵。在一些实施方案中，使用开式叶轮泵。其它适合的增压泵包括例如螺杆泵、罗茨泵、正弦转子泵、柔性叶轮泵以及柔性罐（蠕动）泵。

在步骤104中可以使用任意数量和任意布置的泵。泵的数量和布置取决于反应器容器内所需要达到的压力。例如，如果使用开式叶轮泵，则本领域技术人员将理解到，每个开式叶轮泵将浆料的压力增加了大约50-100psi。随着增压浆料通过每个后继的泵或泵阶段而到达该系列中的下一个，浆料的压力增量地增加。因此，在本文所描述的方法中所采用的开式叶轮泵的数量取决于所选择的反应压力。通过实施例的方式，如果反应器容器内的最终压力为大约300psi，则利用串联布置中的3-6个开式叶轮泵将浆料被增压至大约300psi。另一方面，如果使用螺杆泵或蠕动泵，则一个泵能够用于达到所期望的高压（例如，大约3200psi）。

在一些实施方案中，预反应浆料可被增压至300psi和大约4000psi之间的压力。在其它实施方案中，预反应浆料可被增压至300psi和大约3200psi之间的压力。在其它实施方案中，预反应浆料可被增压至300psi和大约1500psi之间的压力。在其它实施方案中，预反应浆料被增压至1500psi和大约3200psi之间的压力。在其它实施方案中，预反应浆料被增压至大约300psi和大约700psi之间的压力。在另一实施方案中，预反应浆料可被增压至300psi和大约600psi之间的压力。在又一实施方案中，预反应浆料可被增压至450psi和大约600psi之间的压力。

一旦预反应浆料被增压，浆料在过程100的其余步骤中保持增压。然而，应当理解的是，可能存在与浆料到反应器的运动有关的压降。在一些实施方案中，反应浆料被接收到处于300psi和1600psi之间的压力的反应器容器中。在其它实施方案中，反应浆料被接收到处于300psi和700psi之间的压力的反应器容器中。在其它的实施方案中，在400psi和600psi之间的压力下接收反应浆料。

预反应器容器

在步骤106中预反应器容器能够处理至少与反应器容器相同的压力，如果不是更高的压力。在一些实施方案中，使用竖直的栓塞流容器。其它适合的构造将浆料从预反应器的输入传输到输出，并且还将保持进入流体的温度与更高的出口温度分离。

预反应器容器给予了本文所描述的方法多方面优点。其中一个这样的优点是，预反应器容器为系统提供了热分解，这提高了系统的热能效。如上文所讨论的，通过允许传输流体的部分返回到处于与反应温度相比较低温度的缓冲罐，将木屑浆料加热至反应温度整体地使用较少的能量。

预反应器容器内的增压预反应浆料可具有大约100℃和200℃之间的温度。预反应器容器内的增压预反应浆料可具有300psi和大约700psi之间的压力。在另一实施方案中，预反应器容器内的增压预反应浆料可具有300psi和大约600psi之间的压力。在又一实施方案中，预反应器容器内的增压预反应浆料可具有450psi和大约600psi之间的压力。

然而，在一些实施方案中，本文所描述的过程不包括预反应器容器。相反，可以采用分离器以在浆料相对较冷的同时从增压浆料中去除过量的液体，随后在传递到反应器容器中之前更高温度的反应流体能够被添加到增压浓缩浆料中。通过重力和/或压力差来去除过量的液体。还可以将分离器倾斜以增强液体益处。本领域技术人员将认识到，可以采用适用于分离器的构造。例如，分离器可以为具有侧开口的管，侧开口包含筛网。分离器还可以为管内的整体式筛网，其在筛网和管之间形成环形区域。分离器还可以被构造为避免筛网的堵塞。分离器的使用为系统提供了热分解，这提高了系统的热能效。

