CN105229123B - 阶段式生物质分馏器 - Google Patents

Abstract

公开了热解生物质的各种生物质反应器系统和方法。生物质反应器系统的一种类型包括串联配置的多个生物质处理站，每个站包括螺旋钻反应器，所述螺旋钻反应器包括用于接收生物质的螺旋钻入口和用于输送生物质通过螺旋钻反应器的传输螺杆。

Description

阶段式生物质分馏器

相关申请

本申请根据35U.S.C.§119(c)，要求于2013年3月15日提交的，名称为“阶段式螺旋钻系统”的美国序列号61/799446，于2013年9月23日提交的，名称为“热生物质处理器”的美国序列号61/881309，于2013年10月16日提交的，名称为“利用同步平行分馏用于合成可再生化学品的系统和方法”的美国序列号61/891872的优先权权益，其内容通过引用并入。

本申请根据35U.S.C.§119(c)，要求于2014年3月4日提交的，名称为“阶段式生物质分馏器”的美国序列号14/196920的优先权权益，其内容通过引用并入。

本申请还是于2013年3月12日提交的，名称为“生物质反应器”的美国序列号13/797985的部分继续申请，其内容通过引用并入。

技术领域

本发明的领域大体上涉及可再生燃料的生产，和更特别地涉及用于将含碳物料转化以产生具有特定性能的产物流的方法。子领域是用于生产可再生燃料的新的阶段式螺旋钻系统。

背景技术

上升的能源成本，对不可再生能源的持续利用和可用性的担忧，对化石资源的使用对全球气候变化的影响的担忧已经成为人类面临的主要技术问题的一部分。寻找更有效地使用能源的替代资源如可再生生物质的方法是解决这些问题非常重要的途径。在工业革命开始之前，木材和植物油是工业化以前的文明的主要能源，其使用此能源主要用于加热，烹饪和照明。在这个早期阶段，生物质简单地在露天燃烧以产生热和光。数千年前，人类发现，如果空气供给在燃烧过程中受限，可以从燃烧的木材中提取稠密的黑色残渣(我们现在叫做焦炭)。该热焦炭可以用水骤冷，干燥，和再烧，以产生更热，更密集的火。焦炭的出现与冶金的发展同时进行，这取决于它的更热和更清洁的火以及它的从矿石提取金属并将它们形成有用的产品的还原能力。在减少的氧气环境或无氧环境下烘烤可燃物料的过程现在称为热解。热解木材或混合的生物质的其他形式产生焦炭(也称其为生物炭)以及氢气、一氧化碳和二氧化碳的混合物，有时候称为合成气。在无氧环境中烘烤化石燃料烃类首先引起更长链的烃类分解成更短链的烃类，最终导致更基本的形式如甲烷(CH₄)，氢气和元素碳。事实上，热解是石化产品裂解的基本机制，其是炼油工艺的支柱。更极端的热解用于炼油工艺中以产生氢气和高纯度碳。

同样地，当经历热解过程时，生物质(其由纤维素，半纤维素，木质素，淀粉和脂类组成)通过多步分解进行。根据热解的条件，产品的组成可变化。通常，当经历长时间的高温(例如，800℃)时，热解最终产生合成气。随着温度和暴露时间间隔下降，留下增加的量的生物炭残渣。在更低的温度和时间间隔下，越来越多的复杂烃类和含氧烃类存在于来自热解的生物质的气流中。这些分子形成的蒸汽可以冷凝并用作液体产物(生物油)或立即转化成其他产物。在低极端情况下，简单的每日烹饪通常赶走水并开始将生物质脱水，引起我们总是与烹饪好的食物联系在一起的变黑和焦化。

已经开发了各种形式的实验室和小规模商业化生物质热解器，以通过范围从木屑到污水淤泥的生物物料的控制热解产生有用的化学产品。虽然一些热解器简单地集中于产生合成气，但是在温和热解条件的发展中有相当大的努力，温和热解条件通常得到常称为生物油的浓缩液。已经在实验室水平上开发了许多形式的热解器以产生这些中间体化合物，其被统称为生物油或热解油。配置包括其中生物质在陶瓷船中烘烤的简单管式炉、其中木材相对于热表面摩擦的烧蚀热解器、其中生物质与热砂混合的各种形式的流化床热解器、和基于较早的炼焦炉设计的各种更简单的配置。

热解系统的一个通常类别是回转炉/螺旋钻，其使用轴上的螺纹通过旋转移动物料通过通道并在一些方法中提供热量。

自生物质原料得到的热解油的基本问题在于其由数百至数千种化合物构成，这是由于原料生物质整体经历宽范围的温度、时间和压力分布的结果。当该过程被最初生物原料中数千种主要生物化合物复杂化时，结果是几乎难以处理的一批全部混合在一起的得到的化合物。来自该过程的热解油通常不是热动力学稳定的。它们含有被有机酸和碱催化的活性含氧自由基，使得这些油通常在几天时段内从浅色液体演变成深色混合物，混合物中带有焦油和树脂状物质。而且，再蒸发热解油的尝试通常导致额外的化学反应，其在得到的气体流中产生额外的生物炭和向较低分子量组分的转变。尽管可以实验室规模试验实现相当高的热解油产率，但是更大的工业规模示范项目通常产生低得多的产率。这可能是由于这种放大结构的大得多的加热的三维容积内更宽范围的温度、保持时间和局部压力。

避免与热解油相关的复杂化的一种方法是在冷凝之前蒸汽的催化改质。该过程制得比热解油更稳定的燃料。遗憾的是，生物蒸汽的催化转化与更高的焦化速率和催化剂失活相关。

本发明旨在解决生物质如何可被更有效地分馏。

发明简述

描述了一种系统和方法，通过其含碳物料如生物质在一个或多个阶段被加热和热分解，使得产生一种或多种蒸汽流和一种或多种固体流，每种具有有益特性。示例性有益特性可包括在催化过程中更低的焦化速率或具有适于特定用途的性能的固体。

设计以进行所述方法的系统包括具有多个串联配置的生物质处理站的螺旋钻系统，每个站包括螺旋钻反应器或部分的所述螺旋钻，所述螺旋钻包括用于接收碳质固体如生物质的螺旋钻入口和用于输送固体通过螺旋钻反应器的传输螺杆。

在本发明的一些实施方案中，新的螺杆设计提高螺杆的硬度和促进混合。增加的硬度在热的热环境中具有益处。

每个螺旋钻反应器可进一步包括用于驱动传输螺杆的发动机和一个或多个用于热解蒸汽的馏分的出口和配置用于源自于反应器的热解蒸汽的馏分的相关系统。

在上述系统的一些实施方案中，每个螺旋钻反应器进一步包括当生物质和其分解产物输送通过螺旋钻反应器时用于加热该生物质和其分解产物的热载体。所述热载体可选自以下构成的组：螺旋钻反应器内部或周围的加热线圈，流经螺旋钻反应器的热传输流体，通过螺旋钻反应器的热的沙颗粒，和热的铁磁固体颗粒。此外，传输螺杆可由外部来源加热。在一些实施方案中，串联的第一螺旋钻反应器包括第一类热载体，其中串联的另一螺旋钻反应器包括不同类的热载体。在另外的实施方案中，串联的第一螺旋钻反应器包括在第二螺旋钻反应器的螺旋钻入口处终止的出口，而且串联的最后的螺旋钻反应器在将生物炭从系统移除的出口处终止。

在本发明的其他实施方案中，使用新的热载体将热传输至螺旋钻。所述热载体由金属或陶瓷构造的中空颗粒构成，所述中空颗粒包括壳和含有不同于壳的物料，使得内部物料可被加热以改变相，由此将热通过内部物料的适当相变传输至热转化过程。内部相变物料可以固相或液相完全或部分地填充壳内容积。所述相变物料可为在300℃至1000℃(572°F至1832°F)的温度范围内相变化的金属或盐。

