CN1362393A - 利用生物质材料制备甲醇的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用生物质材料制备甲醇的方法,该方法能够有效地利用所产生的一氧化碳而不降低甲醇制备的效率。本发明还提供制备甲醇的装置。在利用生物质材料制备甲醇的方法中,包括气化生物质以产生气体和由所产生的气体制备甲醇,通过电能驱动的水电解设备来电解水,所述的电能来自日光能发电设备或风力发电设备,并将由水电解产生的氢气提供给原料气,致使氢气量调节为所产生的气体中所包含的一氧化碳量的至少两倍,由此于甲醇合成塔中制备甲醇。

Description

利用生物质材料制备甲醇的方法和装置
2000年12月28日提交的日本专利申请第2000-400039号的全部公开内容，包括说明书、权利要求书、附图和摘要，全部引入本文作为参考。
                       发明背景
发明领域
本发明涉及利用生物质为原料的制备甲醇的方法和装置。
现有技术
利用生物质如植物为原料的甲醇的制备方法是基于下列反应来进行的。
                          (1)
                              (2)
                               (3)
简而言之，使通过生物质(CH2O)的部分燃烧或蒸汽-气化产生的一氧化碳(CO)和氢气(H2)反应，由此产生甲醇(CH3OH)。
本文所使用的术语“部分燃烧”是指一种燃烧类型，其中部分生物质发生完全或不完全的燃烧。
从反应(2)可以明白，前述的反应中包括转移反应，即试图增加要产生的一氧化碳的量时，所产生的氢气量减少；试图增加要产生的氢气量时，所产生的一氧化碳量减少。通常，该反应向左侧移动，产生的一氧化碳量增加。因此，产生甲醇的氢气量变得不足，而且所产生的一氧化碳不能充分利用。
一种能够解决这种问题的措施是提供水(蒸汽)给该反应体系，由此使反应向前述反应(2)的右侧移动，以产生所需的足够量的氢气。但是，当提供的水蒸汽增加时，反应体系的温度降低，延缓了反应速率，并有问题地降低甲醇制备的效率。
                       发明概述
考虑到上述问题，本发明人进行了深入的研究以便解决这些问题，并且发现，可以通过提供氢气给在利用生物质材料制备甲醇常规方法中由生物质的气化所产生的气体来有效地制备甲醇。因此，本发明的一个目的是提供一种利用生物质材料制备甲醇的方法，该方法能够有效地利用产生的一氧化碳而不破坏甲醇制备的效率。本发明的另一个目的是提供一种制备甲醇的装置。
因此，本发明第一方面提供一种利用生物质材料制备甲醇的方法，该方法包括气化生物质以产生气体和提供氢气给所产生的气体以制备甲醇。
优选氢气提供给所产生的气体，致使该氢气量调节为所产生气体中所包含的一氧化碳量的至少两倍。
优选将通过电解水产生的氢气提供给所产生的气体。
优选将通过电解水产生的氧气用作生物质的气化剂。
优选将通过电解水产生的氢气和氧气在使用前单独临时储存。
优选水是通过利用天然能源(即由天然资源获得的能源)所得到的电能电解的。
优选利用天然能源所得到的电能在使用前是临时储存的。
优选该天然能源为至少一种选自日光能、风能、潮汐能、水能和太阳热能的能源。
第二方面，本发明提供一种利用生物质材料制备甲醇的装置，该装置包括通过生物质部分燃烧(combustion)或蒸汽气化产生气体的生物质气化设备；由所产生的气体合成甲醇的甲醇合成设备；以及向所产生的气体提供氢气的氢气供给设备。
优选氢气供给设备向所产生的气体供给氢气，致使该氢气量调节为所产生气体中所包含的一氧化碳量的至少两倍。
优选该氢气供给设备包括电解水的水电解设备。
优选将通过电解水设备产生的氧气以生物质气化剂的方式提供给生物质气化设备。
优选上述制备甲醇的装置还包括临时储存用水电解设备电解水所产生的氧气的氧气储存设备，以及氢气供给设备，包括临时储存用水电解设备所产生的氢气的氢气储存设备。