反应器容器

步骤114中的反应器容器可以为适合于能够将基于植物的生物量转换成生物油产品的过程的任何反应器容器，可用于本文所描述的方法中。在一些实施方案中，使用竖直的降流移动床管状反应器。气体适合类型的反应器类型可包括例如升流移动床、连续搅拌式反应器以及沸腾床反应器。

反应器容器包括至少适合于本文所描述的压力和温度的反应容器。应当理解的是，压力和温度可取决于容器内的反应的类型。典型地，反应器容器将适合于大约200psi和4000psi之间的工作压力，以及适合于高达大约400℃至600℃的工作温度。在一些实施方案中，反应器容器适合于300psi和1500psi之间的工作压力，以及高达大约450℃至500℃的工作温度。在其它实施方案中，反应器容器适合于300psi和800psi之间的工作压力，以及高达大约420℃的工作温度。

另外地，反应器容器可任选地包括位于反应容器上或反应容器中以允许添加反应流体（例如，溶剂）到反应容器中的入口，以及从反应容器中去除产物的至少一个出口。还可选地包括溶剂输送子系统。还包括加热子系统。本领域技术人员将理解，可通过本领域已知的任意方法来加热反应器容器。例如，加热子系统可包括再循环环和/或换热器。

反应器容器可被构造以用于流通操作，从而允许通过顶部移除来排出气态产物和蒸汽，并且来自反应过程的液体和固体（浆料）向下流动。蒸馏塔能够用于将反应器产物连续地分离成所需的小部分，包括在需要时用作再循环蒸汽的适合沸腾范围的一小部分。

可选地，反应器容器还可以包括从粗制反应产物中去除不可溶原料的过滤器或其它物理分离子系统，以及能够分离经过滤的原料的部分以提供包括生物油产品的小部分的再循环蒸汽的热或化学分离子系统。

还可以设置废物处理子系统以从反应中去除废弃的固体或气体。反应器容器能够任选地进一步包括捕获生物油流出物的子系统。可选地，同样，系统可以包括用于收集在反应过程中生成的气体的出口。这些通过过滤从粗制产品中去除的气体和/或固体或作为未经转换的生物量的任何残留物，能够被捕获以及使用（例如，燃烧）以为反应过程提供热。还能够包括另外的处理子系统，诸如氢加工系统或附加的提取、整流、吸收或过滤系统。

反应浆料

如在步骤110中所描述的，当增压预反应浆料与来自反应器容器的反应流体组合时，形成了增压反应浆料。反应器容器内的反应浆料可以具有大约400℃至600℃之间的温度。在其它实施方案中，反应器容器内的反应浆料可具有大约450℃至500℃之间的温度。在其它的实施方案中，反应器容器内的反应浆料可具有大约420℃之间的温度。

反应器容器内的反应浆料可具有大约200psi和4000psi之间的压力。在其它实施方案中，反应器容器内的反应浆料可具有大约300psi和3200psi之间的压力。在另外的实施方案中，反应器容器内的反应浆料可具有大约300psi和1500psi之间的压力。在另外的实施方案中，反应器容器内的反应浆料可具有大约300psi和700psi之间的压力。在另外的实施方案中，反应器容器内的反应浆料可具有大约450psi和600psi之间的压力。

反应器容器内的反应

在步骤114中在反应器容器内发生的反应可包括适合于将生物量转换成生物燃料的生物油产品的任何反应。如上所述，这可包括例如：水热解，随后是氢加工；气化，随后是费-托合成；水解，随后是发酵；以及溶剂液化，随后是氢加工。

过程100尤其适合于高压、高温反应，诸如液化。反应器容器内的其它适合的反应可包括例如热水高温分解、超临界气化或液化以及高温水解。本领域技术人员将理解到用于这些不同类型反应的适合的条件（例如，温度、压力、溶剂系统）。