本发明的另一实施方案为可使用适当量的氧化剂或氧化剂和惰性物料进行热解以促进加热。在该实施方案中，含碳物料的一部分被氧化从而提供热以驱动热解过程。

根据上述方法和系统的其他实施方案，螺旋钻反应器中的温度和压力为选择性可控的。在一个实施中，串联的第二螺旋钻反应器内的温度递增地高于串联的第一螺旋钻反应器内的温度，和其中串联的第三螺旋钻反应器内的温度递增地高于第二螺旋钻反应器内的温度。此外，第二螺旋钻反应器内的压力递增地高于第一螺旋钻反应器内的压力，和其中第三螺旋钻反应器内的压力逐步地低于第二螺旋钻反应器内的压力。在一些实施方案中，T₂可大于T₁，P₂可小于P₁，和T_n可不同于T₁。压力可由蒸汽或由通过改变螺旋钻螺杆的轴的直径或通过变化螺纹之间的直线距离进行固体的物理压缩而产生。在一些实施方案中，每个螺旋钻反应器的直径根据生物质和蒸汽在每个螺旋钻反应器的停留时间是可调节的。本领域技术人员将理解，基于螺旋钻的旋转速度固体停留时间可改变。

在一方面，在多个热解站中热分解生物质的方法包括通过独立地调节温度和/或压力独立地运行多个热解站中的每个，其中温度和压力的至少一个是不同的；将所述生物质和/或其随后的热分解产物传输至或传输出所述多个热解站；其中所述多个热解站的至少一个但不是全部在选择的条件下运行以热解所述生物质或其随后的热分解产物以产生适于燃料生产的蒸汽流，和将产生燃料的蒸汽流引导入催化塔用于转化为燃料；其中所述多个热解站中的至少一个但不是全部在提供第二蒸汽流的条件下运行，和将所述第二蒸汽流导入第二位置供除了燃料生产之外的使用；和其中所述多个热解站中的最后的站在所选条件下运行以热解所述进入的热分解产物产生生物炭和相关的蒸汽流，和将所述蒸汽流导入一个位置供除了燃料生产之外的使用。

在一个或多个实施方案中，一个或多个站包括用于将生物质转化为蒸汽和固体流的螺旋钻。

在一个或多个实施方案中，所述方法产生至少一种固体生物炭流用于土壤改良剂用途。

在一个或多个实施方案中，第一站之前有一个或多个用于生物质的干燥和/或烘烤(torrifaction)的站。

在一个或多个实施方案中，可再生的化学品自一种或多种蒸汽产物合成。

在一个或多个实施方案中，串联的第二站内的温度递增地高于串联的第一站内的温度，和其中串联的第三站内的温度递增地高于第二站内的温度。

在前述的实施方案的任一个中，第一站的压力低于第二站的压力，和其中第三站中的压力低于第二站内的压力。

在另一方面，在多个热解站中热分解生物质的系统包括通过独立地调节温度和/或压力独立地运行多个螺旋钻反应器中的每个，其中温度和压力的至少一个是不同的；将所述生物质和/或其随后的热分解产物传输至或传输出所述多个热解反应器；其中所述多个热解螺旋钻反应器的至少一个但不是全部在选择的条件下运行以热解所述生物质或其随后的热分解产物以产生适于燃料生产的蒸汽流，和将所述产生燃料的蒸汽流导入催化塔用于转化为燃料；其中所述多个热解螺旋钻反应器的至少一个但不是全部在提供第二蒸汽流的条件下运行，和将所述第二蒸汽流导入第二位置用于除了燃料生产之外的用途；和其中所述多个热解站的最后的螺旋钻反应器在所选条件下运行以热解所述进入的热分解产物产生生物炭和相关的蒸汽流，和将所述蒸汽流导入一个位置供除了燃料生产之外的使用。

在一个或多个实施方案中，一个或多个站包括用于将生物质转化为蒸汽和固体流的多个螺旋钻反应器。

在一个或多个实施方案中，每个螺旋钻反应器进一步包括用于驱动传输螺杆的发动机。

在一个或多个实施方案中，所述螺旋钻的取向可以为相对于水平线倾斜0°至85°。

在一个或多个实施方案中，使用过滤器，温度骤冷或旋风分离器除去重的焦炭形成或颗粒组分，由此进一步降低催化剂焦化速率。

在一个或多个实施方案中，每个螺旋钻反应器进一步包括分凝器，配置用于冷凝流自螺旋钻反应器的热解蒸汽流的馏分，以降低在随后的催化剂反应器中的污染和焦化。

在一个或多个实施方案中，将催化剂与生物质或其分解产物一起引入螺旋钻反应器。

在一个或多个实施方案中，为生物质的热分解提供热能的热载体包括所选择的组：反应器具有的或周围的加热线圈，其在螺旋钻内部或周围电加热，通过反应器的热的颗粒，热的铁磁固体颗粒，热的炭颗粒，热的灰颗粒，和颗粒内部具有相变物料的热的颗粒。

在一个或多个实施方案中，中空颗粒由金属或陶瓷构造，其包括壳和含有不同于壳的物料，使得内部物料可在300℃至1000℃的温度范围内被加热以改变相，由此通过适当的内部物料的相变温度传输热以热解生物质。

在一个或多个实施方案中，向站提供氧化剂以促进加热。

在一个或多个实施方案中，通过电装置加热传输螺杆。

在一个或多个实施方案中，每个阶段的热载体是独立的。

在一个或多个实施方案中，催化过程包括具有多个催化反应器的连续再生催化系统。

在一个或多个实施方案中，所述阶段包括在相同的螺旋钻壳内。

在一个或多个实施方案中，串联的第一螺旋钻反应器包括在第二螺旋钻反应器的螺旋钻入口处终止的出口。

在一个或多个实施方案中，串联的最后的螺旋钻反应器在将系统的生物炭产物除去的出口处终止。

在一个或多个实施方案中，从系统中除去多个蒸汽流。

在一个或多个实施方案中，螺旋钻反应器内的压力通过限制产物从反应器取出的速率选择性地可控。

在一个或多个实施方案中，螺旋钻内的压力通过向反应器内引入气体或蒸汽流选择性地可控。

在一个或多个实施方案中，处理站包括用于压缩磨碎的生物质以控制固体中的压力的装置。

在一个或多个实施方案中，用于压缩生物质的装置包括加热的粉碎热解处理站以控制固体中的压力。

在一个或多个实施方案中，用于压缩生物质的装置包括连续变化的螺杆轴直径。

在一个或多个实施方案中，串联的第二螺旋钻反应器内的温度递增地高于串联的第一螺旋钻反应器内的温度，和其中串联的第三螺旋钻反应器内的温度递增地高于第二螺旋钻反应器内的温度。

在一个或多个实施方案中，每个螺旋钻的温度包括线性变化的温度。

在一个或多个实施方案中，每个螺旋钻反应器的尺寸是可调节的以在每个螺旋钻反应器处实现生物质的更多或更少的停留时间。

在一个或多个实施方案中，第一螺旋钻的压力低于第二反应器的压力，和其中第三螺旋钻中的压力低于第二螺旋钻反应器内的压力。

在一个或多个实施方案中，为了增加系统生产量和优化蒸汽和固体流并行放置多个系统。

在另一方面，传输螺杆包括螺纹和轴，其中所述螺纹可连接至所述轴，其中连接两个或多个所述螺纹实施结构，其中传输螺杆的设计促进生物质的混合，其中螺纹的设计促进混合和/或蒸汽流至出口，由此所述轴的设计促进蒸汽流动和/或促进固体容易流动。