优选上述制备甲醇的装置还包括通过利用天然能源发电的以天然能源为基础的发电设备，用以驱动水电解设备。
优选该以天然能源为基础的发电设备包括临时储存电能的电能储存设备。
优选该以天然能源为基础的发电设备利用至少一种选自日光能、风能、潮汐能、水能和太阳热能的能源产生电能。
                         附图简述
通过参考下面的优选实施方案详述并结合附图，本发明的多种其它目的、特征和很多附带的优点将是容易理解的。
图1示出了有关本发明一个实施方案的利用生物质材料制备甲醇的装置的示意图。
                     优选实施方案详述
本发明的利用生物质材料制备甲醇的方法和装置的优选实施方案将参照图1进行描述。图1示出了有关制备甲醇装置的示意图。
如图1所示，干燥生物质1如树木和其它植物的干燥器11与进料斗12的入口相连。进料斗12的出口与粉碎干燥生物质1的粉碎机13的入口相连。
粉碎机13的出口与气化炉14的入口相连，该气化炉用作生物质气化设备，以通过生物质1的部分燃烧或蒸汽-气化来产生气体2。气化炉14的出口与从所产生的气体2中除去灰份6的粉尘收集单元15的入口相连。粉尘收集单元15的气体出口与洗涤器16的气体入口相连，该洗涤器16通过喷洒洗涤水7来洗涤和冷却所产生的气体2。
洗涤器16的气体出口通过增压设备17和热交换器18与甲醇合成塔19的入口相连，该合成塔用作由所产生的气体2制备甲醇8的甲醇合成装置。甲醇合成塔19的出口通过热交换器18和热交换器20与储存甲醇8的储存容器21相连。
供水器22通过热交换器14a与气化炉14相连。当由供水器22供水3时，热交换器14a通过加热使水3汽化，并将如此产生的水蒸气供给于气化炉14中。
气化炉14还与水电解单元24的氧气出口相连，该电解水单元24用于电解水3以生成氧气4和氢气5。在气化炉14和水电解单元24的氧气出口之间，提供临时储存氧气4的氧气储存设备—氧气储罐25。水电解单元24的氢气出口连接于增压设备17与洗涤器16的气体出口之间的位置上。用于临时储存氢气5的氢气储存装置—氢气储罐26放在增压设备17和水电解单元24的氢气出口之间。
提供水3的供水器23与水电解单元24相连。补充氧气4的辅助氧气源27放在氧气储罐25和气化炉14之间。
水电解单元24与临时储存电能的电能存储设备—二次电池28相连。二次电池28与日光发电单元29相连，该日光发电单元29作为以天然能源为基础的发电设备利用日光能发电，并通过AC/DC转换器31与风力发电单元30相连，所述风力发电单元30作为以天然能源为基础的发电设备利用风能发电。
在该实施方案中，水电解设备包括供水器23、水电解单元24等，而氢气供给设备包括水电解设备、氢气储罐26等。
下面将描述使用这种制备甲醇的装置制备甲醇的方法。
电能是通过日光发电单元29和风能发电单元30来产生的，并将如此产生的电能临时储存在二次电池28中。水电解单元24利用所储存的电能来驱动，由此电解供水器23提供的水3。将如此制备的氧气4临时储存在氧气储罐25中，并将如此制备的氢气5临时储存在氢气储罐26中。
随后，生物质1在干燥器11中进行干燥，进料于进料斗12中，并由进料斗12供给于粉碎机13中，其中生物质被粉碎。将粉碎的生物质提供给气化炉14。将氧气储罐25中的氧气4提供给气化炉14，由此造成部分燃烧。此外，将来自供水器22的水3供给于热交换器14a中进行加热，由此产生高温蒸汽(400-500℃)。将该蒸汽提供给气化炉14。于是，生物质1被分解，由此按照下列反应产生气体2(CO，H2)。
                         (1)
                             (2)
由上述的反应(2)可以看出，所产生的气体2经历一种转移反应，即试图增加所产生的一氧化碳量时，所产生的氢气量降低；而试图增加所产生的氢气量时，则所产生的一氧化碳量降低。一般地，该反应向左侧移动，其中产生的一氧化碳量增加。因此，制备甲醇的氢气量仍然不充分。