在一些实施方案中，在处于至少300psi的压力以及至少250℃的温度的反应器容器内发生液化。在其它实施方案中，反应器容器内的压力在大约200psi和1500psi之间，并且温度在大约300℃至500℃之间。在另外的实施方案中，反应器容器内的压力在300psi和800psi之间，并且温度达到400℃至450℃之间。在一些实施方案中，超临界水气化发生在处于至少3200psi的压力的反应器容器内。在其它实施方案中，超临界流体液化发生在处于200和4000psi的压力的反应器容器内。在其他实施方案中，在处于200psi至400psi之间的压力的反应器容器内发生水解。

在步骤110中用于形成反应浆料的以及在步骤114中用于生成生物油产品或生物燃料的反应流体可以为提供生物量的成分的适当增溶以促进反应器容器内的反应并且有助于使得副反应最小化的任何溶剂或溶剂混合物。根据容器内的反应，适合的反应流体可包括例如水（包括超临界水）、稀酸或稀基。在一些实施方案中，流体与传输流体相同。

在反应器容器内的反应为液化的一些实施方案中，反应流体可以为提供生物量的成分的适当增溶以促进液化并且有助于使得副反应最小化的任何溶剂或溶剂混合物。典型地，期望的是反应流体还提供生物油产品与碳氢化合物或石油炼厂流的可混性，允许在石油炼厂中对产品进行共同处理。

对于液化，反应流体可以为典型地包括氢供体溶剂的溶剂或溶剂混合物。氢供体溶剂能够输送氢以降低生物量原料的氧化水平和氧含量。降低氧化水平提高了产品的能量密度，使得更适合通过燃烧或其它相似方法而用作燃料。

在过程100中使用的反应流体典型地具有高温。本领域已知的任何方法可用于升高反应流体温度。例如，可以使用换热器。在一些实施方案中，反应流体具有250℃至800℃之间的温度。在其它实施方案中，反应流体具有在400℃至600℃之间的温度。在另外的实施方案中，反应流体具有450℃至500℃之间的温度。在一些实施方案中，反应流体具有大约420℃的温度。

实施例1

在两容器系统中由木屑生成生物油

在图1所描绘的过程的具体实现中，木屑转换成生物油。在图2中描绘了用于将木屑浆料传递到高压、高温反应器容器的两容器系统的部件。

形成预反应浆料

首先，基于植物的生物量的实际尺寸的块与传输流体组合以形成预反应浆料。参考图2，木屑200以大约100公吨/小时被馈送到系统中。同时，传输流体202还以800公吨/小时被馈送到系统中。传输流体202是轻循环油和生物油的混合物。木屑流和传输流体流组合以形成预反应浆料204。该预反应浆料具有大约8重量份流体比1重量份生物量。该8比1的比率允许预反应浆料流过开式叶轮泵206，而不会堵塞泵。

木屑200具有大约12-20%的水分含量。木屑200具有不同的尺寸和不规则的形状。在任何给定尺寸中一些木屑块可如6英寸宽那样大，但是大部分块大约1-4英寸宽。木屑料仓232中木屑块中的大约20%以上至少为1/8英寸宽。在木屑200与轻循环油202组合以形成浆料时，屑泵234调节离开料仓的木屑200的流动。

传输流体中的轻循环油是携载木屑通过泵增压且进入预反应器容器中的极芳香精炼流。传输流体202被存储在处于大约90-100℃的缓冲罐230中，并且典型地不超过大约100℃的最大温度。当与木屑200组合而形成预反应浆料204时，传输流体202具有大约90-100℃的温度。

增压并传递预反应浆料

在形成预反应浆料之后，预反应浆料被增压到高压。参考图2，预反应浆料204以每小时大约100公吨的生物量和800吨的流体流过一系列五个开式叶轮泵206，开式叶轮泵206将浆料增压至大约600psi。经增压的木屑浆料在传递到反应器容器220中之前被传递预反应器容器210、中间容器（即，预反应器容器）。

尽管在图2中预反应浆料被增压至大约600psi，但是浆料可被增压至大约300psi以上的任意压力。所选的压力可取决于在反应器容器内发生的液化过程所需的压力。所选的压力是促进生物量的至少部分的液化的压力。促进液化的压力可依次取决于液化过程的溶剂系统。