在一个或多个实施方案中，所述螺纹具有多个未表现出促进蒸汽流动和固体混合的螺纹部分。

在一个或多个实施方案中，所述螺纹具有重复的移动部分，其促进蒸汽流至出口和促进固体混合。

在一个或多个实施方案中，所述螺纹在所述轴不存在的情况下连接在一起。

在一个或多个实施方案中，所述螺纹分为多个不连续的螺纹，由此蒸汽可在不连续的螺纹之间流动。

在一个或多个实施方案中，所述结构由连接两个或更多个螺纹的杆构成。

在一个或多个实施方案中，所述结构由连接两个或更多个螺纹的桨叶构成。

在一个或多个实施方案中，所述结构促进生物质和热载体的混合。

在一个或多个实施方案中，所述结构促进螺杆硬度。

在一个或多个实施方案中，结构改变螺杆的固有频率。

在一个或多个实施方案中，促进硬度的结构允许长于5英尺的螺杆在升高温度下运行。

在一个或多个实施方案中，所述传输螺杆显著小于螺旋钻外壳和所述螺杆以从螺纹的底部至螺旋钻外壳的距离小于待输送的颗粒的轴向长度的方式运行。

在一个或多个实施方案中，所述传输螺杆具有在螺纹之间连续减小的距离，由此生物质物料被压缩和生物质中的压力和其热分解产物增加。

在一个或多个实施方案中，位于固体颗粒被引入螺旋钻的区域中的(多个)螺纹部分以在其最底位置处的螺纹的尖端至螺旋钻外壳的间隙大于被引入螺旋钻反应器的颗粒的轴向长度的方式延伸。

本发明的其他特征和方面将从下面的详细描述连同附图变得明显，附图通过示例的方式说明根据本发明的实施方案的特征。简述不是旨在限制本发明的范围，本发明的范围仅由所附的权利要求限定。

附图说明

根据一个或多个不同的实施方案，参照附图详细描述本发明。附图仅为了示例说明而提供，并且仅描绘了本发明的典型或示例实施方案。提供这些附图以帮助读者理解本发明，并且不应被解释为本发明的宽度、范围或适用性的限制。应该注意，为了清楚和容易说明，这些附图不一定按比例制作。

图1是示出根据一个或多个实施方案在N个不同位置并入1至i的固体和蒸汽流的流程图。

图2是示出根据一个或多个实施方案将生物质分馏系统并入螺旋钻反应器的截面图。

图3是示出根据一个或多个实施方案包括多个串联配置的生物质站的生物质分馏系统的图。

图4是示出本发明的一个实施方案的流程图，其中根据本发明的一个实施方案，含碳输入包括生物质。

图5是根据一个或多个实施方案的固体进料的入口区中螺旋钻螺杆螺纹中的梯级的图解。

图6A和6B是根据一个或多个实施方案的螺旋钻螺杆螺纹连接结构的说明性实例。

图7A，7B和7C根据一个或多个实施方案示出促进蒸汽流动和固体混合的螺纹设计。

图8A和8B示出促进蒸汽流动的螺杆设计和改进固体处理的可靠性的特征。

图9A和9B示出具有不同于内部物料的壳材料的热载体设计，且表明内部物料最初可占据内部空间的部分或全部。

图10是根据一个或多个实施方案用于提供多个处理站的单一螺旋钻系统的示意图。

图11是根据一个或多个实施方案可以使用的各种螺旋钻螺杆设计的图解。

应该理解，本发明的实施可以具有调整和改变，并且本发明仅由权利要求及其等同替代所限制。

详细描述

下面的图和说明呈现本发明的实例，但是决不限制具有上述概念的本申请。下面的设计仅说明它们的应用。除非另有规定，本文使用的所有技术或科学术语具有本领域具有普通技能的人通常理解的相同含义。

如本文使用的，术语“生物质”包括源自或容易获自植物或动物来源的任何物料。这种物料可以包括但不限于：(i)植物产品，例如树皮、叶、树枝、树桩、硬木片、软木片、葡萄浮石(grape pumice)、甘蔗渣、柳枝；和(ii)团粒物料例如草、木和干草团粒，作物产品例如玉米、小麦和槿麻。该术语还可以包括种子，例如植物种子、向日葵种子、水果种子和豆科植物种子。术语“生物质”还可以包括：(i)废产物，包括动物粪便，例如家禽衍生的废物；(ii)商品化或回收的物料，包括塑料、纸、纸浆、硬纸板、锯末、木材残渣、木材刨花和布料；(iii)城市废物，包括污水废物；(iv)农业废物，例如椰子壳、山核桃壳、杏仁壳、咖啡渣；和(v)农业饲料产品，例如稻草、麦秆、稻壳、玉米秸、玉米秸秆和玉米芯。

本文使用的术语“生物油”是指从生物底物的热解蒸汽热骤冷的任何液体含氧烃类燃料，包括但不限于，含有元素碳、氢或氧的油，其在本领域可称为“生物原油”和/或“热解油”。

本文使用的术语“蒸汽”表示包括液体蒸汽混合物，饱和蒸汽，过热蒸汽或蒸汽/气体混合物的物质的相。应当理解，由于分离困难，蒸汽将既包括可冷凝部分也包括轻的气体。

本文使用的术语“气体”是指包括理想气体，真实气体，气体混合物，或气体/蒸汽混合物的物质的相。应当理解，由于分离困难，气体可既包括可冷凝部分也包括轻的气体。

本文使用的术语“轴”是指螺纹与其连接的传输螺杆的中心结构。

本文使用的术语“螺纹”是指连接到螺旋钻螺杆的中心轴的结构，其具有将物料移动通过螺旋钻的主要功能。

本文使用的术语“生物炭”是指生物质热解后产生的固体碳质物料。生物炭可具有多种用途，包括但不限于土壤改良剂，燃烧原料或用作封存碳用途。

本文使用的术语“燃料”是指可用作能源的液烃。作为液烃的燃料可具有多种用途，包括运输燃料，用于固定的内燃机的燃料，和世界通用的其他这类用途。

描述了用于将含碳物料如生物质处理以产生多种可具有一种或多种有益特性的产物流的方法和系统。应当理解，与本文描述的那些方法和物料类似或等同的方法和物料可用在本发明的实践中或用于开展本发明。

所述方法和系统通过在一个或多个阶段中加热或热分解含碳物料提供含碳物料如生物质的热解，使得产生各自具有有益特性的一个或多个蒸汽流和一个或多个固体流。可调整各阶段中的条件以优化产物用于进一步的处理。

图1示出其中将含碳输入物料180在一个或多个阶段转化为有益蒸汽161，162和/或163的一个实施方案。每个阶段可相对于其他阶段独立运行，例如，可在每个阶段独立控制温度和压力。将含碳物料180如生物质引入到系统中。任选的热载体和/或氧化剂171，172和/或173可在它们各自的阶段引入。可产生产物蒸汽流161，162和/或163和(多个)固体流151，152和153。出口固体流181和182从各自站的出口输送到下一阶段的入口。图1进一步示出站N具有一个或多个蒸汽产物流161，162和/或163的位置。图1进一步示出其中一个或多个固体流151，152和/或153可从各个站除去的方法，其中所述固体流具有有益特性。在一些实施方案中，站将具有一个蒸汽流和固体流，所述固体流传到下一站直到在最后一站取出固体。然而，预期的是，一个以上的蒸汽，例如蒸汽1₁….蒸汽1_i或一个以上的固体流，例如固体1₁….固体1_i可在站中从多个位置被除去。作为给定的蒸汽流或固体收集的一部分，收集的物料经历同样的处理条件。也即，一个阶段中的处理条件大体上相同。