将产生于前述气化炉14中的气体2提供给粉尘收集单元15，由此除去灰分6等物质。随后，将该气体供给于洗涤器16，并通过喷洒洗涤水7进行冷却和洗涤。然后，将该气体转移出洗涤器16。
将前述氢气储罐26提供的氢气加到所产生的气体2中，致使氢气量调节为至少两倍于一氧化碳量。所加入的氢气量可通过事先分析生物质1的组成并考虑到气化炉14中的气化条件等条件来确定。也可以安装一种控制系统，该控制系统通过传感器等设备测量来自洗涤器16供给的气体2中的一氧化碳含量和氢气含量，并基于测量结果提供氢气储罐26中的氢气5，致使氢气量成为气体2中所包含的一氧化碳量的至少两倍。
将如此处理的所含氢气量至少两倍于一氧化碳量的气体2的压力通过增压设备17来升高，并通过热交换器18提供给甲醇合成塔19，由此基于下列反应来制备甲醇(CH3OH)8。
                           (3)
将前述的甲醇8通过热交换器18和20提供给储存容器21，并将排放气体9排放到体系之外。
简而言之，就生物质1生成的气体2中所含的一氧化碳而言，在量上不充分的氢气5得到了补充，然后制备甲醇8。
因此，可以通过充分消耗气体2中所包含的一氧化碳来制备甲醇8，没有剩余的一氧化碳。
于是，根据该制备甲醇的方法和装置，可有效地利用生物质1，从而有效地利用资源。另外，形成甲醇的效率可显著提高，由此降低生产成本。
由于为获得氢气5而由电解水3形成的氧气4可用于气化炉14中的部分燃烧，所以水3可以被有效地利用，导致有效地利用资源和生产成本的降低。
另外，由于利用了通过日光发电单元29和风力发电单元30所产生电能，即用天然能源来电解水3，因此实现了能源的有效利用，从而降低生产成本。
另外，由于利用天然能源产生的电能临时储存在二次电池28中，从而可以稳定可靠地通过水电解单元24来电解水3。
由于通过电解水3得到的氧气4和氢气5在使用之前分别临时储存在储罐25和26中，因此这两种气体4和5均可按所需的量稳定地使用，同时通过水电解单元24的电解水3可以在预定的条件下进行。
用于本发明的生物质1的实例包括可用作能源或工业原材料的生物资源(如农产品或副产品；木材；植物等)。这种生物资源的实例包括甜高粱、nepiergrass和螺旋藻，以及起源于农业和森林的废弃物，如米糠、木屑和疏伐中产生的木材。为了避免复杂性，用CH2O所代表的组成来描述生物质1。但是，生物质1的组成通常用(CxH2Oy)n(x＝1.1～1.2；y＝0.8～0.9)来表示。
提供给气化炉14的生物质1的平均颗度优选为0.05～5mm。理由如下：当该粒度小于0.05mm时，粉碎机13的粉碎效率差，反之当该粒度超过5mm时，难于实现分解达到生物质芯部的部分燃烧，由此损害气化的效率。
在气化炉14中气化生物质1的温度优选为700～1400℃，更优选为800～1000℃。原因如下：当所述气化温度低于700℃时，难于实现有利的部分燃烧，反之当该气化温度超过1400℃时，生物质1本身被燃烧，从而不利地增加产生烃如烟灰的百分数。
对于在气化炉14中气化生物质1的压力没有特别的限制。尽管大约80个大气压的气化压力使气化炉14与甲醇合成塔19之间无须放入增压设备17即可连接，但是要求气化炉14是耐高压的，因而提高了气化炉14的成本。因此，1～40个大气压的气化压力是优选的，这样可以降低对气化炉14的耐压要求至可接受的程度。特别优选气化压力为1～30个大气压，这样气化炉14的尺寸可以做得较小。
虽然气化炉14中的表观速度没有特别限制，但是优选0.1～5m/s的表观速度。原因如下：当该表观速度小于0.1m/s时，生物质1在炉中的停留时间过度延长，加速生物质1到烃的转化，反之当该表观速度超过5m/s时，生物质1在炉中的停留时间过度缩短，使生物质1难于通过充分的部分燃烧而分解。
特别地，当生物质1的平均粒度为0.05～1mm时，气化炉14中的表观速度被控制为0.4～1m/s，当该平均粒度为1～5mm时，气化炉14中的表观速度被控制为1～5m/s。这些条件是特别优选的，因为生物质1可以在最佳条件下转移。