将增压的预反应浆料传递到反应器容器

从浆料中去除一些传输流体以在预反应器容器中形成增压浓缩浆料。参考图2，预反应器容器210是具有顶部分离器212且在底部具有冲刷区段214的浸渍容器。在顶部分离器212中从预反应浆料208中去除一些传输流体，在预反应器容器内留下具有2重量份流体比1重量份生物量的增压浆料216。浆料216与浆料208相比具有较低的流体与生物量比率以减少流入预反应器容器中的液体体积。该较低的流体与生物量比率的增压浓缩浆料为系统提供了热分解，并且使能将传输流体的部分再循环。液体226通过返回到缓冲罐230中进行再循环。离开预反应器容器210的液体226具有大约100-200℃之间的温度以及大约600psi的压力。在重新进入缓冲罐230之前，换热器228降低了液体226的温度，同时减压阀240减轻液体226的压力。液体226返回到处于大气压下的缓冲罐230并且具有大约100℃的最高温度。

尽管图2中的液体226返回到处于大约100℃的最高温度的缓冲罐，但是缓冲罐中的传输流体的最高温度可以变化，这取决于用于对预反应浆料进行增压的泵所能处理的最高温度。应当理解的是，传输流体不必然地需要以本文所描述的方法再循环。在一些实施方案中，单独的系统能够用于将恒定的传输流体源供给到缓冲罐中。然而，传输流体的再循环使得本文所描述的方法更具有成本效益。

同时，位于预反应器210底部的冲刷区段214从反应器容器220的顶部分离器222以200公吨/小时的速率接收稳定的液化流体流224。闭式叶轮泵238将稳定的液化流体流从反应器容器抽吸到预反应器容器中。尽管在该实施例中使用闭式叶轮离心泵，但是应当理解的是，能够利用本领域公知的任意类型、数量和布置的泵来传递反应流体以使流体以所要求的压力和流运动，包括例如旋转式、螺旋式泵、齿轮泵、开式叶轮离心泵和喷射器-射流泵。

从反应器容器流入预反应器容器的液化流体224具有大约380℃的温度。换热器234将反应器容器220内的液化流体加热。然而，应当理解的是，通过预反应器容器所接收到的反应流体的温度取决于反应器容器内的反应温度。例如，如果反应温度为大约300℃，从反应器容器传递到预反应器容器的反应流体具有大约300℃的温度。

传递到预反应器容器底部的液化流体224与预反应器容器内的浆料组合以形成增压反应浆料218。然后，将增压反应浆料传递到反应器容器中。反应器容器220以大约600psi的压力接收增压反应浆料218。应当理解的是，传递反应浆料的压力取决于反应器容器内的反应压力。例如，如果反应压力是680psi，则反应浆料可以大约680psi进行传递。

实施例2

单容器系统中的合成气体的生成

利用单反应器系统，通过超临界水气化将生物量转换成H₂、CO、CO₂、CH₄和其它次要成分的合成气体。在图3中描绘了用于将生物量浆料传递到高压、高温反应器容器中的单反应器系统的部件。图3中所描绘的单反应器系统还可利用适当的稀酸或稀基作为传输流体用于生成生物油、或由碳水化合物的单体、二聚体或低聚物组成的水解产物。此外，应当理解的是，图3所描述的系统适合于上文所讨论的任何转换技术。

在该实施例中，基于植物的生物量的实际尺寸的块与传输流体组合以形成预反应浆料。参考图3，生物量300以大约100公吨/小时被馈送系统中。同时，水302也以大约800公吨/小时被馈送到系统。生物量流和水流组合以形成预反应浆料304。该预反应浆料具有大约8重量份的流体比1重量份的生物量。该8比1的比率允许预反应浆料流过渐进腔式泵306，而不堵塞个。可以使用本领域公知的其它泵，诸如实现高压的蠕动泵或一系列开式叶轮泵。