在某些实施方案中，所述方法和系统提供蒸汽流用于催化转化为燃料，其导致增加的催化剂寿命而不损害燃料生产的效率。催化剂过程包括催化剂柱，其含有与来自热解过程的蒸汽流接触的催化剂。所述催化剂将蒸汽流的组分转化为可再生燃料。用于燃料生产的催化剂和催化过程是已知的，且合适的催化剂包括水合催化剂，芳构化催化剂，脱水催化剂，脱氢催化剂等。

所述方法和过程的有益特性之一是增加的催化剂寿命。催化剂灭活以不同的方式发生。一种模式是称作焦化的可逆过程。在催化剂柱上形成的焦炭或积碳降低了催化剂效率。通过优化蒸汽以具有有益特性，每单位焦炭形成可制得的产物的量和/或催化剂在被焦化失活之前运行的时间量可增加。

在某些实施方案中，所述方法和系统提供在下游催化转化为燃料中降低焦化的蒸汽流。运行处理阶段以预处理生物质，从而在将生物质分馏生成燃料生产蒸汽流之前除去对催化剂有害的或在燃料生产中非生产性的组分。例如，乙酸是具有低的燃料产率的焦炭的来源。在一些实施方案中，第一阶段可在有助于乙酸从生物质释放的条件下运行，而不显著降解为对燃料生产有用的热解气体。例如，外部加热螺旋钻以使内部温度为250(480°F)和压力为大气压。蒸汽产物主要为水和乙酸，其从工艺流中除去并且不进入催化剂，在催化剂处其支持焦化。

在另一实施方案中，将所述系统和方法设计用于提高生物分馏过程的产率。例如，当生物质前进通过生物分馏过程时，可降低压力I处理阶段。较低的压力有助于使固体流的较高分子量组分挥发。

在某些实施方案中，所述方法和系统提供可被优化用作土壤改良剂或碳封存的生物炭产物。优化蒸汽流组分用于催化转化为燃料的处理条件可产生对于土壤改良剂或碳封存不是最优的固体流。例如，所述固体流含有对封存碳不足够惰性的烃产物和/或所述固体流组分缺乏土壤改良剂所需要的期望特征，例如，孔径，无烃污染。

根据一个或多个实施方案，可在处理站中处理生物质(任选地在除去富乙酸蒸汽流的处理之后)以产生适于转化为生物燃料的蒸汽流。富含各种化合物中的一种或多种的蒸汽流可被认为适合转化为生物燃料，所述化合物包括但不限于：(i)长链脱水糖类；(ii)木质素衍生的芳族化合物；(iii)基于脂类的油；(iv)基于碳水化合物的呋喃。可在随后的处理站中进一步处理所得固体流以产生可用于土壤改良剂或碳封存的固体流。蒸汽流(由于低含量的产生燃料的组分或高含量的产生焦炭的组分，其可能不适合用于燃料生产)可被转移用于其他用途(诸如，通过例如燃烧用于加热或能源生产)。

在某些实施方案中，所述方法和系统同时提供在下游催化转化为燃料中降低焦化的蒸汽流和被优化用作土壤改良剂或碳封存的生物炭产物。

在某些实施方案中，在下游催化转化过程中仅使用具有优化用于燃料生产的组分的蒸汽流，而其余的蒸汽用于除了燃料生产之外的用途。例如，本文认定和描述的具有对于燃料生产次优的组分的蒸汽流可用于能源生产，例如在用于产生蒸汽的燃烧过程中。

本文描述的系统和方法可与其他过程或站连用以有助于降低在燃料的催化生产过程中的焦炭形成。在某些实施方案中，从用于燃料生产的热解站除去的蒸汽流在进入催化过程之前可通过用于除去重的焦炭形成组分或颗粒组分的过滤器。在其他实施方案中，从用于燃料生产的热解站除去的蒸汽流可经历局部骤冷以在进入催化过程之前除去或降低重的焦炭形成组分或颗粒组分的蒸汽流含量。可使用冷凝器完成温度骤冷。所述骤冷是部分冷凝，因为它不从蒸汽流中除去燃料形成组分。在其他实施方案中，过滤器用于在进入催化过程之前除去重的焦炭形成组分或颗粒组分。在其他实施方案中，催化剂过程可包括恢复催化活性的催化剂再生系统。在一些实施方案中，催化过程可包括具有多个催化反应器的连续再生催化剂系统。

用于热解含碳物料的常规方法可用在本文描述的多阶段方法和系统中。举例来说，流化床反应器，管式炉和烧蚀裂解炉可适合根据一个或多个实施方案使用。生物质分馏器也可使用，如Cool Planet Energy Systems公司拥有的在US 8,216,430中描述的那种，US 8,216,430详细描述了生物质在隔室中的薄片中的布置和将生物质经历可控的热解条件。

在一个实施方案中，热解处理站包括一个或多个旋转螺旋钻或旋转窑炉(本文中称为螺旋钻)。螺旋钻系统将含碳物料如生物质热解以产生最终产物和具有有益特性的中间流。对于中间流这些有益特性可包括与一个阶段热解之后的催化过程相比在催化过程中降低的焦化。有益特性还可包括通过为了作为土壤改良剂的生物炭而优化的阶段特制的固体生产。螺旋钻技术依赖于固体通过反应区的机械移动。该特性意味着螺旋钻可在宽范围的温度，压力和固体的保留时间下运行。当选择螺旋钻时，调整以产生燃料产率的最优蒸汽的条件是实用的。

图2示出包括单一螺旋钻反应器220的含碳分馏系统。螺旋钻反应器220可以以下面概述的新的特征单独使用，或如图3所示，作为串联的多个螺旋钻反应器220的一部分使用。当用于提供多个处理站时，单一螺旋钻可具有多个包含在螺旋钻中的温度站。(多个)螺旋钻反应器可用于进行本文陈述的分馏和/或热解过程中的任一种。在图2所示的实施方案中，螺旋钻反应器220包括用于接收生物质的送料机230，用于接收来自送料机230的生物质并且包括用于输送生物质的传输螺杆240的螺旋钻235，用于驱动传输螺杆240的发动机，出口255和冷凝器260。螺旋钻反应器220可包括当生物质输送通过螺旋钻235时用于加热生物质的加热器175。在一些实施方案中，加热器175可包括一个或多个加热元件。在其他实施方案中，螺旋钻反应器220通过流经螺旋钻235的热传输流体加热生物质。热可沿着螺旋钻改变以产生用于分馏的多个阶段。在进一步的实施方案中，传输螺杆240自身可被加热。在另一实施方案中，在运行过程中热砂经过螺旋钻235，从而加热生物质。

进一步参照图2，将传输螺杆240安装成在螺旋钻235内部旋转，并由相连的外部发动机245驱动。螺旋钻235具有连接到送料机230的入口165。在运行中，生物质输入到送料机230中，送料机230通过入口165将生物质供给至螺旋钻235。传输螺杆240将生物质以恒定和规定的速度输送通过螺旋钻235。在运输通过螺旋钻时，生物质经历加热导致其分解。该分解产生生物炭285形式的可封存的碳和热解蒸汽流260。

螺旋钻反应器220可包括具有一个或多个附接在其上的螺纹的轴。组合时，轴和附接的螺纹构成传输螺杆240。传输螺杆相对于围绕螺杆的外壳235旋转，所述外壳基本上不透气。可通过任何机械驱动器245完成所述旋转，所述机械驱动器245例如但不限于电动机，发动机，燃气轮机，或任何其他合适的机械装置。传输螺杆相对于外壳的旋转将含碳物料沿着螺旋钻的长度运输通过反应区。