在该实施方案中，利用日光能的日光发电单元29和利用风能的风力发电单元30，组合起来用作利用天然能源的以天然能源为基础的发电设备。依据发电的性能，两种发电单元均可单独使用，或者与其它发电单元如利用潮汐能的潮汐发电单元、利用水能的水发电单元或利用太阳热能的太阳热发电单元组合起来使用，以获得电能。
在该实施方案中，供给气化炉14的水3由供水器22进料，而供给水电解单元24的水3则由供水器23进料。但是，供给气化炉14的水3和供给水电解单元24的水3也可以由相同的供水器进料。
本发明的利用生物质材料制备甲醇的方法包括气化生物质以产生气体和由所产生的气体制备甲醇，将氢气提供给所产生的气体，由此制备甲醇。因此，可以通过充分消耗所制备的气体中所包含的一氧化碳来制备甲醇，而不剩余一氧化碳。因此，可以有效地利用生物质，进而有效地利用资源。另外，形成甲醇的效率可以显著地提高，进而降低生产成本。
本发明的利用生物质材料制备甲醇的装置，包括通过生物质的部分燃烧或蒸汽-气化产生气体的生物质气化设备，以及由所产生的气体制备甲醇的甲醇合成设备，该装置还包括将氢气提供给所产生的气体的氢气供给设备。因此，可以通过充分消耗所制备的气体中所包含的一氧化碳来制备甲醇，而不剩余一氧化碳。这样，可以有效地利用生物质，进而有效地利用资源。另外，形成甲醇的效率可以显著地提高，进而降低生产成本。

Claims (16)

1.一种利用生物质材料制备甲醇的方法，该方法包括：
气化生物质以产生气体；和
提供氢气给所产生的气体，由此制备甲醇。
2.权利要求1的利用生物质材料制备甲醇的方法，其中将氢气提供给所产生的气体，致使氢气量调节为所产生的气体中所包含的一氧化碳量的至少两倍。
3.权利要求1的利用生物质材料制备甲醇的方法，其中将通过水电解产生的氢气提供给所产生的气体。
4.权利要求3的利用生物质材料制备甲醇的方法，其中通过水电解产生的氧气用作生物质的气化剂。
5.权利要求4的利用生物质材料制备甲醇的方法，其中通过水电解产生的氢气和氧气在使用前要单独临时储存。
6.权利要求3的利用生物质材料制备甲醇的方法，其中水是通过使用天然能源所获得的电能电解的。
7.权利要求6的利用生物质材料制备甲醇的方法，其中通过使用天然能源所获得的电能在使用前要临时储存。
8.权利要求6的利用生物质材料制备甲醇的方法，其中所述的天然能源为至少一种选自日光能、风能、潮汐能、水能和太阳热能的能源。
9.一种利用生物质材料制备甲醇的装置，该装置包括：
通过生物质的部分燃烧或蒸汽-气化产生气体的生物质气化设备；
由如此制备的气体制备甲醇的甲醇合成设备；和
提供氢气给所制备的气体的氢气供给设备。
10.权利要求9的利用生物质材料制备甲醇的装置，其中该氢气供给设备提供氢气给所产生的气体，致使氢气量调节为所产生气体中所包含的一氧化碳量的至少两倍。
11.权利要求9的利用生物质材料制备甲醇的装置，其中该氢气供给设备包括电解水的水电解设备。
12.权利要求11的利用生物质材料制备甲醇的装置，其中由水电解设备电解水产生的氧气作为气化剂供给于生物质气化设备。
13.权利要求12的利用生物质材料制备甲醇的装置，该装置还包括临时储存氧气的氧气储存设备，所述的氧气是由水电解设备电解水产生的，其中氢气供给设备包括临时储存氢气的氢气储存设备，所述的氢气是由水电解设备电解水产生的。
14.权利要求11的利用生物质材料制备甲醇的装置，该装置还包括运行水电解设备的以天然能源为基础通过利用天然能源发电的发电设备。
15.权利要求14的利用生物质材料制备甲醇的装置，其中该以天然能源为基础的发电设备包括临时储存电能的电能储存设备。
16.权利要求14的利用生物质材料制备甲醇的装置，其中该以天然能源为基础的发电设备利用至少一种选自日光能、风能、潮汐能、水能和太阳热能的能源产生电能。
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