生物量原料300由具有不同尺寸和不规则形状的块构成。在任何给定尺寸中一些木屑块可如1/4英寸宽那样大，但是大部分块为大约1英寸宽。木屑料仓332中的木屑块中的大约20%以上为至少1/8英寸宽。在生物量与水302组合以形成浆料时，木屑计量器334调节离开料仓的生物量300的流动。

水302被储存在大约90-100℃的缓冲罐330中，并且典型地不超过大约100℃的最高温度。

预反应浆料304被增压通过渐进腔泵306而达到3200psi。液体326在分离器312中从增压预反应浆料308中去除，并且再循环到缓冲罐330。在重新进入缓冲罐330之前，换热器336降低液体326的温度，随后是减压阀338。液体326返回到处于大气压的缓冲罐330并且具有大约100℃的最高温度。

增压预反应浆料308具有大约200℃的温度。增压预反应浆料308在分离器312中浓缩以形成具有大约2份液体比1份生物量的增压浓缩浆料314。在传递到反应器容器318中之前，增压浓缩浆料314与热的反应流体328接触，这形成了增压稀释浆料316。循环泵320将反应流体340从反应器318中吸出并且发送反应流体340通过换热器322以生成热的反应流体328。增压稀释浆料316具有460℃的温度，并且在进入反应器318之前具有至少3重量份的液体比1重量份的生物量。然后，增压稀释浆料316被传递到反应器容器318，在反应器容器318中在460℃和3200psi下发生超临界水气化。

在该实施例中，与实施例1的系统相比，系统能够处理更快范围的液体与生物量比率。在一些情况下，反应器中的液体与生物量比率可以高于5重量份的液体比1重量份的生物量。如图3所描绘的，管道324可任选地添加到系统中以生成具有大于8重量份的液体比1重量份的生物量的比率的浆料。分离器312和反应器318的压力为3200psi。用于超临界水气化的高压能够适应如图3所示的系统，因为分离器312不具有移动零件（或密封件），并且浓缩浆料经由重力和压力差而移动。

与图2所示的过程和系统相比，图3中所描绘的过程和系统还能够在反应器318中实现较低的流体与固体比率。在该实施例中，过程和系统可实现2.5重量份的液体比1重量份的生物量的比率，这将在生物量水解的情况下提供水解产物中更浓缩（较高的滴定度）的糖。

Claims (35)

1.用于将基于植物的生物量浆料传递到反应器容器中的方法，所述方法包括：

提供基于植物的生物量，其中所述生物量由离散块构成，其中所述离散块中的至少20%具有至少大约1/8英寸的最大尺寸；

将传输流体与所述生物量组合以形成预反应浆料，其中所述预反应浆料具有流体与生物量第一重量比；

将所述预反应浆料增大至大约300psi以上的压力；

从预反应器容器中的增压预反应浆料中去除所述传输流体的至少部分以形成具有流体与生物量第二重量比的增压浓缩浆料，其中所述流体与生物量第一重量比大于所述流体与生物量第二重量比；

将来自反应器容器的反应流体与所述增压浓缩浆料组合以形成增压反应浆料；以及

将所述增压反应浆料从所述预反应器容器传递到所述反应器容器中，其中所述增压反应浆料被接收到处于大约300psi以上的压力的所述反应器容器中。

2.如权利要求1所述的方法，还包括在所述反应器容器中生成包括液态生物油产品的反应产物，其中所述反应器容器中的温度为至少大约250℃，并且所述反应器容器中的压力为至少300psi。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述生物量包括纤维素、半纤维素、木素或它们的组合。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在所述传输流体与所述生物量结合而形成预反应浆料的过程中，所述传输流体具有大约100℃的最高温度。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，去除的流体具有大约100℃至200℃之间的温度。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述增压预反应浆料在所述预反应器容器中具有大约100℃至200℃之间的温度。

7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述增压反应浆料被接收到处于250℃至800℃之间的温度的所述反应器容器中。