在另一实施方案中，一系列螺纹在没有轴的情况下可连接在一起，而且在所述实施方案中所述螺纹单独构成传输螺杆。

在另一实施方案中，所述传输螺杆和外壳可连接在一起并一起旋转。在所述实施方案中，螺旋和外壳相对于地面的旋转将含碳物料沿着螺旋钻的长度运输通过反应区。

如下面更详细的描述中，图2中描述的螺旋钻反应器可用作多阶段系统中的单一阶段。

在其他实施方案中，螺旋钻反应器在沿着螺旋钻螺杆长度的不同区域中能够建立不同的温度，使得不同的阶段并入单一反应器中。可通过在区域中引入不同的温度/加热媒介获得独立的温度控制。以优选只从该部分抽出蒸汽的方式抽出蒸汽。

在图10中示出的一个示例性实施方案中，螺旋钻传输螺杆包括其中螺杆上的螺纹未切口的部分并因此将螺旋钻分割成站。其中P1在量级上非常接近于P2和P3，但是温度可沿着反应器的长度增加。在该图中整个机构可装有护套，其向区域一提供热并向第二和第三区域提供有效绝缘。注意螺纹设计的改变产生了这样的区，其与其他区的蒸汽不完全隔离但是基本隔离，因为蒸汽将必须向下流动通过炭的床而不采取更容易的路径离开出口。蒸汽的一小部分的交叉不是大问题，只要所述流基本隔离。该实施方案不是目前优选的设计。

进一步考虑图2，冷凝器260可连接到(多个)蒸汽出口160，而且所述冷凝器包括具有其入口连接到螺旋钻出口280的垂直冷凝器。配置冷凝器260用于冷凝热解气流的一部分的馏分。这些可冷凝的馏分通过焦化可有助于催化剂失活且它有利于所述馏分的部分分离。可进行一种或多种挥发性组分的气体流提取同时保持气体的温度直至它到达垂直冷凝器260。从出口285回收生物炭，或如果螺旋钻将用作热解过程中的一系列阶段之一，则出口285可通向系统中的下一阶段。

在一个或多个实施方案中，部分冷凝可用于除去次优馏分。可将冷凝器中捕获的次优馏分导入燃烧过程。蒸汽流的次优部分的除去使得催化剂持续更长。

图3是示出用于热解生物质的生物质分馏系统300的图解，根据图1中描述的方法其包括多个串联配置的生物质处理站321，322，323。如由图2描述的，这些站321，322，323的每个可包括螺旋钻反应器335，336和/或337。特别是，每个站321，322，323可包括螺旋钻335，336，337，螺旋钻335，336，337包括用于接收生物质(或其中间的热分解产物)的螺旋钻入口165，166和167，用于输送生物质通过螺旋钻反应器的传输螺杆241，242，243，用于驱动传输螺杆241，242，243的发动机245，246，247，和用于将来自螺旋钻反应器的热解产物，如生物炭除去的出口155，156，157。螺旋钻235，236和/或237可包括任选的热载体175，176和/或177用于当生物质输送通过螺旋钻235，236和/或237时加热生物质。每个阶段包括用于释放在使用过程中产生的蒸汽流361，362，363的出口。在该图中，蒸汽是分离的使得不需要的分子主要在不同于送至主燃料柱的蒸汽部分的蒸汽部分中。

每个生物质站321，322，323代表生物质热解过程中的阶段。当剩余的生物质产物离开站321时，第一阶段结束，当该产物在螺旋钻入口165处进入第二站322时，第二阶段开始。每个生物质分馏站可通过机械/物理装置，如但不限于阀门系统，大体分离，所述装置使得固体物料间歇或连续传输到串联中的下一个螺旋钻，同时限制蒸汽在螺旋钻站之间传输。当生物炭产物通过出口157离开时，最后站(即，所示的实施方案中的站323)的最后阶段结束。尽管所示的实施方案以三个生物质处理站为特征，但是在不脱离本发明的范围下可以使用任何数量的生物质处理站。此外，所述系统可在热解站之前包括额外的站。例如，所述系统可包括用于生物质预处理的站，包括用于生物质的干燥，烘烤(torrifaction)和酸洗的站。

继续参照图3，热载体175，176，177可包括一个或多个用于在螺旋钻335内增加温度的加热元件。例如，热载体175，176，177可包括螺旋钻335内或周围的加热线圈，或热的传输流体或热的颗粒如通过螺旋钻335的沙。在进一步的实施方案中，可加热传输螺杆241本身。每个反应器阶段能够独立地控制温度。在一些实施方案中，热载体175，176，177在所有阶段都是相同的。在其他实施方案中，热载体175，176，177跨越阶段而改变。例如，在一个实施方案中，热载体175，176，177在第一阶段(站321)中包括加热线圈以及热气体，而在第二和第三阶段(站322和323)包括热传输流体外部护套以及加热钢球。

因为每个生物质分馏站可例如通过使用阀门系统基本隔离，每个螺旋钻反应器中的压力可独立地控制。所述压力可通过热解蒸汽的产生和通过从压缩机引入气体/蒸汽而产生。通过在阶段中提供必须具有压力的背压的排出阀控制所述压力。通过蒸汽从系统除去的速率进行所述控制。

在一些实施方案中，螺旋钻335，336，337内的温度T和压力P是可控的，使得其可在每个连续的螺旋钻站321，322，323中变化。在一个示例性实施方案中，在每个连续的螺旋钻站321，322，323中的温度递增地升至比前一站更高的温度T1，T2，T3。选择每个温度阶段以通过蒸汽流361，362，363从生物质赶走适当的蒸汽馏分。同时，跨越每个连续的螺旋钻321、322、323的压力P1，P2，P3下降，从而有助于较重组分在接近热解阶段结束时挥发。因此，可利用系统的温度和压力分布以产生具有希望特性的产物流。

在本发明的一个或多个实施方案中，一个或多个单独的螺旋钻反应器可沿着螺旋钻的长度使用温度分布。温度分布可沿着反应器的长度改变。这通过沿着长度在不同的入口处增加外部电加热的温度或通过添加固体热载体。也可通过在阶段中在某些点引入氧化剂改变温度。

在另一实施方案中，一个或多个单独的螺旋钻站可使用跨越螺旋钻长度的压力分布。可通过螺杆设计使用压力分布，在螺杆设计中改变螺杆直径或螺纹之间的距离在将生物质推过系统时增加生物质上的压力。在图11中示出提供增加的压力的示例性螺杆设计。因此，螺杆可使用渐减的螺纹间距或增加的轴直径以增加处理站内生物质上的压力。压力分布还指不同的阶段处于不同的压力下。

仍参照图3，可调节每个站的尺寸以允许在特定站或多或少的停留时间。特别是，为了更长的停留时间可增加或为了更短的停留时间可减少在每个站321，322，323的螺旋钻335，336，337的长度。在所示的实施方案中，将每个螺旋钻335，336，337描绘为具有相同的尺寸，并因此具有相似的蒸汽停留时间。在进一步的实施方案中，改变一个或多个螺旋钻335，336，337的长度以实现在每个站的期望停留时间。

在各种螺旋钻阶段产生的热解蒸汽馏分可包含商业上可行的生物-中间化合物。举例来说，各种温度阶段可以用于提取各种化合物，包括但不限于：(i)长链脱水糖类；(ii)木质素衍生的芳族化合物；(iii)基于脂类的油；(iv)基于碳水化合物的呋喃；(v)较短烃；(vi)含氧有机物，如丁烷、丁醇、丙酮、乙酸、乙醛、醛、甲烷、甲醇等；和(vii)最终合成气组分(氢气，一氧化碳和二氧化碳)。在每个连续的处理阶段，可通过上面详细描述的各种加热方案将站加热至更高的温度和/或使用上面详细描述的各种方案的更高的压力。在其他实施方案中，随着固体流前进通过过程，压力可变化(例如，增加和减小)。

图4是示出根据本发明的一个实施方案制备还原的或负碳燃料的方法的流程图。可通过包括图1，2和3描述的那些的生物质分馏方法和系统进行所述过程。根据所述方法，在过程450中处理含碳输入400以产生可燃燃料和化学品490和可封存的碳470。可燃燃料和化学品490可为负碳(negative carbon)并且可包括但不限于，汽油、汽油组分、喷气燃料、柴油、石脑油、含氧有机物燃料如甲醇和二甲醚、氢、甲烷、轻瓦斯油和真空瓦斯油。过程450是指将含碳输入400转化为作为单独实体的输出490和470的任何顺序的阶段。这些过程可包括但不限于，在压力下在增加的温度下热化学地转化输入的生物分馏过程。可封存的碳470是指长期储存的任何碳，包括地下储存的或用作土壤改良剂的碳。

在某些实施方案中，含碳输入可为生物质。生物质作为输入进料到过程450中，其同时输出作为基本未污染的和分离的实体的可燃燃料和化学品490和可封存的碳470。

在一些实施方案中，生物质是含碳输入，且生物分馏是产生还原的和负碳燃料的过程。该过程通过热源使生物质经历分解。在一些实施方案中，生物质在压力波下经历温度坡度，如在共同拥有的美国专利8216430和美国专利8367881中所描述的，其内容通过引用全部并入本文。将生物质输入到生物分馏过程以产生可燃燃料和化学品490和可封存的碳470。在其他实施方案中，生物分馏过程将包括本文描述的螺旋钻系统。

在本发明的其它方面，提供改进的螺旋钻系统，其改善生物质进料和运输通过螺旋钻反应器。某些碳进料和热载体是硬的或不易碎的，当颗粒从料斗送料进入螺旋钻反应器中窄的开口时，可能阻塞或堵塞送料机入口。在一方面，改进螺旋钻反应器螺杆以有助于物料引入至反应器系统并降低堵塞。如图5中所示，螺旋钻系统可包括特别设计的“梯级(step)”，在此位置将固体和/或热载体引入任一个或多个螺旋钻反应器中。梯级包括一系列从轴放射状延伸距离r’的螺纹720(由图5中的箭头725所示)。离送料机230最近的螺纹部件720的距离r’小于限定从螺旋钻轴755至反应器壁735的距离的距离r”(由图5中的箭头745所示)。选择距离r’以提供从螺纹末端或尖端至螺旋钻外壳735的间隙。所述间隙可大于引入到螺旋钻反应器的固体不易碎颗粒的轴向长度。显示这些特性的螺纹是如图5所示的将固体物料引入螺旋钻的(多个)部分中的那些。不位于固体入口230的区域中的螺纹730的间隙740可小于所述固体不易碎颗粒的轴向长度。

图5中所示的梯级对于可将固体不易碎颗粒进料到螺旋钻的本发明的实施方案是有利的。固体不易碎颗粒可易于陷入螺纹和螺旋钻外壳之间并抑制或停止螺杆相对于外壳的移动。梯级使得不易碎颗粒容易通过并降低原料磨损。此外，当原料的颗粒开始陷入螺纹和螺旋钻外壳之间并被螺杆驱动的力打碎时，梯级降低初始磨损。

图6示出具有改进的螺杆结构的螺旋钻螺杆的另一实施方案。螺杆结构860和870连接至螺旋钻的两个相邻螺纹830。图6示出两种这些结构，桨叶860和连杆870。从图6可以清楚的看出，所述结构跨越螺纹之间的距离并可为任何数量的配置和取向。这些结构有助于固体的混合。这些结构的分离功能是促进螺杆硬度。这些结构的另一分离功能是改变螺杆的固有频率。因此所述结构可用于固体混合、螺杆硬度和螺杆固有频率的改变的任何组合。本领域技术人员应该理解，对于长螺杆由所述结构提供的额外的硬度将降低螺杆的偏转。本领域技术人员还应该理解，可将系统的各种部件如以一定频率运行的发动机传输到螺旋上。所述结构可改变固有频率。本领域普通技术人员还应该理解，当螺旋旋转时，所述结构将促进混合。

在本发明的另一实施方案中，螺纹930可显示设计特征920，其中如图7中所示螺纹的一部分被除去以形成较小的‘翅片’，其沿着螺杆螺纹的边缘进动。被除去的部分可从距离轴最远的螺纹边缘延伸至轴以产生凹口910。图7A是示出该实施方案的沿着螺杆轴的视图。在其他实施方案中，被除去的部分可仅延伸从螺纹边缘至轴的总距离的一部分以产生凹口920。图7B是示出该实施方案的沿着螺杆轴的视图。如图7C中所示所述特征可沿着螺纹边缘周期性重复。凹口特征910或920促进物料的混合并还使得产生的蒸汽更容易地流向螺旋钻外壳中的出口。

在另一实施方案中，螺纹是不连续的而是分成沿着轴的长度分布的多个螺纹。

在如图8中所示的另一实施方案中，螺杆1010可显著小于螺旋钻外壳，从而在螺杆上留出间隙1030。在该实施方案中，螺杆将标称地(nominallly)运行使得从螺纹底部至螺旋钻外壳的距离小于待输送的颗粒的轴向长度。所述实施方案允许蒸汽在螺旋钻之上流至螺旋钻外壳中的一个或多个出口。由于在该配置中产生的间隙空间，可调节螺杆的垂直位置用于多个原因，包括但不限于颗粒堵塞的清除，用较大的颗粒运行或维护。参见图8A和8B。

图9A和B示出用于热解反应的新的热载体的两个实施方案。所述热载体由构造自金属或陶瓷的中空颗粒组成，其包括壳1110和含有不同于壳的物料1120，使得内部物料可被加热以改变相并由此通过内部物料的适当的相变将热传输至热转化过程。如图9A中所示，内部相变物料可以固相或液相完全填充壳内的体积，或如图9B中所示部分填充。必要时可用气体填充孔隙空间1130。相变物料1120可为金属或盐。根据所需的过程温度选择相变物料。一些相变物料实例为：锌，铝，硫，钾，氟化锂，氯化钠，碳酸钙，氯化钙，氢氧化钙，氯化锌。例如钠金属在1巴下在883℃(1621°F)下蒸发。因此，钠从蒸汽到固体的相变可用于为生物质热解提供过程热。

实施例1

在一系列的实验测试中，通过改变第二阶段蒸汽的生成温度测试分阶段热解益处。实施例1模拟两阶段过程，其中第一阶段在制备用于燃料的蒸汽的变化条件下进行。然后将这些蒸汽导入催化过程以产生燃料并观察几个主要指标。第二阶段可在将固体流转化为用于土壤改良剂的生物炭的条件下进行。改变用于第一阶段的反应条件，并评估反应条件对催化剂寿命和焦炭生产的影响。

焦炭产率和相对的催化剂寿命报告于表1中。该表被标准化为通用的质量单位每小时，且通过改变实验中使用的电加热器控制温度。还将测得的催化剂寿命相对于产生燃料而没有显著的反应物突破的时间的量“x”标准化。从表1中可以看出，对于相同的进料速率，催化剂的相对寿命随着站的温度的改变而变化。另一个关键的度量标准，燃料产生到焦炭产生也改变，从而相对于焦炭形成有助于更多燃料生产。应该注意的是，在运行B中，尽管仅一半的质量单位每小时的引入，但是较生物质以较高速率引入的运行D，催化剂在更少的时间内失活。还应该注意，构成较高温度实验的运行B和C也报道了最短的失活时间。对于焦炭产率看到相似的概念。