8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述预反应浆料被增压到大约300psi和大约700psi之间的压力。

9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，利用串联布置的两个以上的所述预反应浆料开式叶轮泵对所述预反应浆料进行增压。

10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，传输流体包括轻循环油、生物油或其任意组合。

11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述反应流体选自由水、稀酸、稀基、乙醇以及其任意组合构成的组。

12.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述反应流体具有在大约250℃至800℃之间的温度。

13.如权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，至少50%的所述离散块具有至少大约1/8英寸的最大尺寸。

14.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，第一重量比为至少7份流体比1份生物量。

15.如权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，第二重量比小于5份流体比1份生物量。

16.用于将基于植物的生物量浆料传递到反应器容器中的方法，所述方法包括：

提供基于植物的生物量，其中所述生物量由离散块构成，其中至少20%的所述离散块具有至少大约1/8英寸的最大尺寸。

将传输流体与所述生物量组合以形成预反应浆料，其中所述预反应浆料具有流体与生物量第一重量比；

将所述预反应浆料增压至大约300psi以上的压力；

从增压的预反应浆料中去除所述传输流体的至少部分以形成具有流体与生物量第二重量比的增压浓缩浆料，其中第一重量比大于第二重量比；

将反应流体与所述增压浓缩浆料组合以形成增压反应浆料；以及

将所述增压反应浆料传递到反应器容器中，其中所述反应浆料被接收到处于大约300psi以上的压力的所述反应器容器中。

17.如权利要求16所述的方法，还包括在所述反应器容器中生成包括液态生物油或生物气体产品的反应产物，其中所述反应器容器中的温度为至少大约250℃，并且所述反应器容器中的压力为至少300psi。

18.如权利要求16或17所述的方法，其中从所述增压预反应浆料中去除所述传输流体的至少部分采用分离器。

19.如权利要求16至18中任一项所述的方法，其中所述生物量包括纤维素、半纤维素、木素或它们的组合物。

20.如权利要求16至19中任一项所述的方法，其中所述传输流体具有大约100℃的最大温度。

21.如权利要求16至20中任一项所述的方法，其中去除的流体具有大约100℃至200℃之间的温度。

22.如权利要求16至21中任一项所述的方法，其中所述反应流体具有250℃至800℃之间的温度。

23.如权利要求16至22中任一项所述的方法，其中所述增压预反应浆料具有大约100℃至200℃之间的温度。

24.如权利要求16至23中任一项所述的方法，其中所述增压反应浆料被接收到处于250℃至800℃之间的温度的所述反应器容器中。

25.如权利要求16至24中任一项所述的方法，其中所述预反应浆料被增压至大约300psi和大约3200psi之间的压力。

26.如权利要求16至25中任一项所述的方法，其中利用一个或多个泵对所述预反应浆料进行增压。

27.如权利要求26所述的方法，其中所述一个或多个泵是开式叶轮泵。

28.如权利要求26或27所述的方法，其中所述一个或多个泵是串联排布的两个以上的泵。

29.如权利要求16至28中任一项所述的方法，其中所述传输流体选自由水、稀酸、稀基、乙醇以及其任意组合构成的组。

30.如权利要求16至29中任一项所述的方法，其中至少50%的所述离散块具有至少大约1/8英寸的最大尺寸。

31.如权利要求16至30中任一项所述的方法，其中所述第一重量比为至少7份流体比1份生物量。

32.如权利要求16至31中任一项所述的方法，其中所述第二重量比为小于5份流体比1份生物量。

33.如权利要求32所述的方法，其中所述第二重量比在大约1.5-5份流体比1份生物量之间。

34.如权利要求16至33中任一项所述的方法，其中从所述增压预反应浆料中去除所述传输流体的至少部分是在预反应器容器中进行的。

35.如权利要求34所述的方法，其中所述增压预反应浆料被接收到处于300psi以上的压力的所述预反应器容器中。

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