表1：作为阶段条件的结果的催化剂寿命和焦炭生产的实验比较

从第一阶段所得的炭不适合用于土壤改良剂，在第二阶段中该炭可加工至500℃以使它更适合于作为生物炭土壤改良剂加工。

实施例2

该实施例阐明三步系统，其中第一步产生不适合用于燃料产品的蒸汽，第二步蒸汽用于制备燃料。第三步是制备用于土壤改良剂的生物炭。该实施例还示出加热方法的不同用途和压力在第二阶段(压缩机)如何更高。

参照图3，将生物质，松木屑在点165处送入进料系统并引入到第一螺旋钻。外部加热螺旋钻使得内部压力为160℃(320°F)和压力为大气压。蒸汽产物主要为水并从321上的端口361取出并送至水处理阶段。

在该实施例中，将固体通过进料系统166也引入第二螺旋钻中。将热的钢丸在322上的点176处送料通过进料系统并引入到第二螺旋钻中。第二螺旋钻322通过引入由压缩机加压的热的气体的混合大气在60psig的压力下运行。通过外部加热和热的钢丸的组合，目前干和轻微转化的生物质从温度160℃加热至400℃(320°F至750°F)。这产生了变黑的固体产物和主要是水和更挥发性的烃蒸汽产物的蒸汽。从(多个)362出口除去这些蒸汽挥发性产物并送至催化过程。然后将剩余的固体传输通过第三螺旋钻，在此完成最终加热至550℃(1020°F)以产生用于土壤改良剂过程的生物炭。

在该实施方案中，第三螺旋钻在接近大气压力下运行。在第三螺旋钻中通过加入少量空气形式的氧化剂提供额外的加热以将生物质加热至最终温度550℃(1020°F)。这些蒸汽产物与来自第二螺旋钻的产物相比是不同的分子。最后阶段中的蒸汽产物预计包括重的大的含氧化合物等。将蒸汽产物从端口163除去并送至燃烧过程，在此将其燃烧产生如同蒸汽的额外能量。将固体除去并送至将钢丸从所得生物炭分离的过程。

如实施例2所描述地处理生物质将在较高温度下产生的蒸汽流从催化过程转移，在催化过程中分子降低催化剂的运行时间。从第三阶段出来的蒸汽较大并堵塞催化剂孔等。反而，所述分子可用于单独的有益过程，例如，燃烧以产生如同蒸汽的额外能量。此外，来自固体流的较重的挥发性组分的除去提供可用于碳封存或土壤改良剂的生物炭。

实施例3

该实施例示出三步系统，其中中间阶段的加热使用通过轴的电力完成。

再次参照图3，将生物质如松树屑在点165处送料入送料系统并引入到第一螺旋钻。外部加热螺旋钻使得内部温度为250℃(480°F)和压力为大气压力。蒸汽产物主要为水和乙酸并从321上的端口361取出并送至另一过程。有几个过程可能使用乙酸，如水处理步骤中的中和过程。如上所述，在该阶段乙酸的除去帮助降低在燃料生产过程中的焦化。这保证了在较低温度下产生的蒸汽流不被送至催化过程，在催化过程中所述乙酸已知降低催化剂的运行时间相反所述蒸汽可用于单独的有益过程。

然后通过送料系统166将固体引入到第二螺旋钻中。电加热螺旋钻的轴。第二螺旋钻322通过引入由压缩机加压的热的气体的混合大气在60psig的压力下运行。通过外部加热和热的轴的组合，目前干的和轻微转化的生物质从温度250℃加热至500℃(480°F至930°F)。这产生了变黑的固体产物和是更挥发性的烃蒸汽产物的蒸汽。

从(多个)362出口除去这些蒸汽挥发性产物并送至催化过程以产生液体运输燃料分子。这些蒸汽在比实施例2的第二阶段的温度更高的温度下产生，实施例2产生含有更多含量的更重的含氧有机物的蒸汽流。分子的大部分将与在前过程的分子相似，但是较高的温度意味着将有具有不同的氢:碳比例的分子且据认为将有更大的分子。较高的温度不产生更高的蒸汽产率。为了获得具有特定组成的蒸汽流的不同条件中的该选择是本发明的一个方面。控制生物质通过预选的热解条件，如温度，停留时间和压力的多个阶段使得人们调整过程以得到希望的蒸汽产物(和随后的固体产物)。

然后将剩余的固体传输通过第三螺旋钻，在此通过电力完成最终加热至525℃(975°F)以产生用于土壤改良剂的生物炭。在该实施例中，第三螺旋钻在接近大气压力下运行。

实施例4

该实施例示出通过将热源分段和使用螺纹设计来部分地或基本上隔离不同的阶段如何可能将阶段包含在相同的螺旋钻中。在该实施例中，单一螺旋钻单元以不连续的温度区运行。

生物质最初在环境温度下引入，并首先通过温度为290℃(555°F)的区。在此生物质经历一系列的初始反应，其中产物流富含水和乙酸。生物质继续进入引入热的钢丸的第二区。生物质和钢丸然后进入第三区，在此它转化为最终的固体产物。取出在第三区中产生的蒸汽。放置蒸汽出口并设计螺纹使得蒸汽产物根据产生所述蒸汽的区大体上分割。

尽管上面描述了本发明的各种实施方案，但应理解，它们仅通过实例呈现而不是限制。同样地，各种图可描绘本发明的示例结构上的和其他配置，其是为了帮助理解可包括在本发明中的特征和功能。本发明不限于所示的示例结构或配置，但是，可使用各种替代的结构和配置实施希望的特征。的确，如何实施替代的功能性的，逻辑的或物理的分区和配置以实现本发明希望的特征对本领域技术人员是显而易见的。另外，大量的不是本文描述的那些不同的构件模块名可用于各种分区。此外，对于流程图，操作说明和方法权利要求，本文呈现的步骤的顺序不应要求将各实施方案实施成以相同的顺序实现所述功能，除非文中另有指示。

尽管上面以各种示例性实施方案和实施方式的形式描述了本发明，但应理解，一个或多个单独的实施方案中描述的各种特征、方面和功能在其适用性上不限于描述其的特定实施方案，而是可以单独或以各种组合应用至本发明的一个或多个其他实施方案，无论此类实施方案是否被描述并且无论此类特征是否被展示为所描述的实施方案的一部分。因此，本发明的宽度和范围不应受到上述示例性实施方案的限制。

除非另外明确陈述，本文件中使用的术语和短语及其变化形式应该解释为开放末端而不是限制性的。作为前述的例子：术语“包括”应该被解读为表示“包括但不限于”或类似含义；术语“实例”用于提供讨论的条目的示例性情形，而不是其穷尽性或限制性列举；术语“一”(a或an)应该被解读为表示“至少一”、“一个或多个”或类似含义；并且诸如“常规”、“传统”、“正常”、“标准”、“已知”和类似含义的术语的形容词不应被解释为将所描述的术语限制为给定时期或截止给定时间可获得的条目，而应被解读为涵盖目前或将来任何时间可获得或知道的常规、传统、正常或标准技术。同样，当本文件提及对本领域普通技术人员明显或已知的技术时，此类技术涵盖技术人员在目前或将来的任何时间点清楚或知道的那些。

除非另外明确陈述，与连词“和”相关的条目组不应被解读为要求各个或每一个这些条目出现在组中，而应该解读为“和/或”。类似地，除非另外明确陈述，与连词“或”相关的条目组不应被解读为要求在组中排他性，而应该还解读为“和/或”。而且，尽管本发明的条目，元件或组分可以单数被描述或要求保护，但是除非对单数有明确的规定，复数也应考虑为在其范围内。

在一些情况下，放宽性文字和短语例如“一个或多个”、“至少”、“但不限于”或其他类似短语的存在不应被解读为表示较窄的情况在可能不存在此类放宽性短语的情形下是期望或需要的。

Claims (39)

1.在多个螺旋钻站中热分解生物质以生成生物燃料和生物炭的方法，其包括：

通过调节温度和/或压力运行多个螺旋钻站中的每一个，其中，温度或压力中的至少一个在所述站之间不同；

将所述生物质和/或其随后的热分解产物传输至或传输出所述多个螺旋钻站；

其中，第一螺旋钻站在选择的大气压和温度下运行以生成主要包含水和乙酸的蒸汽产物；

其中，至少第二螺旋钻站在选择的条件下以250℃至500℃范围内的温度和低于所述第一螺旋钻站的压力运行以热解所述生物质或其随后的热分解产物以产生适于燃料生产的蒸汽流，和将产生所述燃料的蒸汽流不经冷凝就导入催化塔用于转化为燃料；以及

其中，至少第三螺旋钻站在选择的条件下运行以热解进入的所述热分解产物以产生生物炭并提供第二蒸汽流，并将所述第二蒸汽流导入第二位置用于燃料生产之外的用途。

2.权利要求1所述的方法，其中，一个或多个站包括螺旋钻。

3.权利要求1或2所述的方法，其产生至少一种固体生物炭流用于土壤改良剂用途。

4.权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一螺旋钻站之前有一个或多个用于干燥生物质的站。

5.权利要求1或2所述的方法，其中，适于燃料生产的所述蒸汽流包括(i)长链脱水糖类；(ii)木质素衍生的芳族化合物；(iii)基于脂类的油；(iv)基于碳水化合物的呋喃中的至少一种。

6.权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一螺旋钻站之前有一个或多个用于酸洗生物质的站。

7.权利要求1所述的方法，其中，由一种或多种蒸汽流合成可再生的化学品。

8.权利要求2所述的方法，其中，所述多个站中的第二站内的温度递增地高于所述多个站中的第一站内的温度，并且其中，所述多个站中的第三站内的温度递增地高于所述第二站内的温度。

9.权利要求8所述的方法，其中，所述第三站中的压力低于所述第二站内的压力。

10.权利要求8所述的方法，其中，所述第三站中的压力高于所述第二站内的压力。

11.权利要求1所述的方法，其中，适于燃料生产的所述蒸汽流在接触催化柱之前经过颗粒过滤器，由此降低催化剂焦化速率。

12.权利要求1所述的方法，其中，适于燃料生产的所述蒸汽流在接触催化柱之前经过冷凝器以骤冷焦炭形成组分或颗粒组分的蒸汽流，由此降低催化剂焦化速率。

13.权利要求1所述的方法，其中，将第二蒸汽流引入站中用于产生热或能源。

14.权利要求1所述的方法，其还包括将氧化剂加入热解站中以促进加热。

15.权利要求1所述的方法，其还包括在催化柱中连续地再生催化剂。

16.在多个螺旋钻站中热分解生物质的系统包括：

能够独立地控制温度和/或压力的多个螺旋钻站；

将所述生物质和/或其随后的热分解产物传输至或传输出所述多个螺旋钻站的传输导管；

其中，第一螺旋钻站经设计在适于生成主要包含水和乙酸的蒸汽产物的大气压和温度下运行；

其中，至少第二螺旋钻站经设计在选择的条件下以250℃至500℃范围内的温度和低于所述第一螺旋钻站的压力运行以热解所述生物质或其随后的热分解产物以产生适于燃料生产的蒸汽流，所述第二螺旋钻站具有将产生燃料的所述蒸汽流不经冷凝就导入催化塔用于转化为燃料的出口导管；

其中，至少第三螺旋钻站经设计在提供第二蒸汽流和生物炭的条件下运行，所述第三螺旋钻站具有将所述第二蒸汽流导入第二位置用于燃料生产之外的用途的出口导管。

17.权利要求16所述的系统，其中，所述螺旋钻的取向可以为相对于水平线以大于0°至85°倾斜。

18.权利要求16或17所述的系统，进一步包括过滤器以从蒸汽流除去重的焦炭形成或颗粒组分，由此进一步降低催化剂焦化速率。

19.权利要求16或17所述的系统，其中，蒸汽流的温度骤冷用于除去重的焦炭形成或颗粒组分，由此进一步降低催化剂焦化速率。

20.权利要求16或17所述的系统，进一步包括旋风分离器以从蒸汽流除去重的焦炭形成或颗粒组分，由此进一步降低催化剂焦化速率。

21.权利要求16或17所述的系统，其中，至少一个螺旋钻站进一步包括分凝器，其配置用于冷凝流自所述螺旋钻反应器的热解蒸汽流的一部分的馏分，以降低在随后的催化剂反应器中的污染和焦化。

22.权利要求16或17所述的系统，其中，至少一个螺旋钻站包括催化剂与生物质或其分解产物。

23.权利要求16或17所述的系统，其还包括为生物质的热分解提供热能的热载体，其选自以下的组：反应器具有的或周围的加热线圈，其在螺旋钻内部或周围电加热，通过所述反应器的热的颗粒，热的铁磁固体颗粒，热的炭颗粒，热的灰颗粒，和颗粒内部具有相变物料的热的颗粒。

24.权利要求16或17所述的系统，进一步包括含有由金属或陶瓷构造的中空颗粒的热载体，所述中空颗粒包括壳和含有不同于壳的物料，使得内部物料可在300℃至1000℃的温度范围内被加热以改变相，由此通过内部物料的适当相变将热传输以热解生物质。

25.权利要求16或17所述的系统，其中向站提供氧化剂以促进加热。

26.权利要求16或17所述的系统，其中，所述螺旋钻站包括传输螺杆且所述传输螺杆通过电装置加热。

27.权利要求16或17所述的系统，其中，每个阶段的热载体是独立的。

28.权利要求16或17所述的系统，其中，所述催化塔包括具有多个催化反应器的连续再生催化系统。

29.权利要求16或17所述的系统，其中，从所述系统中除去多个蒸汽流。

30.权利要求16所述的系统，其中，多个螺旋钻站包括在相同的螺旋钻室内。

31.权利要求16或17所述的系统，其中，所述多个螺旋钻中的第一螺旋钻站包括在第二螺旋钻站的螺旋钻入口处终止的出口。

32.权利要求31所述的系统，其中，所述多个螺旋钻站中的最后的螺旋钻在除去所述系统的生物炭的出口处终止。

33.权利要求16或17所述的系统，其中，螺旋钻站内的压力通过限制产物从反应器取出的速率选择性地可控。

34.权利要求16或17所述的系统，其中螺旋钻站内的压力通过向反应器引入气体或蒸汽流选择性地可控。

35.权利要求16或17所述的系统，其中所述螺旋钻站包括用于压缩磨碎的生物质以控制固体中的压力的装置。

36.权利要求35所述的系统，其中，用于压缩生物质的装置包括加热的粉碎热解站以控制固体中的压力。

37.权利要求36所述的系统，其中，用于压缩生物质的装置包括在至少一个螺旋钻站中连续变化螺杆轴直径。

38.权利要求16或17所述的系统，其中，每个螺旋钻站的温度包括线性变化的温度。

39.权利要求16或17所述的系统，其中，第三螺旋钻站中的压力低于第二螺旋钻站内的压力。